聚羧酸减水剂在绿色混凝土中的力学性能

周 乐, 张 欣, 关乾坤

(沈阳大学 a. 建筑工程学院, b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

绿色建筑标准首先由英国于1990年发布,我国在2004年全面进入到绿色建筑发展阶段.绿色建筑的评价指标是节能、低碳、绿色、智能等生态文明理念.为了适应绿色建筑的长远发展,科研人员将目标锁定于绿色建筑材料的研发,随之而来的就是对新一代绿色环保的聚羧酸系高效减水剂的研发和绿色混凝土的制造.郭登峰等[1]总结了以往的减水剂的性能,如苯系减水剂、木质素减水剂等,虽然可以增强混凝土的强度,但是对混凝土的坍落度和泵送运输等方面会有不利的影响,并且这些减水剂还会产生有害物质,危害人体健康,不利于可持续发展,传统减水剂必将被新型绿色环保的聚羧酸系高效减水剂所取代.

混凝土是实际工程中应用最多的建筑材料,但传统型混凝土收缩性差、体积大、自重大、易开裂、强度低、耐久性差.因此,吴中伟[2]在1998年提出了绿色高性能混凝土这一概念,为我国的土木建筑材料事业开创了新纪元.之后许多科研工作集中于研制各种绿色混凝土,包括高强高性能混凝土、再生骨料混凝土、透水性混凝土等来满足人们对建筑的各种要求.在实际工程中,外加剂成为改善混凝土力学性能的重要方法.然而,以往普通的外加剂已经满足不了工程需求,因此需要掺加高效减水剂满足高强混凝土的性能要求.

在目前研制绿色混凝土的试验中,大多数科研人员都用到了高效减水剂来提高混凝土的强度、抗裂能力、耐久性、稳定性和降低混凝土凝结时间等性能.聚羧酸系高效减水剂是一种具有绿色、环保、掺量低、高减水率等多种优点的减水剂,与绿色混凝土的制备理念和目前我国倡导的保护自然、可持续发展战略相符.因此,研究聚羧酸系高效减水剂对绿色混凝土性能的影响,进行适应新一代绿色混凝土发展的高效减水剂的研发具有非常重要的现实意义.

目前的研究多数集中于聚羧酸减水剂对混凝土的抗压强度、弹性模量等性能的增强,但是在聚羧酸减水剂对绿色混凝土的抗压强度与弹性模量关系方面的相关研究甚少,并且在绿色混凝土柱正截面承载力计算中没有考虑聚羧酸减水剂的增强作用.基于此,本文进行了相关试验数据收集及回归分析,分析了聚羧酸减水剂对混凝土力学性能和工程应用的综合优势,定义了聚羧酸减水剂的抗压强度增强系数,并对混凝土柱的正截面承载力计算公式进行了修正.此外,还得到了泡沫混凝土柱的承载力计算修正公式,为聚羧酸减水剂对绿色混凝土的力学性能作进一步研究.

1 聚羧酸减水剂对混凝土力学性能的影响

1.1 聚羧酸减水剂的应用现状

在实际工程中,对混凝土结构的要求越来越高,尤其是对高性能混凝土和绿色混凝土的强度、稳定性、耐久性以及经济性等方面的追求.与之前使用的萘系、木质素类等减水剂相比,聚羧酸减水剂在配制混凝土坍落度、扩展度、抗压强度、减水率、和易性、无甲醛等有害物质含量方面都具有极大的优势,并以其优良的综合性能、环保性能等优点被广泛应用于混凝土结构施工中.聚羧酸减水剂有多种类型,根据其分子结构的不同,可以分为早强型聚羧酸减水剂、缓凝型聚羧酸减水剂、抗泥型聚羧酸减水剂、保坍型聚羧酸减水剂等.可见聚羧酸减水剂的不同类型有不同的作用,这也决定了它在实际工程中的多样性、实用性,因此成为现如今国内外广泛使用的最具有应用前景的高效减水剂之一.

1.2 不同类型减水剂的性能对比

将减水剂掺加到混凝土中,可以改变混凝土的力学性能,不同类型的减水剂对混凝土性能的影响不同.氨基硫酸盐减水剂、苯系减水剂、聚羧酸系减水剂性能对比[3-4]如表1所示.

表1 不同种类减水剂的性能对比Table 1 Performance comparison of different water reducing agents

从不同种类减水剂的性能对比来看,在3种减水剂中聚羧酸减水剂的综合性能较好.聚羧酸减水剂[5]相比于以往的掺入早强剂、增加水泥用量等方法,既可以增强混凝土早期的强度,还能够满足混凝土良好的施工性能.

因此,需要如聚羧酸类这种综合性能较好的减水剂来制备高强高性能混凝土,以满足实际工程要求.

1.3 混凝土的收缩性能

掺加一定量的减水剂会改变混凝土的收缩性能,不同类型的减水剂对混凝土的收缩性能影响不同.本文将收缩应变数据[6]绘制成如图1所示的折线图,其中J1是掺加聚羧酸减水剂试验组,J2是掺加苯系减水剂试验组,J3是未掺加减水剂试验组.由图1可直观看到对于混凝土的收缩性影响从大到小依次为:苯系减水剂、未掺加减水剂、

图1 不同减水剂影响下的混凝土收缩应变

聚羧酸减水剂.说明聚羧酸减水剂对混凝土收缩应变影响较小,提高了混凝土的稳定性.

1.4 混凝土的抗冻性能

在一定冻融循环次数下,混凝土的质量会有一定的损失[7].混凝土柱的承载能力在反复冻融循环作用后会明显下降, 因此,抗冻性是影响混凝土稳定性的重要因素之一,考虑温差变化对结构的损伤作用是必要的[8].掺加一定量的减水剂可以增强混凝土的抗冻性能,不同类型的减水剂对混凝土抗冻性能的影响不同.通过混凝土冻融试验,观察混凝土在冻融循环作用下混凝土的相对动弹性模量变化可以看出混凝土的抗冻性能.本文整理了其中不掺加减水剂、掺加改性木钙系减水剂、苯系减水剂、聚羧酸减水剂等4组试验数据[9],绘制成如图2所示的折线图.从折线图中可明显看到掺加聚羧酸减水剂的试验组在循环冻融150次后,混凝土的相对动弹性模量损失量是最小的,说明用聚羧酸减水剂配制的混凝土抗冻性能良好.通过研究聚羧酸减水剂的性能可以提高混凝土抗冻性能,进而提高混凝土的耐久性,为实际工程取得新的突破.

图2 冻融作用下掺加不同减水剂的混凝土 相对弹性模量保持率曲线

1.5 混凝土的抗碳化性能

在混凝土中加入减水剂可以减小混凝土的碳化深度,不同类型的减水剂对混凝土的抗碳化性能影响不同.将掺加苯系减水剂、聚羧酸系减水剂的2组混凝土在不同龄期的混凝土碳化深度的数据[10]绘成如图3所示的折线图,由图3可以看出,掺加聚羧酸减水剂的混凝土比掺加苯系减水剂的混凝土以及不掺加减水剂的普通混凝土的碳化深度低.说明聚羧酸减水剂可以提高混凝土的抗碳化性能,从而提高混凝土的耐久性.

图3 不同减水剂影响下的混凝土碳化深度曲线

1.6 混凝土的抗压强度

减水剂对混凝土的抗压强度有增强作用,不同类型的减水剂对混凝土的抗压强度增强程度不同.将养护时间为3、7、28 d的混凝土抗压强度试验数据[11]绘制成如图4所示的折线图,可明显观察到掺加HT- HPC聚羧酸系减水剂的混凝土抗压强度最高.掺加聚羧酸减水剂的混凝土在养护28 d的混凝土抗压强度为不掺加减水剂混凝土组的1.3倍.说明聚羧酸减水剂可以显著提高混凝土的抗压强度.因此,可以根据实际工程需求,用聚羧酸减水剂研制高强高性能混凝土.

图4 不同减水剂影响下的混凝土抗压强度曲线

1.7 聚羧酸减水剂类型对绿色混凝土性能的作用

张新民等[12]和ILG等[13]通过试验研究表明聚羧酸减水剂的分子结构将会影响其对水泥颗粒的分散程度.侧链密度低,侧链长度较长类型的减水剂对水泥颗粒的分散效果会更好.

姚曦[14]通过对某文体中心的工程实例分析指出,在高性能绿色混凝土的制备中应用缓凝型聚羧酸高效减水剂可以使混凝土得到高效的减水作用,获得较好的流动性,延长混凝土的凝结时间,以便进行泵送,还有利于提高混凝土的强度.张海进等[15]选用了4个型号的聚羧酸系高性能减水剂,用于配制C80高强高性能混凝土.并对这4种类型的聚羧酸减水剂适用性进行对比分析.其结果表明,合适的聚羧酸减水剂类型可明显降低混凝土黏度,提高力学性能,增加其实用价值.李崇智等[16]对比分析了4种分子结构的聚羧酸减水剂的优缺点,以及在工程中的应用处理方法.选用合适的分子结构的聚羧酸减水剂解决了建筑工程中黏土质人工砂的使用问题.章超[17]通过对聚羧酸减水剂的分子结构形式,研制出了一种阻锈型聚羧酸减水剂,并且分析了这种减水剂的抗腐蚀工作机理,有利于工程中钢筋混凝土、型钢混凝土以及组合结构的可持续发展.

通过试验数据的收集与整理,可以看出掺加聚羧酸减水剂对混凝土的收缩性能、抗冻性能、抗碳化性能、抗压强度等主要力学性能都有明显的改善.已有试验研究表明不同分子结构的聚羧酸减水剂对绿色混凝土的性能作用不同.因此通过改变聚羧酸减水剂的分子结构形式,研制不同类型的聚羧酸减水剂,并应用于实际工程中,可以解决工程中制备高强高性能混凝土等绿色混凝土及型钢混凝土等组合构件的众多难题.

2 聚羧酸减水剂对混凝土弹性模量与抗压强度关系的影响

2.1 聚羧酸减水剂对混凝土弹性模量的影响

混凝土的弹性模量是反映混凝土的质量、耐久性的重要指标.本文应用现有试验数据[18],现有试验将质量分数为0.3%,0.6%,0.9%的聚羧酸减水剂加入到混凝土中,与不掺加聚羧酸减水剂的空白组进行对比.将这几种质量分数下不同龄期的混凝土弹性模量的影响数据整理成表格,如表2所示.由表2可知,聚羧酸减水剂的质量分数对不同龄期的混凝土弹性模量有较大影响.

表2 不同质量分数聚羧酸减水剂对不同龄期的混凝土弹性模量的影响Table 2 The effect of polycarboxylate superplasticizer with different mass fraction on the elastic modulus of concrete at different ages

2.2 聚羧酸减水剂对混凝土抗压强度的影响

混凝土的抗压强度是反映混凝土承载能力、稳定性及耐久性的重要指标之一.本文应用现有试验数据[18],现有试验将质量分数为0.3%,0.6%,0.9%的聚羧酸减水剂加入到混凝土中,与不掺加聚羧酸减水剂的空白组进行对比.将这几种质量分数下不同龄期的混凝土抗压强度的影响数据整理成表格,如表3所示.由表3可知,聚羧酸减水剂的质量分数对不同龄期的混凝土抗压强度影响较大.

表3 不同质量分数聚羧酸减水剂对不同龄期的混凝土抗压强度的影响Table 3 The effect of polycarboxylate superplasticizer with different mass fraction on the compressive strength of concrete at different ages

2.3 加入聚羧酸减水剂的混凝土弹性模量与抗压强度的关系

通过表2和表3的试验数据,可以观察到聚羧酸减水剂对混凝土的弹性模量与抗压强度有较大影响,因此普通混凝土的弹性模量与抗压强度关系式已经不再适用于掺加外加剂后的混凝土弹性模量与抗压强度关系.利用表2、表3的试验数据,经过回归分析,得到了不同质量分数聚羧酸减水剂下混凝土弹性模量与抗压强度的关系式.

一般认为,线性相关系数R达到0.8以上的2个变量的关系为强相关.经过数据的回归分析,质量分数为0.3%的聚羧酸减水剂的混凝土的弹性模量与抗压强度的关系如图5所示.

图5 掺加0.3%的聚羧酸减水剂的混凝土的 弹性模量与抗压强度的关系

由图5可以看出R2=0.940 1,可知该线性相关系数达到0.97,表明分析所得的混凝土强度与弹性模量的关系为强相关.因此,通过回归分析得到的混凝土弹性模量与抗压强度关系式,可以精确且方便地测出掺加质量分数为0.3%的聚羧酸减水剂的混凝土结构各个部位的抗压强度.

据分析得出质量分数为0.3%的聚羧酸减水剂的混凝土的弹性模量与抗压强度的关系式为

(1)

式中:fc1为掺加0.3%聚羧酸减水剂的混凝土抗压强度;Ec1为掺加0.3%聚羧酸减水剂的混凝土弹性模量.

经过数据的回归分析,掺加0.6%的聚羧酸减水剂的混凝土的弹性模量与抗压强度的关系如图6所示.

图6 掺加0.6%的聚羧酸减水剂的混凝土的 弹性模量与抗压强度的关系

由图6可以看出R2=0.885 4,可知该线性相关系数达到0.94,表明分析所得的混凝土强度与弹性模量的关系为强相关.因此,通过回归分析得到的混凝土弹性模量与抗压强度关系式,可以精确且方便地测出掺加质量分数为0.6%的聚羧酸减水剂的混凝土结构各个部位的抗压强度.

据分析得,质量分数为0.6%的聚羧酸减水剂的混凝土的弹性模量与抗压强度的关系式为

(2)

式中:fc2为掺加0.6%聚羧酸减水剂的混凝土抗压强度;Ec2为掺加0.6%聚羧酸减水剂的混凝土弹性模量.

经过数据的回归分析,质量分数为0.9%的聚羧酸减水剂的混凝土的弹性模量与抗压强度的关系如图7所示.

图7 掺加0.9%的聚羧酸减水剂的混凝土的 弹性模量与抗压强度的关系

由图7可以看出R2=0.963 9,可知该线性相关系数达到0.98,表明分析所得的混凝土强度与弹性模量的关系为强相关.因此,通过回归分析得到的混凝土弹性模量与抗压强度关系式,可以精确且方便地测出掺加质量分数为0.9%的聚羧酸减水剂的混凝土结构各个部位的抗压强度.

据分析得出质量分数为0.9%的聚羧酸减水剂的混凝土的弹性模量与抗压强度的关系式为

(3)

式中:fc3为掺加0.9%聚羧酸减水剂的混凝土抗压强度;Ec3为掺加0.9%聚羧酸减水剂的混凝土弹性模量.

3 掺加聚羧酸减水剂的混凝土柱承载力公式修正

3.1 混凝土抗压强度变化

由对图4和表3的分析可知,聚羧酸减水剂对混凝土的抗压强度作用明显,因此,按照普通混凝土的抗压强度进行混凝土柱的正截面承载力计算公式,不再适用于掺加聚羧酸减水剂的混凝土柱正截面受压承载力计算公式.因此,本文定义了混凝土抗压强度增强系数.

混凝土抗压强度增强系数

(4)

3.2 承载力公式修正

根据现行的混凝土结构设计规范可知[19],钢筋混凝土轴心受压构件的正截面受压承载力计算公式为

(5)

不配置钢筋的素混凝土柱的正截面受压承载力计算公式为

N=0.9φfcA.

(6)

掺加聚羧酸减水剂的素混凝土柱的正截面受压承载力计算公式为

N=0.9φηfcA.

(7)

式中:η为掺加聚羧酸减水剂的混凝土抗压强度增强系数.

根据现有试验数据[20],可知聚羧酸减水剂质量分数最佳时,对养护28 d的泡沫混凝土的抗压强度可提高20.3%.则η=1.203.

则掺加聚羧酸减水剂的泡沫混凝土柱的正截面受压承载力计算公式为

N=1.082 7φfcA.

(8)

4 结 论

1) 通过已有试验数据分析得知,聚羧酸减水剂可明显增强混凝土的收缩性、抗碳化性、抗冻性、抗压强度等主要力学性能.

2) 根据已有试验数据,通过线性回归分析得到了不同聚羧酸减水剂质量分数下混凝土的弹性模量与抗压强度关系式.其线性相关系数为0.94～0.98,可以精确地测出不同聚羧酸减水剂质量分数下混凝土结构各个部位的抗压强度.

3) 根据聚羧酸减水剂对混凝土抗压强度的作用,定义了混凝土抗压强度增强系数,理论推导出素混凝土柱的正截面受压承载力修正计算公式.并根据已有试验数据,得出了在最佳的聚羧酸减水剂质量分数下,泡沫混凝土柱的承载力计算公式.