掺不同品种减水剂的水工混凝土性能研究

陈业广

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，沈阳 110000)

目前，水泥基材料正超HPC高性能混凝土的方向研究与发展，HPC除既要用优质集料、水泥、水还要掺适量的高效减水剂和活性细掺料[1]。对于硬化或新拌混凝土减水剂能够明显改善其性能，减水剂的广泛应用促使混凝土迈入了新的时期[2-3]。减水剂是混凝土中使用最广泛的一种外加剂，产品类型多样，成分与性能不一。鉴于此，文章利用室内试验，探讨了掺JB-45A、QW-4、PCA-Ⅰ三种减水剂的水工混凝土抗裂性能、抗冲磨强度、抗冲击韧性、变形性能、热学和基本力学性能。

1 试验方案

1.1 原材料

试验所用水泥为“浑河牌”PM·H 42.5级中热硅酸盐水泥，粉煤灰为绥中电厂Ⅰ级灰，硅粉为S95级矿粉；试验选用人工粗、细骨料，经检测其物理性能符合《水工混凝土施工规范》要求；拌合水为饮用水；外加剂选用UHE-1高效引气剂和奥克JB-45A、科诺QW-4、苏博特PCA-Ⅰ三种高效减水剂，减水剂性能指标，见表1。

表1 减水剂性能指标

混凝土拌合物性能及其试验配合比，混凝土拌合物性能与试验配合比，见表2。因此，在含气量和坍落度相同情况下，UHE-1引气剂与JB-45A减水剂的复掺掺量为0.005%、0.7%-0.8%，UHE-1引气剂与QW-4减水剂的复掺掺量为0.010%、0.7%-0.8%，UHE-1引气剂与PCA-Ⅰ减水剂的复掺掺量为0.005%、0.5%-0.6%。

表2 混凝土拌合物性能与试验配合比

1.2 试验方法

1)力学性能试验。根据《水工混凝土试验规程》规定的方法测试混凝土极限拉伸值、劈裂强度和抗压强度，力学性能检测试样为150mm×150mm×150mm，所用的试验工具有位移传感器、翼形外夹具等。

2)变形性能、热学试验。依据《水工混凝土试验规程》推荐的方法成型、养护混凝土干缩试件，选用弓形卧式螺旋测微仪作为测量仪器，所用试样为100mm×100mm×515mm。设计φ200mm×600mm试样用于混凝土自生体积变形测试，将DI-25型差动电阻式应变计垂直对称埋入混凝土试件内，利用SBQ-2型水工比例电桥按《水工混凝土试验规程》规定的方法量测其变形，并完成相应的数据处理。

采用JR-4型测试仪测量混凝土绝热温升，按照《水工混凝土试验规程》规定方法完成试验数据的处理和相关计算。

3)抗冲击韧性试验。本试验利用自由落锤冲击法测试混凝土抗冲击韧性，抗冲击韧性试验装置，见图1。

图1 抗冲击韧性试验装置

抗冲击试验所用的混凝土试件为150mm×64mm，试件的中心线与冲击锤(重4.5kg)中线对齐，测试过程中冲击锤的自由下落高度h为457mm，经多次反复冲击直至冲击锤破坏混凝土终止试验，为减少试件受底板的横向约束可对试件底部抹一层黄油。将直径64mm的钢球放置在试件的上表面正中心，试验时观察试件表面准确记录初裂的冲击次数N1，随着不断冲击裂缝进一步扩展，试件体积也逐渐变大，当试件膨胀接触到第3个挡板时认为发生破坏，记录试件冲击破坏次数N2。混凝土抗冲击韧性评价指标选用试件初裂后继续吸收的冲击能△W、破坏过程中所吸收的全部冲击能W、破坏冲击次数N2、初裂冲击次数N1以及初裂至终裂破坏次数差△N。

4)抗冲磨和抗裂性试验。文章利用水下钢球法和技术规范推荐的平板法测定混凝土抗冲磨及抗裂性能[4-5]。采用抗冲磨强度代表抗冲磨性能，设计φ300mm×100mm试样测试抗冲磨强度；抗裂性试验装置为63mm×600mm×600mm，为了减少对混凝土的约束试模内铺设一层塑料薄膜，以周边放置的L形钢筋网形成约束，浇筑成型后，利用电风扇和太阳灯促使试样快速脱水收缩，经24h测定裂缝的宽度与长度。

2 结果与分析

2.1 极限拉伸值与抗压强度

掺不同品种减水剂的试样极限拉伸值和抗压、抗劈裂强度，混凝土极限拉伸值与强度，见图2。试验表明，掺QW-4减水剂的极限拉伸值、抗压强度、抗拉强度较JB-45A减水剂有所降低；掺PCA-Ⅰ减水剂的28d、90d龄期抗拉强度和劈裂强度略高于JB-45A减水剂，但其180d龄期抗拉强度略低于JB-45A减水剂；对于极限拉伸值，掺PCA-Ⅰ减水剂的90d、180d龄期极限拉伸值与掺JB-45A相差不大，并且两者的28d龄期值均较低。

(a)抗压强度

实践表明，混凝土强度主要取决于内部的孔隙结构，而水泥水化程度、水胶比与混凝土内部孔结构密切相关[6]。高效减水剂的掺入在很大程度上影响着水泥水化程度和水胶比，主要体现在以下方面：①在流动性保持不变的条件下，掺入高效减水剂能够明显减小水胶比，大幅降低内部孔隙率，有利于改善孔隙结构；②减少用水量能够使水化产物或水泥颗粒表面的水膜变薄，改善水泥石与骨料界面胶合状态，提高内部密实度和整体强度[7]。

本试验所用的3种高效减水剂均属于聚羧酸序列产品，其分子结构有利于增强混凝土的强度，对于混凝土强度侧链分子量表现出一定规律性，即侧链分子量越大则混凝土强度越高。因此，侧链分子量较大(长侧链)的聚羧酸高效减水剂对混凝土的增强作用较为显著。另外，混凝土强度还与官能团类型有关，对于混凝土强度含有丙稀酸羟基乙酯的高效减水剂发挥着改善作用。

2.2 自身体积变形与干缩性

掺不同品种减水剂的水工混凝土自身体积变形和干缩，自身体积变形与干缩性，见图3。试验表明，混凝土干缩受不同品种减水剂的影响较小，掺PCA-Ⅰ减水剂较JB-45A减水剂其自生体积变形略大。

(a)自身体积变形

2.3 抗冲击韧性与抗冲磨强度

掺不同品种减水剂的水工混凝土抗冲击韧性和抗冲磨强度，抗冲击韧性与抗冲强度试验值，见表3。试验表明，掺QW-4减水剂较JB-45A减水剂其抗冲击和抗冲磨性能有所下降，而掺PAC-Ⅰ减水剂相对较高，其改善混凝土抗冲击韧性作用更加明显。

2.4 绝热温升与抗裂性能

掺不同品种减水剂的水工混凝土绝热温升，混凝土绝热温升，见图4。试验表明，随时间变化掺不同品种减水剂的混凝土绝热温升变化趋势基本相同，绝热温升受减水剂类型的影响较低。

图4 混凝土绝热温升

对于掺不同品种减水剂的混凝土抗裂性能，从抗裂性等级、开裂面积、最大裂缝宽度、裂缝条数和开裂时间等角度进行评价，混凝土抗裂性评价指标值，见表4，随时间变化最大裂缝宽度变化特征，最大裂缝宽度变化，见图5。

图5 最大裂缝宽度变化

表4 混凝土抗裂性评价指标值

试验表明，掺QW-4减水较JB-45A减水剂其总开裂面积和裂缝宽度较大，其塑性变化过程中的抗裂性较差；掺PCA-Ⅰ外加剂的总开裂面积和裂缝宽度相对较小，其塑性变化过程中的抗裂性较好。

对于提高混凝土抗裂性能聚羧酸减水剂的作用机理如下[8-9]：①水化过程中生成的Ca2+能够与聚羧酸分子中的-OH、-COO-等构成络合物，从而使得骨料与胶凝材料的黏结力增大，对于增强劈裂抗拉强度发挥着积极作用；②聚羧酸分子结构中的支链形成相互交叉的网状结构，这相当于混凝土中均匀地分布有大量纤维，使得抗劈裂性能明显增强；③支链上密集分布的极性基团使得内部微电场分布更均匀，从而提高了骨料与胶凝材料之间的黏结力，试样的劈裂抗拉性能明显提升[10-15]。

3 结 论

1)混凝土绝热温升、干缩受不同品种减水剂的影响较小；掺QW-4减水剂较JB-45A减水剂其抗裂性、抗冲击韧性、抗冲磨强度、极限拉伸值、强度均有所下降；掺PCA-Ⅰ减水剂较JB-45A减水剂其自生体积变形、抗裂性、抗冲击韧性、抗冲磨强度、强度等有所提高。

2)从作用机理上，水化过程中生成的Ca2+能够与聚羧酸分子中的-OH、-COO-等构成络合物，聚羧酸分子结构中的支链发挥着类似于纤维的作用，加上支链上密集分布的极性基团使得内部微电场分布更均匀，因此使得混凝土抗劈裂性能和强度明显增强。