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普通减水剂对硬化混凝土力学性能的影响

作者:赵志海 来源:建筑科技与经济 论文栏目:建筑工程论文     更新时间:2018-11-13   浏览

摘 要:减水剂具有改善混凝土和易性、减少单位用水量、改变混凝土的凝结时间等优异性能,使其在许多工程实践中得到了普遍的应用,减水剂有许多种类,不同的减水剂有不同的适用范围。本文主要讨论普通减水剂对硬化混凝土力学性能的影响。

关键词:减水剂;硬化混凝土;力学性能;影响

混凝土作为建筑材料,高强度和刚性是耐久性的基本保障。而对于掺普通减水剂混凝土,减水剂的掺入会对硬化混凝土的物理、力学性能及耐久性产生不同程度的影响。其中: 硬化混凝土的力学性能包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、弹性模量、钢筋一混凝土黏结强度、耐磨性等,这些性能之间互相关联,相互影响,其中某一性能的变化通常会引起其他性能的相似变化,只是变化幅度不同而已。

1.强度

任何混凝土都是用以承受载荷或抵抗各种作用力的,所以强度是混凝土最重要的力学性能。此外,工程应用中还要求混凝土具有抗渗性、抗冻融性、耐腐蚀性等,而这些性质都与强度密切相关。因此,强度是混凝土配合比设计、施工控制和质量检验评定的主要技术指标,而各种强度指标中,抗压强度数值最大,也是最重要的技术指标。

1)抗压强度

按照我国国家标准GB50081-2002{普通混凝土力学性能试验方法》,混凝土抗压强度为边长150mm立方体标准试件抗压强度。但是,实际工程应用中,钢筋混凝土结构形式很少是立方体型,大部分是棱柱体型或圆柱体型,所以混凝土的轴心抗压强度,亦称棱柱体抗压强度在工程中应用相对较为广泛。

在正常养护条件下,混凝土强度随龄期的增长而提高,而且在一定的温度、湿度条件下,强度增长可持续十多年之久。最初的7~14d内,强度增长较快,28d以后强度增长缓慢,所以28d强度至关重要。

水泥强度等级、水灰比、骨料特性、养护条件(温度和湿度)、龄期等都对循凝土強度及强度发展规律有影响。

a.28d抗压强度

对于掺木质素磺酸盐或羟基羧酸类减水剂的混凝土,28d抗压强度是水灰比的函数,可用混凝土强度经验公式(又称Abram鲍罗米公式)表示:

式中:R为混凝土的立方体抗压强度;

A、B为与骨料种类有关的经验常数;

R为水泥的实际强度;

C/W为灰水比,即1m3混凝土中水与水泥用量之比。

通常认为,掺入普通减水剂可提高混凝土的28d强度。其原因是普通减水剂在减水、降低水灰比的同时,由于其对水泥的分散作用,提高了水泥水化程度,减小了混凝土内部孔隙率。

掺用引气减水剂时需特别注意,因为其减水作用可提高抗压强度,但其引气功能会增加混凝土含气量,从而有可能降低抗压强度。为此,可将引入的空气量视为等体积的水来计算相应的隙灰比,依此来综合评价引气减水剂对抗压强度的影响。Mielenz研究了掺入水泥干重0.266%的木质素磺酸钙普减水剂前后,混凝土28d抗压强度与水灰比、隙灰比间的关系,得到如下关系式:

Sa=8518—183Va

Sp=8190—1992Vp

式中:Sp为参比混凝土的28d抗压强度;

Sa为掺普通减水剂混凝土的28d抗压强度;

Vp为参比混凝土水灰体积比;

对于水泥用量和含气量一定的基准混凝土,若掺入引气减水剂,则减水率为5%时,28d强度可提高19%;若掺入非引气型减水剂,则减水率为10%时,28d强度仅提高15%。

Wallace and Ore系统研究了普通减水剂及缓凝剂对结构混凝土和大体积混凝土强度的影响。实验研究结果表明,若水泥用量和坍落度一定,抗压强度平均可提高20%;工程应用研究表明,若强度和坍落度一定,水含量相当,可节约水泥约8%。

总之,不管是普通水泥,还是火山灰水泥,掺入普通减水剂都可以在坍落度和水泥用量一定的情况下,提高28d抗压强度;或在坍落度和28d强度一定的情况下,减水、节约水泥,只是强度提高幅度及节约水泥量难以预测,因为不同水泥在普通减水剂存在下的行为特性差异很大。

b.其他龄期抗压强度

①1d龄期抗压强度:

水灰比一定时,掺入木质素磺酸盐、葡萄酸或蔗糖减水剂会降低混凝土的早期(1d)抗压强度,其原因是上述普通减水剂有一定的缓凝效果,延缓了水泥的早期水化进程,而且减水剂掺量越大,对水化进程的减缓作用越显著。

坍落度一定时,掺促凝减水剂混凝土的1d抗压强度比基准混凝土有所提高,而且提高效果与减水剂的掺量及掺入方式、水泥种类有关。

水泥用量和坍落度一定时,掺普通减水剂混凝土的1d抗压强度降低相对较小,而且降低幅度与普通减水剂类型有关。

②3d、7d龄期抗压强度:

掺普通减水剂混凝土的3d、7d龄期强度提高通常比28d龄期强度提高更明显。在水灰比一定时,即使掺入缓凝减水剂,只要不超剂量掺用,抗压强度通常比不掺减水剂的参比混凝土高。

③28d以上龄期抗压强度:

就耐久性而言,混凝土在28d之后的若干年内的强度持续发展很重要。

掺普通减水剂混凝土的强度发展规律取决于所掺用普通减水剂对凝结特性的影响,也即掺用促凝型、缓凝型或普通减水剂的强度发展规律不同。Wal-lace and Ore长达5年之久的研究结果显示普通减水剂掺入对混凝土28d后强度发展规律的影响与对28d强度的影响基本相似。

2)抗拉强度

混凝土在直接受拉时,很小的变形就会开裂,换句话说,混凝土的抗拉强度要低很多,通常只有抗压强度的1/10~1/20,而且混凝土的强度等级越高,其比值越小。因此,混凝土在工程应用中,一般不依靠其抗拉强度,但抗拉强度对于混凝土开裂现象有重要意义,尤其是在钢筋混凝土结构设计中,抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标。

混凝土抗拉强度测定有两种方法:一种是用棱柱体试件直接测定轴向抗拉强度;另一种是测定劈裂抗拉强度,简称劈拉强度。测定轴向抗拉强度时,由于载荷作用线难于对准试件轴心方向,容易产生偏拉,且夹具处由于应力集中常产生局部破坏,所以试验测试较困难,测试值的准确度也较低。目前国内外都采用劈拉强度。我国国家标准GB5008l-2002《普通混凝土力学性能试验方法》规定,混凝土劈拉强度采用边长为150mm的立方体试件作为标准试件。

纵观现有的掺普通减水剂前后混凝土抗拉强度的实验数据结果,大体可以得到这样的规律:掺普通减水剂混凝土的抗拉强度与参比混凝土相当或稍高。

3)抗折(抗弯拉)强度

实际工程应用中,经常出现混凝土构件在弯曲载荷作用下发生断裂破坏的现象,因此在进行路面或机场跑道结构设计及混凝土配合比设计时,抗折强度是主要强度指标。按照国家标准GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》及T0520—94《混凝土抗折(抗弯拉)强度试验》,混凝土抗折强度采用150mm×150mm×600mm(550mm)小梁作为标准试件,采用三分点荷载法测定。 抗弯强度测试值通常比抗拉强度测试值稍偏大。

若坍落度和水泥用量一定,掺木质素磺酸盐、羟基羧酸类减水剂混凝土的7d至1年龄期抗弯强度可提高10%左右。抗弯强度一定时,掺入普通减水剂可节约水泥15%。

若水灰比一定,掺木素磺酸盐减水剂的波特兰水泥、火山灰水泥、矿渣水泥的3d及更长龄期的抗弯强度都有不同程度提高。

4)抗压强度与抗拉强度、抗弯强度关系

普通减水剂掺入对混凝土抗压强度与抗拉强度、抗弯强度关系曲线的影响方面,现有的文献非常有限。参考部分文献资料大体可以得出:木质素磺酸盐、羟基羧酸类减水剂掺入对混凝土抗压强度与抗拉强度、抗弯强度的关系基本无影响。

5)抗剪强度

掺木质素磺酸盐、羟基羧酸减水剂混凝土的抗剪强度通常比不掺者高。

2.弹性模量

通常认为弹性模量与抗压强度的平方根成比例。事实上,对于混凝土而言,二者之间并无确定的定量关系,而且不同文献来源的掺普通减水剂混凝土弹性模量数据的可比性不高,所以只能说普通减水剂对混凝土弹性模量影响的大体规律如下:

混凝土中掺入木素磺酸盐减水剂,以减水、节约水泥为目的时,集灰比增大,1~5年龄期的弹性模量增加2%~8%,其原因是骨料的弹性模量比水泥高。

在工作性及28d抗压强度基本相当的情况下,普通减水剂对早龄期混凝土的动弹性模量的影响较大,但经过28~35d的养护,普通减水剂对动弹性模量的影响减小,甚至消失。

此外,普通减水剂对混凝土弹性模量的影响与骨料类型、水灰比等因素有关。

3.钢筋-混凝土握裹(黏结)强度

一般认为,钢筋一混凝土握裹力源于:

①化學黏附力,即由水泥水化产生胶体与钢筋表面的黏附力,数值约14~21kgf/cm2;

②摩擦力,即钢筋与混凝土间因表面粗糙产牛的摩擦阻力.自钢筋与混凝土间产生些微滑动开始,握裹力南混凝土与钢筋表面摩擦作用提供;

③楔形作用,即当钢筋与混凝土间进一步滑移时,混凝土与钢筋竹节间的互锁作用。

到目前为止仍然没有一种适当的标准方法来计算混凝土的握裹强度。

混凝土中掺入木素磺酸盐减水剂后,水灰比降低,握裹强度增加15%~20%。握裹力一定时,掺入普通减水剂可减小钢筋与混凝土问滑移。此外,掺入普通减水剂可减少泌水和收缩,提高黏聚性,因此有利于提高握裹强度。

4.耐磨性

耐磨性是路面、机场跑道、桥梁混凝土的重要性能指标之一。有文献报道,耐磨性与抗压强度成比例,所以掺入普通减水剂可提高耐磨性。也有文献认为,缓凝减水剂可改善混凝土抹平性能,尤其是在夏天,因此有利于提高耐磨性。

参考文献

[1] 田培,王玲.国家标准GB 8076-2008《混凝土外加剂》应用指南 [M].中国标准出版社,2009

[2] 陈斌.建筑材料[M].重庆大学出版社,2008

[3] 徐定华,徐敏著.混凝土材料概论.北京:中国标准出版社,2002

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