抗裂水泥對混凝土性能的影響研究

所屬分類：建筑論文閱讀次時間：2020-03-04 08:14

本文摘要：摘要：為明確抗裂水泥對于現代混凝土的適用性與技術優勢，針對抗裂水泥與普通硅酸鹽水泥配制的混凝土強度、和易性、抗裂性能等進行了對比研究。試驗結果表明，抗裂水泥對減水劑的相容性優于普通水泥，水化熱低，在凈漿和混凝土中開裂敏感性低，抗裂水泥配制

　　摘要：為明確抗裂水泥對于現代混凝土的適用性與技術優勢，針對抗裂水泥與普通硅酸鹽水泥配制的混凝土強度、和易性、抗裂性能等進行了對比研究。試驗結果表明，抗裂水泥對減水劑的相容性優于普通水泥，水化熱低，在凈漿和混凝土中開裂敏感性低，抗裂水泥配制的混凝土和易性良好，強度低于普通水泥混凝土，但均滿足各強度等級要求，且有一定的強度保證率，對提升混凝土抗裂性能有利。

　　關鍵詞：抗裂水泥;混凝土;外加劑相容性;開裂敏感性;抗壓強度

四川水泥

　　水泥方向論文投稿刊物：《四川水泥》是四川省的建筑類論文期刊，專門報導水泥工業實用技術及經驗，雜志1979年成都市創刊發行，內容豐富實用，在1997年獲國家建材局的《全國建材優秀科技期刊》獎。

　　0前言

　　目前，我國城市化進程飛速發展，全國各地的混凝土用量大幅增長，在工程和項目不斷增長的同時，混凝土的開裂問題層出不窮。混凝土處于硬化階段的早期開裂是困擾現代混凝土工程界的一個普遍問題。混凝土的開裂容易引致鋼筋銹蝕，從而降低鋼筋混凝土結構的承載力、耐久性和抗滲性，降低建筑的使用壽命，同時也會影響建筑物的美觀。裂縫是導致混凝土結構耐久性和使用壽命降低的主要因素。因此，混凝土的裂縫問題倍受關注。在工程中各種類型混凝土結構的開裂問題尤其是早期開裂非常突出。在眾多影響混凝土結構開裂的原因中，水泥無疑是重要因素之一。當前水泥存在的主要問題包括早期強度偏高，細度過細，熟料中C3A和C3S含量偏高，堿含量偏高，這會導致水泥早期收縮增加，水化熱增高，開裂敏感性增加[1-4]。

　　針對近代混凝土開裂破壞的原因，MEHTA、NEVILLE和AITCIN等[5-7]認為主要是由于過分追求施工速度從而力求發展早強高強的水泥而造成的，這種水泥的主要特點是C3S含量高和比表面積大[8];美國國家標準局對199種水泥進行了18年以上的調研，通過大量試驗發現，堿含量、細度、C3A和C4AF對水泥的抗裂性能有極大影響[9]。現代工程施工的泵送工藝也決定著混凝土的膠凝材料用量更大，水泥用量也相應增大，收縮和水化熱會更大，極有可能引起開裂，抗裂技術也更難把握[10-11]。

　　本試驗用抗裂型普通硅酸鹽水泥(以下簡稱抗裂水泥)是中國民航機場建設集團中心試驗室楊文科等人研發的一種低堿、熟料低C3A含量，控制C3S含量，相應C2S和C4AF含量較高的硅酸鹽系列水泥。抗裂水泥是由山西省朔州市水泥廠生產的符合42.5級水泥，2016年首次在北京新機場侯機樓底板使用抗裂水泥便使裂縫減少了70%，受到使用單位的認可。本文針對抗裂水泥和常規普通硅酸鹽水泥配制的混凝土性能進行對比研究與分析。

　　1原材料與試驗方法

　　1.1原材料性能

　　試驗的研究對象是經優化配比的抗裂水泥，對照組為北京某公司生產的P·O42.5級水泥(以下簡稱普通水泥)。針對普通水泥的一些問題，抗裂水泥主要存在以下幾個方面優勢：①比表面積相較于普通水泥稍低，延長終凝時間，降低早期強度(3d)，降低堿含量，水泥總堿含量為0.6%;②降低C3S和C3A含量，提高C2S含量，并適當提高MgO含量;③設計合理的混合材摻量，使水泥強度有一個持續、長期地增長。抗裂水泥28d膠砂抗壓強度達到47.1MPa，能保證相應工程質量要求的強度等級，選用燒失量低、活性高、需水量比低的活性混合材，以降低其對干縮的不利影響。試驗用砂為河北寬城縣機制砂，空隙率41%，細度模數2.4，屬于Ⅱ區中砂;粗骨料采用公稱粒級為5~10mm和10~20mm以3∶7比例組合的石灰巖碎石;減水劑含固量15%，減水率26%，pH值4.5。

　　1.2試驗配合比

　　檢測抗裂水泥時采用5g水泥與2.5g水在試管中均勻混合，用TONITechnik3314等溫差分量熱儀測定水化熱;減水劑飽和點在0.29水膠比的凈漿基礎上按0.1%逐步增大減水劑摻量，直至擴展度不再增大或泌水;凈漿開裂試驗水膠比為0.29，在專用模具中測首次開裂時間、裂縫數量和最大寬度。為了更直觀地觀察抗裂水泥對膠砂和混凝土各方面的影響。試驗組(KL組)所用抗裂水泥為100%替代基準組(P·O組)的普通水泥，其他組分保持不變。進而結合水膠比和砂率以及用水量得出混凝土試驗的初步配合比。混凝土試驗水膠比采用0.43和0.33，用于成型C35和C50強度等級混凝土，經過混凝土試配，通過調整減水劑的摻量，對混凝土和易性進行調整，得出最終混凝土配合比。混凝土強度和混凝土開裂試驗采用相同的配比。

　　1.3試驗方法

　　混凝土試驗采用100mm×100mm×100mm混凝土試塊，依據GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行立方體抗壓強度試驗，按照GB/T2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測定水泥膠砂的擴展度。依據JC/T1083—2008《水泥與減水劑相容性試驗方法》進行水泥的減水劑飽和點研究試驗。采用設計的抗裂模具進行混凝土抗裂試驗，成型24h后拆掉模具四周的擋板，并開始觀察混凝土抗裂試塊的開裂情況，試塊于室外實際環境下平整的地面存放。在其基礎上，可以按比例縮小模具尺寸評價水泥凈漿抗裂性能，此外，還可以根據要求改變模具內部的形狀和大小，以起到增大應力集中的作用，使同樣抗裂性能優異的混凝土得以區分。

　　2試驗結果與分析

　　2.1減水劑飽和點的確定

　　為了更好的研究兩種水泥與外加劑的相容性，進行了兩種水泥的減水劑飽和點試驗，普通水泥和抗裂水泥外加劑摻量飽和點分別是1.02%和0.79%，相比于普通水泥，抗裂水泥與減水劑的相容性更好，在達到相同擴展度的情況下，飽和點更低，即在保證最大流動度的同時使用較少的減水劑。

　　2.2水化熱

　　為了避免水泥顆粒溶解速率對試驗的影響，試驗環境溫度保持在25℃。早期放熱速率的增加是由于水泥和水接觸，水泥中的礦物溶解，水泥與水開始反應放出大量的熱，誘導期結束的時間與水泥的凝結時間較為一致，由于抗裂水泥中C3S和C3A礦物含量較少，且加速期出現的時間要明顯遲于普通水泥，普通水泥組早期放熱速率峰值為64.82J/g·h，遠遠高于抗裂水泥組的42.27J/g·h;3d放熱總量抗裂水泥組為258.9J/g，明顯低于普通水泥組。抗裂水泥的早期水化過程中放熱速率和放熱量均低于普通水泥，水化進程較為緩慢。

　　2.3凈漿抗裂試驗

　　凈漿抗裂試驗分為普通水泥和抗裂水泥兩組，試驗觀察凈漿試塊的開裂時間，凈漿由于沒有骨料抑制收縮的作用，自生收縮和干燥收縮較大，相對于砂漿和混凝土最易開裂，從凈漿成型開始，直至模具內某一角出現裂縫的時間即為裂縫出現時間，水泥凈漿試塊一經開裂，集中部分的應力得以釋放，在其他幾個應力集中點上并未出現裂縫。由圖表可知，普通組凈漿的裂縫要早于抗裂組25.5h出現，寬度也明顯大于抗裂組;說明在開裂敏感性較大的水泥凈漿體系中，抗裂水泥能明顯抑制開裂，且開裂時間較晚，寬度較小。

　　2.4抗裂水泥對混凝土抗壓強度的影響

　　抗裂水泥的抗壓強度在C35和C50強度等級的各個齡期中均低于普通水泥組，這是因為抗裂水泥早期水化不完全，早期強度低，強度增長慢。但值得注意的是，抗裂水泥組28d抗壓強度滿足C35和C50強度等級要求，C35等級混凝土28d抗壓強度高達58.6MPa，普通水泥組強度增長則過快對混凝土抗裂性能不利，易產生大量水化熱，在大體積工程中由于溫度應力產生裂縫。

　　抗裂水泥代替普通水泥后，在30%粉煤灰和15%礦渣粉的膠凝材料體系中的抗壓強度能夠滿足C35和C50強度等級的要求，且強度增長速度相較于普通水泥更慢，在早齡期強度發展緩慢的情況下，依然能有一定的強度保證率，在60d抗壓強度有接近普通水泥組的趨勢。這是由于抗裂水泥水化進程緩慢，在粉煤灰和礦渣的二次水化過程中能提供的氫氧化鈣較少，抗壓強度發展較慢，導致其低于普通水泥組。

　　2.5抗裂水泥對混凝土和易性的影響

　　C35、C50強度等級的抗裂水泥混凝土拌合物坍落度和擴展度均大于普通水泥組，且由于對減水劑相容性更好，能減少減水劑用量，說明抗裂水泥在此種膠凝材料體系下對混凝土和易性有一定改善作用。

　　2.6抗裂水泥對混凝土抗裂性能的影響

　　C35PO組混凝土于40d出現第一條裂縫，C50PO組混凝土于39d出現第一條裂縫，抗裂組混凝土均未發生開裂，裂縫寬度由于過細都無法精準測量，在C35普通水泥混凝土中由于干燥收縮產生一條未貫穿的裂縫，C50普通水泥混凝土在自收縮和干燥收縮共同作用下，使混凝土出現一條貫穿裂縫。所以，代替普通水泥加入混凝土中的抗裂水泥的干燥收縮和自收縮都較低，能有效的發揮抗裂作用。

　　3結論與展望

　　(1)抗裂水泥和普通硅酸鹽水泥對比，與減水劑相容性更好，飽和點更低;抗裂水泥的3d水化速率和水化放熱均明顯低于普通水泥，且立方抗壓強度略低于普通水泥混凝土;抗裂水泥能在一定程度上抑制凈漿開裂，開裂時間更長，裂縫更細;且能有效得抑制混凝土裂縫的出現，對改善混凝土耐久性有利。

　　(2)抗裂水泥在滿足一定和易性和強度等級要求下，可以嘗試應用于凝結時間較長、有較低開裂敏感性和開裂風險要求的工程，能在工程發揮其優勢，因地制宜得到最好的效果。

　　(3)可以在本試驗基礎上增加不利于抗裂如高溫干燥等條件，在高開裂風險的情況下繼續探究抗裂水泥的應用前景。