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1 2 8 材料导报 B： 研究篇 2 0 1 4年 1 1月( 下) 第 2 8卷第 l 1期 复合助剂改性混凝土的收缩性能 杨建森， 姜晓楠 ， 冯紫荻 ( 宁夏大学土木与水利工程学 院， 银川 7 5 0 0 2 1 ) 摘要 应 用材料 复合 改性 原理 ， 以胶粉 、 消泡剂和硅粉 为助 剂组 分 ， 制备 了复合助 剂改性 混凝土 ， 并采 用正 交 试验研究了其收缩性能。结果表明： 在给定的水平范围内， 水胶比对复合助剂改性混凝土的收缩性能影响最大， 硅粉 掺量次之， 消泡剂掺量第三， 胶粉掺量最小； 胶粉对复合助剂改性混凝土 7 d之前的收缩有明显抑制作用， 7 d以后抑 制效应越来越小且与胶粉掺量无关； 配比参数为水胶比0 4 0 ， 胶粉掺量 4 o ， 硅粉掺量 3 O ， 消泡剂掺量 0 4 的 复合助剂改性混凝土， 其收缩性能最优， 1 8 0 d收缩率仅为 2 6 1 1 0 。 关键词 复合助剂改性混凝土聚合物胶粉消泡剂硅粉收缩 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标识码 ： A D OI ： 1 0 1 1 8 9 6 j i s s n 1 0 0 5 0 2 3 X 2 0 1 4 , 2 2 0 3 0 S h r i nk a g e Pr o p e r t y o f Co mp o s i t e Ad di t i v e s M o di f i e d Co nc r e t e YANG J i a n s e n ，J I ANG Xi a o n a n，F ENG Z i d i ( S c h o o l o f Ci v i l a n d Hy d r a u l i c En g i n e e r i n g，Ni n g x i a Un i v e r s i t y ，Yi n c h u a n 7 5 0 0 2 1 ) Ab s t r a c t B a s e d o n c o mp o s i t e mo d i f i c a t i o n p r i n c i p l e o f ma t e r i a l s ，t h e c o mp o s i t e a d d i t i v e s mo d i f i e d c o n c r e t e ( CAMC)wa s p r e p a r e d b y u s i n g l a t e x p o wd e r ，d e f o a me r a n d s i l i c a f u me a s c o mp o n e n t s An o r t h o g o n a l t e s t wa s a d o p t e d t O s t u d y t h e s h r i n k a g e p r o p e r t y o f CAMCTh e r e s u l t s s h o w t h a t i n t h e g i v e n v a l u e r a n g e o f e a c h f a c t o r ，wa t e r - c e me n t r a t i o h a s t h e g r e a t e s t e f f e c t o n s h r i n k a g e p r o p e r t y o f C AMC，n e x t c o me s s i l i c a f u me ，t h i r d l y c o me s d e 一 a me r f o l l o we d b y l a t e x p o wd e r La t e x p o wd e r p r e v e n t s s h r i n k i n g o f CAMC b e r e 7 d， b u t t h e p r e v e n t i n g e f f e c t b e c o me s mo r e a n d mo r e s ma l l e r a f t e r 7 d a n d i t h a s n o t h i n g t o d o wi t h t h e d o s a g e o f l a t e x p o wd e r W h e n t h e mi x p a r a - me t e r s a r e 0 4 0 o f w a t e r - c e me n t r a t i o ，4 0 o f l a t e x p o wd e r c o n t e n t ， 3 0 0A o f s i l i c a f u me c o n t e n t a n d 0 4 o f d e f o a me r c o n t e n t CAMC s h o ws a n o p t i ma l s h r i n k a g e p r o p e r t y b e c a u s e i t s s h r i n k a g e r a t i o o f 1 8 0 d i s me r e l y 2 6 1 1 O 一 Ke y wo r d s c o mp o s i t e a d d i t i v e s mo d i f i e d c o n c r e t e ，p o l y me r i c l a t e x p o wd e r ，d e fa me r ，s i l i c a f u me ，s h r i n k a g e 0 引言 混凝土的收缩如同强度一样 ， 也是混凝土的一项重要力 学性能， 是因物理 和化学作用而导致 的混凝 土体积缩小现 象。收缩大小主要与原材料性质 、 配合 比、 养护方法等有关 。 过大以及不均匀 的收缩将在制 品和构件 中产生内应力甚 至 出现裂缝 ， 影响混凝土的质量和耐久性_ 1 。聚合物改性混凝 土是近年来逐渐应用在桥面和路面的一种新材料， 它是一种 由多相组分组成的多孔体 ， 其胶凝材料硬化浆体中除了亚微 观晶体外还分布着形态复杂 的凝胶体和分散 的 自由水 、 毛细 孔水 、 渗透水 、 吸附水和凝胶水 ， 因而聚合物改性混凝土的收 缩性能与普通混凝土有很大不同， 而且受聚合物的类型及掺 量影响很大口 。目前关于聚合物改性混凝土收缩性质的研 究相对较少， 有指导价值的认识和理论尤其缺乏 。本研究应 用材料复合改性原理 ， 选用聚合物胶粉、 消泡剂和硅粉为改 性助剂， 制备 了复合助剂改性混凝土 ， 通过正交试验 ， 以收缩 率作为收缩性能评价指标探讨水胶 比、 胶粉掺量、 硅粉掺量 以及消泡剂掺量等 4 个因素对混凝土收缩性能的影响规律， 对认识复合助剂改性混凝土的收缩性能有重要意义 。 1 实验 1 1 原材 料 水泥： 宁夏赛马牌 4 2 5 R等级 P O水泥。细砂 ： 细度模 数 2 0 ， 属细 砂， 满 足 区级配 ， 含 泥 量 2 4 ， 泥块 含量 0 8 ； 碎石， 连续级配 ， 最大粒径 1 6 mm， 含泥量 0 4 5 ， 泥 块含量 0 3 ， 压碎指标 9 8 ， 针片状含量 7 3 。胶粉 ： 可 再分散醋酸乙烯一 乙烯共聚物 R E5 0 4 4 N， 德国瓦克公司出品。 消泡剂 ： 聚乙二醇基消泡剂 P 8 0 3 ， 德国瓦克公司出品。硅粉 ： 挪威埃 肯公 司 出品， 比表面 积 1 8 0 0 0 m k g ， S i O 含 量 为 9 l _ 3 6 。减水剂 ： 聚羧酸高效减水剂 ， 掺量一般为胶凝材料 的 2 2 2 。 1 2 试验方案 采用 四因子、 三水平的正交试验方案 L 。 ( 3 ) ， 各因子及 其水平分布如表 1 所示。胶凝材料质量为水泥与硅粉质量 *国家 自然科 学基金 ( 5 0 7 6 8 0 0 8 ； 5 1 1 6 8 0 4 1 ) ； 教 育部“ 长江学者和创新 团队发展计划” 创新 团队项 目( I R T1 0 6 7 ) 杨建森： 男， 1 9 7 1年生， 教授， 主要研究方向为高性能结构工程材料E - ma i l ： y j s 5 0 8 1 6 3 t o m 复合助剂改性混凝 土的收缩性能 杨建森等 1 2 9 之和。水胶 比是水与胶凝材料 的质量 比， 胶 粉掺量 、 硅粉掺 量、 消泡剂掺量分别是指胶粉、 硅粉 、 消泡剂的质量 占胶凝材 料质量 的百分比。经过多次预拌试验 ， 确定了正交试验的混 凝土配合 比， 列于表 2 。 1 3 试验方法 依据 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方 法标准 GB T 5 0 0 8 2 - 2 0 0 9的收 缩试 验接 触法进 行测 试， 采 用 1 0 0 mmX 1 0 0 mm5 1 5 mm 的棱柱体试件 ， 试件拆模后应立 即 送至温度为( 2 0 2 )o C、 相对湿度为 9 5 以上的标准养护室 养护 ， 养护 3 d 后取出试件并移入温度为 ( 2 0 2 )、 相对湿 度为( 6 O 5 ) 的恒温恒湿环境中立 即测定试件初始长度， 此后按 1 d 、 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 4 5 d 、 6 0 d 、 9 O d 、 1 2 0 d 、 1 5 0 d 、 1 8 0 d的时间间隔分别测定各组试件长度 ， 计算收缩值。 表 1 正交试验因子与水平分布表 Ta b l e 1 Th e f a c t o r a n d v a l u e d i s t r i b u t i o n o f o r t h o g o n a l e x p e r i me n t 表 2 正交试验混凝土配合比表 Ta b l e 2 Co n c r e t e mi x i n g r a t i o o f o r t h o g o n a l e x p e r i me n t 2结 果 与 讨 论 势 基 需 癸 纂 2 1 收缩龄期的影响 逐渐趋于平缓， 9 0 d之后趋于稳定。各个收缩龄期中， F的 不 同收缩龄期各试件的收缩测试结果列于表 3 ， 其收缩 收缩率最小 ， G的收缩率最大 ， 表明 F组试件收缩最小， G组 率与龄期的变化 曲线如图 1 所示 。 试件收缩最大。其它试件收缩介于二者之间。 表 3 不同收缩龄期的混凝土收缩率 Ta b l e 3 S h r i n k i n g r a t i o o f c o n c r e t e o n d i f f e r e n t s h r i n k i n g t i me 2 2 4个 因素的影响 表 4是各试件的收缩率在不同龄期的正交分析表。 从表 4中均值 愚可以看出， 在整个收缩龄期 中， 水胶 比 0 4 5的均值 启 。 值一直最大， 水胶 比0 4 0的均值 尼 z 值始终最 小 ， 水胶 比 0 3 5的均值 k 居于中间 ， 即 忌 忌 愚 。 ； 愚 较 五 减小了 2 O 3 ， 较 k 。 减小 了 3 1 1 ， 可见水胶 比为 0 4 0时 混凝土的收缩最小。 从 图 1中还可以看 出， 同一水胶 比的各试件收缩率随着 龄期的延长总体上呈先急后缓 的递增趋势。水胶 比对混凝 土收缩 的影响由早期的 自收缩和干燥收缩共同作用决定 ， 在 1 3 O 材料导报 B： 研究篇 2 0 1 4年 1 1月( 下) 第 2 8卷第 1 1 期 前期快速的水化作用之下 ， 混凝土 内部的湿度会迅速降低 ， 单方用水量越小， 内部相对湿度降低得就越 快， 同时低水胶 比的混凝土结构比较致密 ， 平均孔径小 ， 由 Ke l v i n公式可以 得知 ， 孔径越小 ， 内部相对湿度降低越迅速 3 ； 在收缩后期 ， 干燥收缩发挥主要作用 ， 水胶 比大的混凝土孔隙率 高， 对收 缩起主要作用的 5 0 n m 以下的毛细孔较多 ， 故在后期水胶 比 大的混凝土的收缩较大。但对于复合助剂改性混凝土来说 ， 由于凝胶的组成和形态与普通混凝土有很大不 同， 水胶 比越 低 ， 混凝土收缩未必越小。从 表 4 数据分析来看 ， 0 4 0的水 胶 比对减少混凝土收缩最为有利 。 在收缩龄期 7 d之前 ， 收缩率均值随胶粉掺量的增加而 明显降低 ； 7 d以后， 随着收缩龄期的延长， 掺与不掺胶粉的 混凝土收缩率均值越来越接近 ， 表 明胶粉对混凝 土 7 d之前 的收缩抑制效应明显 ， 7 d以后抑制收缩效应越来越小且与 胶粉掺量基本无关 。同龄期下 ， 胶粉掺量为 4 O 时的均值 k 最小 ， 胶粉掺量为 8 0 时的均值 k 。 次之 ， 胶粉掺量为 0 时的均值 k 最大， 即 k 。 是 。 是 ， 这与姜洪义等_ 4 的研究结 果相似。因此， 就收缩变形来看 ， 复合助剂改性混凝 土中胶 粉的最佳掺量为 4 0 比较合适。 在各试件的不同收缩龄期 中， 硅粉掺量为 6 0 的均值 k 。 始终保持最大， 且数值远大于 k 和 k ； 而硅粉掺量为 0的 均值 忌 最小， 硅粉掺量为 3 0 的均值 k z 居于中间， 即 是 k z 硅粉掺量消泡剂掺量胶粉掺量 ， 这表 明对于 6 0 d 之后的复合助剂改性混凝土长期收缩 ， 水胶比的 影响最大， 硅粉掺量次之 ， 消泡剂掺量第三， 胶粉掺量最小 。 同时， 从图 3 一图 6中最高曲线与最低曲线 的竖 向距离 可 以看出， 6 0 d 之后 ， 各因素的极差值基本都趋于稳定， 如水 胶 比的极差在 1 1 0 1 1 7之间波动 ， 硅粉掺量 的极差在 4 6 5 O之间波动。这表明复合助剂改性混凝土在 9 0 d之后 的收 缩变形趋于平缓 ， 各因素对收缩性能的影响趋于稳定 ， 混凝 土的体积已趋于稳定 。 褂 好 收缩龄期 d 图 5 不同硅粉掺量的混凝土收缩率均值与 收缩龄期的关系 Fi g 5 Re l a t i o n be t we e n a v e r a g e s h r i n ki n g r a t i o an d s i l i c a f u me wi t h d i f f e r e n t s h r i nk i n g t i me g 宜 露 褂 婿 收 笃 茸 龄 期 d 图 6 不同消泡剂掺量的混凝土收缩率均值与 收缩龄期的关系 F i g 6 Re l a t i o n be t wee n a v e r a g e s h r i n k i n g r a t i o an d d e f o a me r wi t h d i f f e r e n t s h r i n k i n g t i me 综上分析 ， 复合助剂改性混凝 土收缩性能最优 的配 比参 数为水胶 比 0 4 0 ， 胶粉掺量 4 O ， 硅粉掺量 3 0 H， 消泡剂 掺量 0 4 。经试验验证 ， 最优配 比参数的混凝土试件 2 8 d 、 9 O d 和 1 8 0 d的收缩率分别为 1 6 8 1 0 一、 2 1 7 1 0 和2 6 1 1 O ， 收缩率很低 ， 与 F组相 当。 3 结论 ( 1 ) 在给定的水平范 围内， 水胶 比对复合助剂改性混凝 土的收缩性能影响最大， 硅粉掺量次之， 消泡剂掺量第三， 胶 粉掺量最小 。 ( 2 ) 胶粉对复合助剂改性混凝土 7 d之前的收缩有明显 抑制效 应， 且随着其掺量 的增加 ， 收缩率减小 ； 7 d以后抑制 收缩效应越来越小 ， 且与胶粉掺量无关。 ( 3 ) 随着硅粉掺量的增加 ， 复合助剂混凝土的收缩增大 。 消泡剂掺量为 0 4 时对减小混凝土收缩最有利 。 ( 4 ) 配比参数为水胶 比 0 4 0 ， 胶粉掺量 4 O ， 硅粉掺量 3 o H， 消泡剂掺量 0 4 的复合助剂改性混凝土， 收缩性能 最优 ， 1 8 0 d收缩率仅为 2 6 1 1 0 。 ( 下转第 1 3 7页) 伽伽姗姗瑚瑚 如 粉末冶金铝钨合金热变形行为与应变补偿型本构模型 薛 勇等 1 3 7 9 f f 王忠堂，张士宏，齐广霞 ， 等AZ 3 1 镁合金热变形本构方 程 J 中国有色金属学报， 2 0 0 8 ， 1 8 ( 1 1 ) ： 1 9 7 7 9 Wu Yu ，Yi Na n ，Oi a o Hu ij u a n ， e t a 1 C o n s t i t u t i v e r e l a t i o n mo d e l b y s t r a i n c o mp e n s a t i o n o f h i g h t e mp e r a t u r e d e f o r ma t i o n Nb l 0 Z r a l l o y J Ra r e Me t a l Ma t e r E n g ， 2 0 1 3 ， 4 2 ( 1 0 ) ： 21 1 7 武宇，宜楠， 乔慧娟，等Nb l 0 Z r 合金高温变形应变补偿 型本构关系模型 J 稀有金属材料与工程 ， 2 0 1 3 ， 4 2 ( 1 0 ) ： 21 17 1 0 Ca i Yi mi n g ，Li Hu i z h o n g，Li a n g Xi a o p e n g， e t a 1 Ho t d e f o r ma t i o n b e h a v i o r o f 7 0 3 9 a l u mi n u m a l l o y a t h i g h t e mp e r a t u r e J C h i n e s e J No n f e r r o u s Me t a l s ， 2 0 0 8 ， 1 8 ( 1 0 ) ： 1 7 7 5 蔡一鸣， 李慧中， 梁霄鹏，等7 0 3 9铝合金高温的热变形 行为 J 中国有色金属学报， 2 0 0 8 ， 1 8 ( 1 0 ) ： 1 7 7 5 1 1 Wa n g Y，Li n D L，La w C CA c o r r e l a t i o n b e t we e n t e n s i l e f l o w s t r e s s a n d Z e n n e Ho l l o mo n f a c t o r i n Ti A1 a l l o y s a t ( A a 接 第 1 3 1页) h i g h t e mp e r a t u r e s J J Ma t e r S c i L e t t ， 2 0 0 0 ， 1 9 ( 1 3 ) ： 1 1 8 5 1 2 W u We n x i a n g ，S u n De q i n ，Ca o Ch u n y a n， e t a 1 Rh e o o g i c a l s t r e s s b e h a v i o r o f o f 5 0 8 3 a l u mi n u m a l l o y a f t e r h o t c o mp r e s s i o n d e f o r ma t i o n J C h i n e s e J No n f e r r o u s Me t a l s ， 2 0 0 7 ， 1 7 ( 1 0 )： 1 6 6 7 吴文祥， 孙德勤， 曹春艳， 等5 0 8 3铝合金热压缩变形流变 应力行为口 中国有色金属学报 ， 2 0 0 7 ， 1 7 ( 1 0 ) ： 1 6 6 7 1 3 S e l l a r s C M，Te g a r t W J Ho t wo r k a b i l i t y J I n t Me t a l l Re v， 1 9 7 2 ， 1 7 ( 1 ) ： 1 1 4 Li n Y C，C h e n X M A c r i t i c a l r e v i e w o f e x p e r i me n t a l r e s u i t s a n d c o n s t i t u t i v e d e s c r i p t i o n f o r me t a l s a n d a l l o y s i n h o t w o r k i n g J Ma t e r D e s ， 2 0 1 1 ， 3 2 ： 1 7 3 3 1 5 S u b r a ma n i a n P R，Pa r t h a s a r a t h y T A，M e n d i r a t t a M G， e t a 1 C o mp r e s s i v e c r e e p b e h a v i o r o f Nb 5 S i 3 J S c r i p t a Me t a l l Ma t e r ， 1 9 9 5 ， 3 2 ( 8 ) ： 1 2 2 7 ( 责任编辑杨霞) 9 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 2 3 参考文献 1 L i S h i h u a I n f l u e n c e o f a d mi x t u r e s o n s h r i n k a g e p r o p e r t y a n d c r a c k i n g b e h a v io r o f c o n c r e t e D Z h e n g z h o u ：Z h e n g z h o u Un i v e r s i t y ， 2 0 1 2 李世华外加剂对混凝土收缩开裂性能的影响 D 郑州： 郑州大学 ， 2 0 1 2 2 S h e n Ai q i n S t u d y o n t h e c r a c k me n d i n g ma t e r i a l s o f c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t I ) Xi a n ： C h a n g a n Un i v e r s i t y ， 2 0 0 4 申爱琴水泥混凝土路面裂缝修补材料研究 D 西安： 长 安 大学 ， 2 0 0 4 3 Xi e Li ， W u S h e n g x i n g Re s e a r c h o n i n f l u e n c e o f wa t e r - c e me n t r a t i o o n e a r l y - a g e s h r i n k a g e o f c o n c r e t e J B u i l d i n g S c i ， 2 0 0 7， 2 3 ( 1 ) ： 5 4 谢丽， 吴胜兴水灰比对混凝土早期收缩影响的研究 J 建筑科学， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 1 ) ： 5 4 4 J i a n g Ho n g y i ，Yi n Z h o n g me i Re s e a r c h o f NB S e mu l s i o n - c e me n t mo r t a r b l e n d i n g s y s t e m J C o n c r e t e ， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 2 3 姜洪义， 殷仲梅NB S乳液一 水泥砂浆共混体系的研究 J ) Z u F u x i n g S t u d y o n t h e p r o p e r t y a n d i t s a p p l i c a t i o n o f r e s i s t i n g i mp a c t a b r a s i o n c o n c r e t e o f s h i p l o c k D C h e n g d u ： S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， 2 0 0 9 祖福兴船闸抗冲耐磨混凝土性能及应用研究 D 成都： 西南交通 大学 ， 2 0 0 9 Z h a n g M H，Ta m C T，L e o w M PE f f e c t o f wa t e r - t o - c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s r a t i o a n d s i l i c a f u me o n t h e a u t o g e n o u s s h r i n k a g e o f c o n c r e t e J C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 0 ) ： 1 68 7 Hu a n g Co n g y u n，W a n g Fu r e n P o l y me r mo d i f i e d c e me n t c o n c r e t e J Ma t e r Re s ， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 5 ) ： 2 5 黄从运， 王服人聚合物改性水泥混凝土 J 材料研究， 2 0 0 2， 3 0 ( 5 ) ： 2 5 F e n g Z i d i ，J i a n g Xi a o n a n， Ya n g J i a n s e n， e t a 1 Ca r b o n a t i o n p r o p e r t i e s o f c o mp o s i t e a d d i t i v e s mo d i f i e d c o n c r e t e J C h i n a S c i e n c e p a p e r ， 2 0 1 4 ， 9 ( 6 )： 2 1 冯紫荻， 姜晓楠， 杨建森 ， 等复合助剂改性混凝土的碳化性 能 J 中国科技论文， 2 0 1 4 ， 9 ( 6 ) ： 2 1 ( 责任编辑邱嘉欣) 5 6 7 8