高性能聚羧酸混凝土減縮材料的性能測試論文
無論在當(dāng)今還是將來相當(dāng)長的時間里，水泥混凝土都將是高層建筑和大型橋梁等工程應(yīng)用最廣、用量最大的結(jié)構(gòu)材料。一般認(rèn)為，用于結(jié)構(gòu)上的水泥混凝土要求具有良好的工作性能、較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐久性能。為了滿足這些要求，水泥混凝土往往采用提高水泥用量和細(xì)度、大量使用礦物摻合料，雖然滿足了工作性能和強(qiáng)度的要求，但實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)水泥混凝土早期收縮開裂現(xiàn)象相當(dāng)普遍[1-2],嚴(yán)重影響了水泥混凝土的耐久性能。因此，加強(qiáng)如何降低水泥混凝土收縮開裂問題的探討已成為關(guān)于水泥混凝土領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3-4].
近20年來，國內(nèi)外為了減縮防裂通常采用添加膨脹劑、纖維、減縮劑等措施�？墒�，添加膨脹劑存在高溫穩(wěn)定性差、膨脹延緩和水分用量高問題[5-6];添加纖維存在用量大、成本高、施工操作復(fù)雜、混凝土工作性能低等問題；單純添加減縮劑也存在成本高、與減水劑相容性、強(qiáng)度出現(xiàn)下降等問題[7].綜合以上情況，課題組通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，自主研發(fā)了一種高性價比、高分散、高減縮多功能的高性能聚羧酸混凝土減縮材料。文中在自主研發(fā)的基礎(chǔ)上通過測定添加了高性能聚羧酸混凝土減縮材料的水泥凈漿流動度、在水泥顆粒表面上的吸附行為、溶解在孔溶液中的表面張力、蒸發(fā)速率、動力黏度以及對水泥石孔結(jié)構(gòu)分布的影響，進(jìn)一步分析了高性能聚羧酸混凝土減縮材料的作用機(jī)理。
1材料與方法
1.1主要原料與儀器
1.1.1主要原料高性能聚羧酸混凝土減縮材料[8]（SRA-PC減縮材料）：自制；水泥：海螺牌普通硅酸鹽水泥（P·O42.5R），安徽海螺水泥股份有限公司產(chǎn)品；標(biāo)準(zhǔn)砂：中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司產(chǎn)品；水：自來水與蒸餾水。
1.1.2主要儀器UV757CRT/PC型紫外分光光度計(jì)，由上海儀電分析儀器有限公司提供；QBZY-3型表界面張力儀，由蘇州江東精密儀器有限公司提供；1834A型烏氏黏度計(jì)，由北京天創(chuàng)尚邦儀器設(shè)備有限公司提供；SNE-4500MB型掃描電子顯微鏡（SEM），由德國Leica公司提供；PoreMasterMacro壓汞儀，由美國Quantachrome公司提供。
1.2測試與表征1.2.1水泥凈漿流動度及其保持性測試參考《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》（GB/T8077-2012）制備摻有SRA-PC減縮材料水泥凈漿，并按照混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法，測試添加了SRA-PC減縮材料的水泥凈漿初始流動度及1h后流動度保持情況。其中，SRA-PC減縮材料添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%.
1.2.2水泥砂漿減縮率測試參照《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》（JC/T603-2004）測試摻有SRA-PC減縮材料水泥砂漿試塊在標(biāo)準(zhǔn)干縮養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)3d和28d減縮率。
1.2.3水泥顆粒表面吸附量測試采用UV757CRT/PC型紫外分光光度計(jì)分別測試水泥顆粒表面對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SRA-PC減縮材料吸附前初始質(zhì)量濃度（cf,g/L）和吸附后殘留在溶液中的質(zhì)量濃度（cb,g/L），然后按式（1）計(jì)算水泥顆粒對SRA-PC減縮材料的吸附量（Ad,mg/g）：
其中，V是SRA-PC減縮材料溶液體積，mL;m為水泥質(zhì)量，g.
1.2.4溶液表面張力測試參考《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》（GB/T8077-2012），在QBZY-3型表界面張力儀上測試不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SRA-PC減縮材料溶解在水溶液和孔溶液中的表面張力，以3次測試結(jié)果的算術(shù)平均值作為溶液表面張力值，精確到0.1mN/m.其中，孔溶液是在去離子水中加入0.35mol/m的氫氧化鉀和0.05mol/m的氫氧化鈉制備而成[8].
1.2.5溶液蒸發(fā)速率測試在相對濕度為（50±5）%、溫度為30℃下，分別稱取20g由不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制而成的SRA-PC減縮材料水溶液和孔溶液置于不同蒸發(fā)皿（70mm）中，采用分析天平分別測試并記錄靜置1d后SRA-PC減縮材料溶液的質(zhì)量損失，SRA-PC減縮材料溶液蒸發(fā)速率v（×10-3kg/（m2·h））按式（2）計(jì)算：
其中，m0為SRA-PC減縮材料溶液初始質(zhì)量，g;m24為SRA-PC減縮材料溶液靜置1d的質(zhì)量，g;S為在蒸發(fā)皿SRA-PC減縮材料溶液暴露面積，m2;24為靜置時間，24h.
1.2.6溶液動力黏度測定依據(jù)《聚合物稀溶液粘數(shù)和特性粘數(shù)測定》（GB/T1632-1993），在1834A型烏氏黏度計(jì)測試不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SRA-PC減縮材料溶液動力黏度。
1.2.7MIP測試水泥石試樣孔結(jié)構(gòu)分布情況采用PoreMasterMacro壓汞儀測試。
1.2.8SEM觀測按《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》（GB/T8077-2012）制作水泥石試塊，采用SNE-4500MB型掃描電子顯微鏡表征其斷面形貌。
2結(jié)果與討論
2.1SRA-PC減縮材料分散性能評價
隨著時間的推移，添加了SRA-PC減縮材料的水泥凈漿流動度的變化曲線如圖1所示。其中，SRA-PC減縮材料的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%.
由圖1可以看出，當(dāng)SRA-PC減縮材料的.添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%時，隨著時間的推移，水泥凈漿流動度呈現(xiàn)平穩(wěn)降低的變化趨勢，但在2h內(nèi)，其降幅很小。凈漿初始流動度為300mm,1h后流動度為295mm,經(jīng)時損失僅為1.67%,幾乎無損失。原因是SRA-PC減縮材料分子引入能夠促使支鏈得到更好伸展的減縮基團(tuán)，使其支鏈更有利于空間位阻作用的充分發(fā)揮，同時在強(qiáng)極性磺酸基官能團(tuán)靜電斥力作用下，降低了水泥顆粒之間產(chǎn)生"絮凝",從而提高了水泥凈漿初始流動度和保塑性能。
2.2SRA-PC減縮材料減縮性能評價
隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長，添加了SRA-PC減縮材料的水泥砂漿干燥收縮量與收縮率的變化曲線如圖2所示。其中，SRA-PC減縮材料的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%.
由圖2可以看出，相對于標(biāo)準(zhǔn)試樣，摻有SRA-PC減縮材料的水泥砂漿干縮量隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而遞增。在齡期7d前砂漿的干燥收縮量增幅大，過了齡期7d后增幅則開始下降。說明SRA-PC減縮材料對水泥砂漿早期干燥收縮影響較大，后期雖然有一定程度上的影響，但影響效果明顯降低。
圖2還顯示，摻有SRA-PC減縮材料的水泥砂漿收縮率隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長出現(xiàn)降低變化趨勢。同樣在齡期7d前降幅較大，過了齡期7d后降幅趨于緩慢降低，最后保持穩(wěn)定�？梢�，SRA-PC減縮材料對水泥砂漿早期凝結(jié)硬化過程中的減縮能力強(qiáng)，而后期還是能夠保持一定程度減縮效果。
2.3SRA-PC減縮材料的作用歷程
2.3.1水泥顆粒對SRA-PC減縮材料的吸附行為
隨著質(zhì)量濃度的提高，水泥顆粒對SRA-PC減縮材料吸附在其表面的吸附率的變化曲線如圖3所示。其中，SRA-PC減縮材料的質(zhì)量濃度為5.0g/L,7.5g/L,10.0g/L,12.5g/L,15.0g/L.
由圖3可以看出，水泥顆粒對5種不同質(zhì)量濃度的SRA-PC減縮材料平均吸附率僅為7.37%,表明有92.63%的SRA-PC減縮材料是溶解在溶液中的。圖3還顯示，隨著SRA-PC減縮材料質(zhì)量濃度的增加，水泥顆粒對SRA-PC減縮材料的吸附率呈現(xiàn)降低的變化趨勢。當(dāng)SRA-PC減縮材料的質(zhì)量濃度為5.0g/L時，水泥顆粒對其吸附率為8.95%,當(dāng)SRA-PC減縮材料的質(zhì)量濃度為15.0g/L時，水泥顆粒對其吸附率僅為6.15%.原因主要決定于SRA-PC減縮材料分子上的醚鍵與水結(jié)合形成氫鍵牢固程度和聚氧乙烯支鏈所提供的空間位阻效應(yīng)的大小。
2.3.2SRA-PC減縮材料對溶液表面張力的影響
圖4為溶解在孔溶液和蒸餾水中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SRA-PC減縮材料溶液表面張力的變化曲線。其中，RA-PC減縮材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%,3.0%,5.0%,10.0%,20.0%,40.0%,100.0%.
由圖4可以看出，當(dāng)SRA-PC減縮材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（SRA-PC）<5%時，隨著w（sra-pc）的增大，sra-pc減縮材料無論是溶于孔溶液還是蒸餾水，其溶液表面張力都呈現(xiàn)出大幅降低的變化趨勢；當(dāng)w（sra-pc）>5%時，隨著w（SRA-PC）繼續(xù)增大，SRA-PC減縮材料溶液表面張力的降幅減小處于平穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)w（SRA-PC）=5%時，溶解于蒸餾水的SRA-PC減縮材料溶液表面張力降低了52.7%;而溶解于孔溶液的SRA-PC減縮材料溶液表面張力降低了41.3%.其實(shí)，SRA-PC減縮材料減少水泥基材料收縮，首先是通過降低溶液表面張力，進(jìn)而降低毛細(xì)孔負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)的。由此說明，SRA-PC減縮材料降低溶液表面張力是考量SRA-PC減縮材料減縮能力的一個主要因素。
2.3.3SRA-PC減縮材料對溶液蒸發(fā)速率的影響
圖5為溶解在孔溶液和蒸餾水中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SRA-PC減縮材料溶液蒸發(fā)速率的變化曲線。其中，SRA-PC減縮材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0,0.5%,1.0%,3.0%,5.0%,10.0%,30.0%.
圖5可以看出，從整體上，溶解在孔溶液或蒸餾水中的SRA-PC減縮材料溶液蒸發(fā)速率隨w（SRA-PC）的增大，呈現(xiàn)下降的變化趨勢。原因可能是水的密度大于SRA-PC減縮材料的密度，溶液靜置24h后，SRA-PC減縮材料與水出現(xiàn)"分層"[9],隨著w（SRA-PC）的增大，將有更多的減縮材料富集于溶液表面，阻礙了水分蒸發(fā)，從而降低了溶液蒸發(fā)速率。盡管溶液蒸發(fā)速率在w（SRA-PC）<10%的條件下出現(xiàn)一些波動，但總體上說，溶液蒸發(fā)速率還是呈現(xiàn)下降的變化趨勢。原因決定于SRA-PC減縮材料在溶液表面富集程度與SRA-PC減縮材料所含揮發(fā)性溶劑對水分蒸發(fā)貢獻(xiàn)的權(quán)重上。由于試件內(nèi)部相對濕度隨著溶液蒸發(fā)速率的降低而提高，從而降低了試件產(chǎn)生收縮驅(qū)動力，可見，SRA-PC減縮材料降低溶液蒸發(fā)速率是考量SRA-PC減縮材料減縮能力的另一個主要因素。
2.3.4SRA-PC減縮材料對溶液黏度的影響
為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SRA-PC減縮材料溶液動力黏度的變化曲線。其中，SRA-PC減縮材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%,1.75%,2.5%,3.75%,5%,15%,50%,100%.
由圖6可以看出，SRA-PC減縮材料溶液動力黏度隨著w（SRA-PC）的增大而呈現(xiàn)遞增的變化趨勢。原因可能是水分子的相對分子質(zhì)量遠(yuǎn)小于SRA-PC減縮材料，當(dāng)w（SRA-PC）增大時，SRA-PC減縮材料溶液動力黏度因其分子間內(nèi)摩擦力的提高而增大。隨著SRA-PC減縮材料溶液動力黏度的增大，水泥基材料的收縮因水分子在水泥水化所形成的凝膠體中吸附作用的增強(qiáng)而降低�？梢姡龃骃RA-PC減縮材料溶液動力黏度是考量SRA-PC減縮材料減縮能力的又一個不可忽視的因素。
2.3.5MIP分析由毛細(xì)管應(yīng)力學(xué)說
得知，水泥石中的毛細(xì)孔徑越小，失水產(chǎn)生的收縮應(yīng)力越大，由毛細(xì)管應(yīng)力引起收縮也就越大。添加了SRA-PC減縮材料水泥石的孔結(jié)構(gòu)分布規(guī)律如圖7所示。其中，SRA-PC減縮材料的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%.
由圖7可以看出，與空白水泥石試樣相比，添加了SRA-PC減縮材料的水泥石中2~50nm毛細(xì)孔數(shù)量明顯少于空白水泥石試樣，空白水泥石2~50nm毛細(xì)孔數(shù)量為90.50%,而添加了SRA-PC減縮材料的水泥石2~50nm毛細(xì)孔數(shù)量僅為65.45%,與水泥石產(chǎn)生收縮有很大關(guān)系的2~50nm毛細(xì)孔數(shù)量降低了25.05%.可見，在水泥石試樣中，添加了SRA-PC減縮材料能夠減少水泥石中直徑為2~50nm毛細(xì)孔數(shù)量，從而大幅降低了水泥石干燥收縮或由毛細(xì)管應(yīng)力引起水泥石強(qiáng)烈收縮。
2.4水泥石SEM分析
圖8為空白水泥石和添加了SRA-PC減縮材料的水泥石SEM圖像。其中，未摻入任何添加劑空白水泥石養(yǎng)護(hù)1d和28d后的SEM圖像如圖8（a），（b）所示；摻入SRA-PC減縮材料水泥石養(yǎng)護(hù)1d和28d后的SEM圖像如圖8（c），（d）所示。SRA-PC減縮材料的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%.
從圖8可以看出，摻入SRA-PC減縮材料的水泥凈漿經(jīng)養(yǎng)護(hù)1d和28d齡期，其水化產(chǎn)物形態(tài)與未摻入任何添加劑的水化產(chǎn)物形態(tài)明顯不同，原因取決于SRA-PC減縮材料的減水效果。由于SRA-PC減縮材料分子上接枝有靜電排斥作用大的強(qiáng)極性磺酸基官能團(tuán)和空間位阻效應(yīng)大的聚氧乙烯基支鏈，對水泥顆粒的分散作用得到提高，這有助于水泥充分水化，表現(xiàn)出摻入SRA-PC減縮材料的水泥石水化產(chǎn)物形態(tài)明顯優(yōu)于未摻入任何添加劑的水化產(chǎn)物形態(tài)。
2.5SRA-PC減縮材料作用機(jī)理
綜合以上分析，SRA-PC減縮材料作用機(jī)理是：一方面，在SRA-PC減縮材料分子結(jié)構(gòu)上不僅含有提供靜電斥力作用的強(qiáng)極性磺酸基基團(tuán)，而且還帶有提供空間位阻作用的聚氧乙烯基長側(cè)鏈，同時由于引入能夠加強(qiáng)空間位阻作用的減縮基團(tuán)，使得水泥顆粒更加分散；另一方面，在SRA-PC減縮材料分子結(jié)構(gòu)支鏈上接枝的非離子性減縮基團(tuán)不易被水泥顆粒所吸附，這有利于SRA-PC減縮材料通過降低溶液表面張力和蒸發(fā)速率、提高溶液黏度和改善水泥石毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)分布來降低或抑制水泥基材料的收縮，從而實(shí)現(xiàn)了高分散及高減縮的統(tǒng)一。
3結(jié)語
1）SRA-PC減縮材料具有良好的分散性能和保塑性能。摻有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%SRA-PC減縮材料的水泥凈漿初始流動度可達(dá)300mm,1h后流動度為295mm,經(jīng)時損失僅為1.67%,幾乎無損失。
2）SRA-PC減縮材料具有優(yōu)異的減縮性能。摻有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%SRA-PC減縮材料的水泥砂漿，在3d齡期減縮率降低了48.9%,28d齡期減縮率降低了20.3%.在早期其減縮能力高，后期仍然能夠保持一定的減縮作用。
3）SRA-PC減縮材料的分散機(jī)理是SRA-PC減縮材料分子結(jié)構(gòu)上減水基團(tuán)和減縮基團(tuán)共同作用的結(jié)果。在支鏈上引入的減縮基團(tuán)能夠促使聚氧乙烯基完全伸展開來，起到加強(qiáng)空間位阻的作用。
4）SRA-PC減縮材料的減縮歷程是通過降低溶液表面張力和蒸發(fā)速率、提高溶液黏度和改善水泥石毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)分布來實(shí)現(xiàn)其減縮目的的。
參考文獻(xiàn)：
[1]錢春香，耿飛，李麗。減縮劑的作用及其機(jī)理[J].功能材料，2006,37（2）：287-291.
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