减缩剂对水泥基材料收缩抑制作用及机理研究

摘要

混凝土由于其内部或与外界环境之间的水分迁移造成的体积变形是导致其出现开裂等缺陷的主要因为。如果混凝土早期潮湿养护不充分,容易使混凝土表层出现微裂纹等缺陷；另一方面,由于高性能混凝土中胶凝材料用量高,水胶比低,容易出现过大的自收缩。这些因为导致实际工程中的混凝土收缩开裂似乎不可避免。而目前通过优化混凝土组成材料和配合比、加强早期潮湿养护,或者掺加膨胀剂、纤维等常用的抑制混凝土收缩开裂的方法都存在一定的局限性。近年来很多研究者通过在水泥基材料中掺入减缩剂和高吸水性介质等方式,可明显降低水泥基材料的收缩开裂。从混凝土由于水分迁移引起的收缩作用原理可知,减缩剂通过有效降低孔溶液表面张力,可从本质上使水泥基材料干燥收缩或自收缩显著降少,是一种能够适用于大多数实际混凝土工程的有效减缩措施,但减缩剂直接掺入会对水泥水化和早期强度有不利影响,而且一般其用量较高,会使得混凝土材料成本的显著增加。因此如何降低减缩剂使用成本和对水泥基材料早期强度的不利影响,研究实用的减缩剂应用技术和方法将有利于促进减缩剂等新材料和新技术在混凝土的应用,也为有效控制混凝土收缩开裂提供更为实用更为有效的途径。
　　 本文从降低减缩剂对水泥基材料性能不利影响和成本角度出发,提出将减缩剂外涂、减缩剂与养护剂复合外涂以及将减缩剂和内养护相结合的水泥基材料减缩工艺,并对各种工艺对水泥基材料性能影响和机理进行研究:
　　 首先研究了减缩剂对溶液、水泥水化以及砂浆基本物理性能的影响规律。通过比较不同浓度的减缩剂溶液基本性质后发现,当减缩剂浓度<5％时,溶液表面张力随着浓度的提高而急剧降低,这个浓度范围下,减缩剂的存在能够加速蒸馏水溶液的蒸发,当减缩剂浓度≥5％时,溶液表面张力达到平衡,但溶液粘度随浓度提高而线性增大,而蒸发速率则迅速降低；通过测试水泥凝结时间、非蒸发水含量,以及利用X射线衍射、氮吸附等方法研究减缩剂对水泥水化的影响后发现,减缩剂对水泥水化的影响主要表现为延长凝结时间、使水化受阻,在减缩剂掺量较高时水泥石中30-100nm的孔隙及总孔隙率显著增加；砂浆收缩实验结果显示,在水胶比较低时,减缩剂掺量的提高对砂浆收缩的进一步降低无显著贡献,但对强度的不利影响加剧。尽管减缩剂的存在使砂浆失水速率降低,但其对降低砂浆收缩的作用可忽略。
　　 然后通过研究不同浓度的减缩剂溶液外涂后对砂浆收缩的作用后发现,50％浓度的减缩剂溶液能够获得较佳的减缩效果,并且能够使不同水胶比的砂浆强度提高3-11％,混凝土强度提高0-12％,相比之下,减缩剂直接内掺使用(掺量为水泥质量的2％)时,将使砂浆强度降低5-15％左右。此外,外涂减缩剂能够使混凝土早期抗塑性开裂性能和硬化后抗碳化性显著提高,有利于提高混凝土耐久性。通过研究减缩剂和养护剂复合外涂对水泥基材料性能的影响发现,减缩剂与养护剂复合外涂能够使单独外涂减缩剂的减缩、保水、增强作用得到加强,还可避免减缩剂外涂后被流水冲刷的影响；同时减缩剂养护剂复合外涂的方式使混凝土抗氯离子渗透性得到提高,混凝土吸水性降低。
　　 最后研究了减缩剂预饱和轻骨料作为内养护材料对水泥砂浆干燥收缩、自收缩以及强度的影响,结果发现在砂浆中掺入的减缩剂饱和轻骨料只有传统水饱和轻骨料一半时,就可获得更佳的减缩效果,而且这种情况下减缩剂实际用量也远低于其推荐掺量,轻骨料的掺入对砂浆强度基本无影响；对比相同用量的减缩剂内掺时,减缩剂饱和轻骨料减缩效果与减缩剂内掺相当,但能显著避免减缩剂内掺对强度的影响。
　　 通过分析减缩剂内掺对水泥水化的影响、外涂浓度过高时对水泥砂浆力学性能影响以及减缩剂饱和轻骨料中溶液释放情况,结合减缩剂饱和轻骨料对周围水泥水化的影响,认为饱和在轻骨料中的减缩剂是在水泥水化硬化后期才慢慢释放到周围水泥石中并发挥减缩作用,因此对强度无不利影响,而能发挥比较好的减缩作用；通过对轻骨料界面过渡区微观形貌和孔分析,表明减缩剂饱和轻骨料能够减少骨料与水泥石界面区域缺陷,提高水泥石的致密性。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 与混凝土中水分迁移有关的体积变形

1.2 水分迁移影响混凝土收缩的内在因素

1.3 混凝土水分迁移引起收缩开裂的条件与危害

1.4 混凝土收缩控制技术研究进展

1.4.1 混凝土组成材料和配合比优化

1.4.2 混凝土的养护

1.4.3 膨胀剂

1.4.4 纤维

1.4.5 减缩剂

1.4.6 内养护

1.5 本课题的提出及研究意义

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

2.2 砂浆与混凝土材料配合比

2.3 试验方法

2.3.1 收缩和质量损失

2.3.2 强度

2.3.3 断裂性能

2.3.4 抗碳化性

2.3.5 抗裂性

2.3.6 抗氯离子渗透性和吸水性

2.3.7 孔结构

2.3.8 微观形貌与显微硬度

3 减缩剂内掺对水泥基材料性能的影响

3.1 减缩剂在水及模拟水泥石孔溶液的作用效果

3.1.1 减缩剂对水及模拟孔溶液表面张力和粘度的影响

3.1.2 减缩剂对水及模拟孔溶液蒸发速率的影响

3.2 减缩剂内掺对水泥水化的影响

3.2.1 减缩剂对水泥凝结时间的影响

3.2.2 减缩剂对水泥水化产物的影响

3.2.3 减缩剂对水泥水化程度的影响

3.2.4 减缩剂对水泥石孔结构的影响

3.3 减缩剂内掺对水泥砂浆性能的影响

3.3.1 减缩剂掺量对水泥砂浆收缩和水分损失的影响

3.3.2 减缩剂掺量对水泥砂浆强度的影响

3.3.3 不同水灰比时减缩剂内掺对砂浆的减缩作用

3.3.4 不同养护方式下减缩剂内掺对砂浆收缩的影响

3.4 小结

4 减缩剂外涂应用对水泥基材料性能的影响

4.1 水泥基材料表层干燥收缩梯度

4.2 减缩剂外涂工艺研究

4.2.1 外涂的减缩剂浓度对水泥基材料性能的影响

4.2.2 减缩剂外涂时机对水泥基材料性能的影响

4.2.3 减缩剂喷涂次数对水泥基材料收缩的影响

4.2.4 减缩剂内掺与外涂对砂浆干燥收缩抑制作用比较

4.3 减缩剂外涂作用效果的影响因素

4.3.1 水胶比对外涂减缩剂减缩作用的影响

4.3.2 养护条件对外涂减缩剂减缩作用的影响

4.3.3 减缩剂外涂对不同截面的水泥基材料收缩的影响

4.3.4 流水对外涂减缩剂作用效果的影响

4.4 减缩剂外涂对混凝土性能的影响

4.4.1 外涂减缩剂对水泥砂浆和混凝土力学性能的影响

4.4.2 外涂减缩剂对混凝土抗裂性能的影响

4.4.3 外涂减缩剂对混凝土抗碳化性能的影响

4.5 外涂减缩剂对水泥基材料性能影响机理分析

4.6 小结

5 减缩剂与养护剂复合外涂对水泥基材料性能影响

5.1 减缩剂与养护剂复合外涂工艺研究

5.1.1 养护剂类型的选择依据

5.1.2 减缩剂与养护剂应用时机对砂浆收缩影响

5.1.3 减缩剂与养护剂应用时机对砂浆力学性能的影响

5.2 影响减缩剂与养护剂复合外涂作用效果的因素

5.2.1 流水对SRA-CCP作用效果的影响

5.2.2 不同水胶比条件下SRA-CCP对砂浆收缩和质量损失的影响

5.3 减缩剂与养护剂复合外涂对水泥基材料宏观性能的影响

5.3.1 减缩剂与养护剂复合外涂对砂浆力学性能的影响

5.3.2 减缩剂与养护剂复合外涂对混凝土断裂性能的影响

5.3.3 减缩剂与养护剂复合外涂对混凝土渗透性能的影响

5.4 讨论与小结

6 减缩剂预饱和轻集料对水泥砂浆性能的影响

6.1 减缩剂饱和的轻骨料作为内养护材料的理论依据

6.2 轻骨料性质及减缩剂浓度对轻骨料释水特性的影响

6.2.1 轻骨料密度对其释水特性的影响

6.2.2 轻骨料粒径对其释水特性的影响

6.2.3 减缩剂浓度对轻骨料释水特性的影响

6.3 减缩剂浓度对掺SRA-LWA砂浆性能的影响

6.3.1 减缩剂浓度对掺SRA-LWA砂浆干燥收缩的影响

6.3.2 减缩剂浓度对掺SRA-LWA砂浆自收缩的影响

6.3.3 减缩剂浓度对掺SRA-LWA砂浆强度的影响

6.4 SRA-LWA掺量对砂浆性能的影响

6.4.1 SRA-LWA掺量对砂浆干燥收缩的影响

6.4.2 SRA-LWA掺量对砂浆自收缩的影响

6.4.3 SRA-LWA掺量对砂浆强度的影响

6.5 SRA-LWA在水泥基材料中的作用机理研究

6.5.1 SRA-LWA掺入对水泥水化的影响

6.5.2 SRA-LWA对轻骨料-水泥石界面过渡区域性能的影响

6.6 讨论与小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 论文后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录