温控型镁质抗裂剂研究及其在混凝土工程结构中的应用

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.i s s n .1674-6066.2023.05.006温控型镁质抗裂剂研究及其在混凝土
工程结构中的应用
武春阳1,高 莹1,巫元君1,张笑云1,朱国军2
(1.中交建筑集团第二工程有限公司,南昌330013;
2.武汉三源特种建材有限责任公司,武汉430083
)摘 要: 研究了温控型镁质抗裂剂对净浆水化热㊁
砂浆限制膨胀率及抗压强度的影响,并将其批量化应用于混凝土工程侧墙结构㊂数据表明:随抗裂剂掺量由4%提升至10%时,水泥净浆抑温率逐步增大至42.5%;随养护温度提高,限制膨胀率快速增大且膨胀窗口期显著降低;抗裂剂会引起砂浆试件早期(3d )抗压强度显著降低,但不影响试件养护7~60d 抗压强度;外掺6%抗裂剂,混凝土工程结构试验段较空白段温升值降低5.3ħ㊁收缩值(μ
ε)降低150㊁裂缝条数由3条降低为0条㊂
关键词: 镁质抗裂剂; 水化热; 限制膨胀率; 应变
R e s e a r c ho nT e m p e r a t u r eC o n t r o l l e dM a g
n e s i u mB a s e dC r a c kR e s i s t a n c e A g e n t a n d I t sA p p l i c a t i o n i nC o n c r e t eE n g i n e e r i n g S
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作者简介:武春阳(1991-),工程师.E -m a i l :554686744@q q .c o m 通讯作者:朱国军(1981-),硕士,正高级工程师.E -m a i l :z g j 626@1
63.c o m 混凝土结构开裂问题一直是建筑行业的一大难题㊂导致裂缝发生的原因多种多样,主要包括收缩裂缝
和荷载裂缝,据统计前者占比超过80%,混凝土收缩的诱因包括塑性收缩㊁碳化收缩㊁干燥收缩㊁温度收缩和自身收缩[1-3
]㊂其中自身水化收缩和温度收缩又是最主要的原因㊂因此,如何从降低混凝土结构的温度收缩
和自身收缩两个方面来改善混凝土开裂问题是当前行业关注的重点㊂
温控型抗裂剂是一种新型的抗裂材料,可以从控制混凝土温升和补偿收缩两个方面来降低混凝土结构的开裂风险,其主要作用机理包括:温控材料降低水泥水化反应速率以及膨胀材料的缓慢水化,水化结晶体使得水泥基材料膨胀来补偿收缩㊂近年来,温控型材料的研究和应用逐渐成为国内混凝土结构裂缝控制的
重点方向[4-7
]㊂膨胀源主要为轻烧氧化镁,由菱镁矿烧制而成㊂与传统的钙矾石类膨胀源膨胀剂相比,轻烧
3
2建材世界 2023年 第44卷 第5期
氧化镁具有水化产物性质稳定㊁水化需水量少㊁膨胀历程可调节等优点,广泛应用于各类工程结构来降低混凝土收缩[8-11]㊂
该文以温控型镁质抗裂剂为研究对象,探究其对水泥水化热㊁砂浆限制膨胀率㊁抗压强度的影响,同时,进一步以工程实体结构为对象,研究掺该材料对混凝土结构内部温升历程㊁收缩历程及抗裂效果的影响,为该产品在市场上的规模化应用提供借鉴依据㊂
1试验
1.1原材料
1)试验研究用水泥均为P I42.5基准水泥,由中国联合水泥集团有限公司生产,其物理性能指标见表1,化学成分见表2㊂
2)膨胀性能及强度试验所用砂均为I S O标准砂㊂
3)温控型镁质抗裂剂(WKM)由武汉源锦建材科技有限公司生产,其化学分析见表2㊂
4)工程项目混凝土配合比见表3,所用水泥为海螺P O42.5水泥;粉煤灰为Ⅱ级灰;矿粉为S95矿粉,其化学分析见表2;砂㊁石均符合相关标准要求㊂
表1基准水泥的物理性能
水泥标准稠度/%凝结时间/m i n
初凝终凝抗折强度/M P a
3d28d
抗压强度/M P a
3d28d
基准水泥27.41652314.411.220.953.2
表2原材料的化学组成w/%原材料C a O S i O2A l2O3F e2O3M g O S O3L o s s
基准水泥63.1421.855.362.611.872.691.45
海螺水泥58.8722.314.214.454.323.462.43
粉煤灰4.8338.6240.717.312.650.734.54
矿粉35.6233.2415.860.7410.212.550.23温控型镁质抗裂剂21.130.550.620.4353.22.2116.3
表3混凝土配合比/(k g㊃m-3)编号水水泥矿粉粉煤灰砂碎石减水剂WKM
空白段17236055607709508.00
试验段17236055607709508.224
1.2研究方案
1.2.1水泥净浆水化热试验
水泥净浆水化热的试验方法参考‘水泥水化热测定方法“(G B/T12959 2008)中相关规定进行,其区别在于标准中采用胶砂,该试验采用水泥净浆㊂这主要是因为此方法可提高空白水泥净浆温升,更有利于体现出温控材料掺量的差异性对水化热影响㊂试验环境温度和水泥净浆的入模温度均控制在(20ʃ1)ħ,抗裂剂掺量为4%㊁6%㊁8%和10%,均等量取代基准水泥,水胶比为0.4㊂
1.2.2砂浆限制膨胀率试验
为了探究温控型镁质抗裂剂的膨胀历程,研究在不同养护温度下砂浆试件的限制膨胀率㊂试验方法参考‘混凝土膨胀剂“(G B/T23439 2017),每个配比成型3组40mmˑ40mmˑ140mm限制膨胀砂浆试件,按规定方法拆模后测初长,分别放入20ħ㊁40ħ和60ħ的养护箱中,至规定龄期取出测试㊂
1.2.3抗压强度试验
温控型镁质抗裂剂对砂浆力学性能的影响试验方法参考‘混凝土膨胀剂“(G B/T23439 2017),掺量为胶凝材料用量的5%㊂
1.2.4工程应用研究
为验证温控型镁质抗裂剂产品的实际应用效果,以地铁项目侧墙为研究对象,试验段和空白段侧墙结构尺寸均为0.8mˑ4.5mˑ28m㊂现场浇筑的混凝土配合比如表3所示,混凝土标号为C45P8,温控型镁质42
建材世界2023年第44卷第5期
抗裂剂(WKM )以胶凝材料用量6%外掺添加,未添加的空白组以K B 表示㊂
2 结果与讨论
2.1
温控型镁质抗裂剂对净浆水化热的影响
研究了在20ħ入模温度条件下,
掺温控型镁质抗裂剂对水泥净浆水化热的影响,其测试数据见图1㊂由图1可见,随抗裂剂掺量的提高,温峰值逐步
降低,同时温峰出现时间也缓慢延长;当掺量分别为
4%㊁6%㊁8%和10%时,
对应净浆温峰值分别为55.1ħ㊁51.0ħ㊁48.5ħ和46.5ħ;相较于空白组,抑温率分别为31.9%㊁36.9%㊁40.0%和42.5%㊂掺该抗裂剂可显著抑制水泥水化放热速率,减小温峰值且掺量越高削弱作用越大,但从温度曲线可以
发现,其也会在一定程度上延长水泥的凝结时间㊂
2.2 温控型镁质抗裂剂的水化反应历程研究
探究抗裂剂在不同掺量下,不同水养温度对其水化反应历程的影响,测试结果如图2~图4所示
㊂图2显示试件在20ħ水养条件下,
随抗裂剂掺量的增加,相同龄期下膨胀率逐步增大;但并不呈现出正比例关系,同时试件的养护龄期从7~120d 膨胀率均处于持续增长状态,且增长趋势没有放缓的趋势㊂养护龄期为120d 时,当其掺量分别为4%㊁6%㊁8%和10%时,
限制膨胀率分别为0.037%㊁0.064%㊁0.071%和0.092%㊂图3显示当试件养护温度提升至40ħ时,随抗裂剂掺量的增加,相同龄期下膨胀率依旧表现出逐步增大,也不呈现出正比例关系;但养护至60d 时,限制膨胀率几乎不再增长,说明温度的提高,加速了抗裂剂的水化反应速率,使其膨胀历程缩短㊂养护龄期为60d 时,当其掺量分别为4%㊁6%㊁8%和
10%时,限制膨胀率分别为0.06%㊁0.101%㊁0.121%和0.151%㊂当试件养护温度进一步增大至60ħ时,由图4可见,随抗裂剂掺量的增加,相同龄期下膨胀率依旧表现出逐步增大,也不呈现出正比例关系;但养护至28d 时,限制膨胀率几乎不再增长;说明随养护温度的提高,会逐步加大抗裂剂的水化反应速率,显著缩短其膨胀窗口期㊂养护龄期为28d 其掺量分别为4%㊁6%㊁8%和10%时,限制膨胀率分别为0.068%㊁0.116%㊁0.139%和0.171%;与试件在40ħ养护温度下的限制膨
胀率终值比有一定降低,这与抗裂剂水化速率㊁晶体形成速率有关,由养护温度越高,晶体生长越快所致
㊂5
2建材世界 2023年 第44卷 第5期
2.3
温控型镁质抗裂剂对砂浆力学性能的影响
鉴于抗裂剂的掺量与水泥凝结时间有一定关系,
研究抗裂剂掺量对砂浆试件在不同养护龄期下抗压强度的发展规律,其结果如图5所示㊂
从图5可清晰发现,当抗裂剂掺量增大时,砂浆试
件3d 抗压强度逐渐降低;其掺量分别为4%㊁6%㊁8%
和10%时,砂浆抗压强度分别为18.9M P a
㊁16.5M P a ㊁14.3M P a 和11.2M P a ,相较于空白组试件的20.6M P a ,强度比分别为91.7%㊁80.1%㊁69.4%和53.4%;其主要原因是该温控型抗裂剂延缓了水泥水化的速率,减少了试件中水泥水化凝胶产物的含量,降低了砂浆试件内部的密实程度,从而降低了早期抗压强度㊂当试件养护至7d 时,砂浆抗压强度略高于空白
组,养护龄期进一步延长至60d 时,
试件强度依旧与空白组相当㊂说明该抗裂剂会引起水泥基材料早期(3d
)抗压强度降低,但对中后期力学性能有一定提升效果㊂2.4 温控型镁质抗裂剂在实体结构中的数据分析
以实体结构中混凝土侧墙为研究对象,研究了当温控型镁质抗裂剂为外掺胶凝材料用量的6%时,试验
段和空白段的温升历程及收缩历程,监测数据如图6和图7所示
㊂
由图6可见,试验段和空白段结构内部温峰值分别为57.8ħ和60.5ħ,
考虑对应的混凝土入模温度分别为23.4ħ和20.8ħ,得出混凝土温升值分别为34.4ħ和39.7ħ㊂可见,掺抗裂剂温升值相较于空白段降低5.3ħ,说明该材料在工程结构中能起到较好的抑温作用,降低混凝土结构的温度收缩㊂此外,值得注意的是,试验段和空白段混凝土温升5ħ时间分别为12.3h 和19.8h ,说明混凝土凝结时间有一定延迟,这与净浆水化热结果相类似,该抗裂剂会延缓水泥水化反应速率㊂
从图7可以看出扣除温度收缩影响后,试验段和空白段均变现为收缩状态,但后者的收缩值显然更大㊂
在观测至8d 时,试验段收缩值微应变(με)为107,而空白段微应变(με)则为257,两者差值为150,说明抗裂剂有较好的补偿收缩作用,可显著降低混凝土结构的综合收缩量㊂2.5
温控型镁质抗裂剂的抗裂效果评价
图8为掺抗裂剂混凝土侧墙的应用效果实物图㊂从图8可见,应用抗裂剂混凝土侧墙表面光滑完整㊁混凝土密实度高,经排查,未见裂缝发生㊂统计其关键性抗裂技术指标如表4所示㊂
表4 抗裂关键技术指标统计
项目混凝土温升值/ħ
收缩值,με裂缝条数
空白段39.72573试验段
34.4
107
由表4可见,掺抗裂剂混凝土温升值可降低5.3ħ㊁收缩率微应变降低150,试验段和空白段侧墙裂缝条数分别为0条和3条;从关键抗裂数据分析及其与混凝土结构实际裂缝控制情况均可发现该材料有较好的抗裂效果㊂(下转第47页)
6
2
3结论
a.在胶凝材料500k g/m3的情况下,选择46%砂率和20%粉煤灰掺量具有较好的工作性能,配制的C30自密实混凝土坍落扩展度达到685mm,18h和28d抗压强度分别达到15.4M P a和42.6M P a㊂
b.试验了自密实混凝土叠合楼板制备工艺,整个制备过程无需机械振捣,降低了振捣噪音㊁提高了生产效率,生产的叠合楼板外观无蜂窝,气孔较少,表面色差小㊂
参考文献
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[4]祁成财.预制混凝土叠合板设计㊁制作及安装技术[J].混凝土世界,2016(5):64-70.
(上接第26页)
3结论
a.随温控型镁质抗裂剂掺量的提高,净浆抑温率逐步增大,同时凝结时间有一定延长,当其掺量为10%时,抑温率最高为42.5%㊂
b.控型镁质抗裂剂的水化速率有显著的温度敏感性,温度越高膨胀率越大但同时对应的膨胀周期也越小㊂
c.温控型镁质抗裂剂会降低水泥基材料早期(3d)的抗压强度,且掺量越高,负面影响越大,但对中后期抗压强度有一定促进作用㊂
d.将温控型镁质抗裂剂应用于工程实体结构中,可降低混凝土温升值,降低温度收缩及补偿收缩,结构开裂情况显著改善㊂
参考文献
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