緩凝劑對(duì)硫鋁酸鹽型膨脹劑效能的影響

摘要：研究了三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉及糖鈣對(duì)硫鋁酸鹽型膨脹劑效能的影響。結(jié)果表明：緩凝劑和硫鋁酸鹽型膨脹劑復(fù)合使用時(shí)，會(huì)降低膨脹劑的限制膨脹率，增大其早期自由膨脹率及膨脹指數(shù)，從而降低其有效膨脹能。因此，在膨脹劑摻量相同的情況下，復(fù)合使用緩凝劑會(huì)降低硫鋁酸鹽型膨脹劑對(duì)混凝土的補(bǔ)償收縮作用或產(chǎn)生的自應(yīng)力，故緩凝劑與膨脹劑復(fù)合使用時(shí)，要想達(dá)到單摻膨脹劑時(shí)的膨脹效果，需適當(dāng)加大膨脹劑的用量。

關(guān)鍵詞：緩凝劑；膨脹劑；自由膨脹率；限制膨脹率；膨脹指數(shù)

中圖分類號(hào)：TU528.042 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1001- 702X（2006）11- 0056- 04

0 前言

　　膨脹劑在工程中主要應(yīng)用于補(bǔ)償收縮混凝土和自應(yīng)力混凝土，人們?cè)谂渲苹炷習(xí)r，經(jīng)常將膨脹劑與其它外加劑復(fù)合使用，這些外加劑多含有緩凝劑組分，而緩凝劑對(duì)膨脹劑效能的影響至今很少有人進(jìn)行研究。有鑒于此，本文就三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉及糖鈣等3 種緩凝劑對(duì)硫鋁酸鹽型膨脹劑的強(qiáng)度、自由膨脹率及限制膨脹率的影響進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，得到了緩凝劑對(duì)硫鋁酸鹽型膨脹劑膨脹率的影響規(guī)律。

　　結(jié)合膨脹指數(shù)，分析、討論了緩凝劑對(duì)膨脹劑的有效膨脹能的影響情況及作用機(jī)理。本文研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)緩凝劑與膨脹劑復(fù)合使用對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土和自應(yīng)力混凝土性能的影響具有一定的指導(dǎo)作用。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

　　水泥：采用秦嶺牌P.O42.5R，陜西秦嶺水泥股份公司生產(chǎn)；緩凝劑分別選用三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉及糖鈣，均為工業(yè)級(jí)；砂：采用JC 476—2001 中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)砂；水：自來(lái)水；膨脹劑：HS- HEA 硫鋁酸鹽型膨脹劑，陜西恒升外加劑公司生產(chǎn)，依據(jù)JC 476—2001 標(biāo)準(zhǔn)，該膨脹劑按10%摻量等量取代水泥的性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

　　限制膨脹率試驗(yàn)是在試模內(nèi)放入由Φ4×140 mm 的縱向鋼筋和2 塊39.5 mm×39.5 mm×4 mm 的鋼板焊接制成的縱向限制器，制作40 mm×40 mm×140 mm 砂漿試塊。自由膨脹率試驗(yàn)是用特制釘頭代替限制膨脹中的縱向限制器成型40mm×40 mm×160 mm試塊。分別用最小刻度為0.001 mm的千分表測(cè)量膨脹值。按JC 476—2001《混凝土膨脹劑》的材料用量，選用10%HS- HEA 硫鋁酸鹽型膨脹劑等量取代水泥，保持基準(zhǔn)配比不變，選用同一品種緩凝劑的3 種摻量，分別成型2 組膠砂試塊，1 d 后拆模并在1 h 內(nèi)測(cè)量初始長(zhǎng)度，測(cè)量完初始長(zhǎng)度的試件立即放入溫度為（20±3）℃，相對(duì)濕度90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室水中養(yǎng)護(hù)（簡(jiǎn)稱水養(yǎng)），測(cè)量水養(yǎng)7 d 的試塊長(zhǎng)度，將一組試塊繼續(xù)留在水中養(yǎng)護(hù)，另一組試塊放入溫度為（20±3）℃，相對(duì)濕度（60±5）%（標(biāo)養(yǎng)）的養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)量各齡期試塊長(zhǎng)度，并計(jì)算膨脹率。膨脹水泥膠砂強(qiáng)度測(cè)定按GB/T 17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 緩凝劑對(duì)強(qiáng)度的影響

　　按GB/T 17671 中規(guī)定的材料配比，選用以10%的HSHEA硫鋁酸鹽型膨脹劑等量取代水泥，保持基準(zhǔn)配比不變，分別摻入不同量的三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉、糖鈣緩凝劑，試件各齡期的強(qiáng)度見(jiàn)表2。

　　由表2 可見(jiàn)，在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，三聚磷酸鈉和葡萄糖酸鈉會(huì)降低摻膨脹劑砂漿的3 d 抗折強(qiáng)度，但對(duì)3 d 抗壓強(qiáng)度及7 d 抗折、抗壓強(qiáng)度影響較??；三聚磷酸鈉摻量大時(shí)會(huì)降低摻膨脹劑砂漿的28 d 強(qiáng)度。葡萄糖酸鈉對(duì)砂漿28 d 的強(qiáng)度影響不大。糖鈣摻量較小時(shí)，會(huì)提高摻膨脹劑砂漿早期及后期強(qiáng)度，但摻量較大時(shí)，對(duì)早期強(qiáng)度降低幅度明顯。試驗(yàn)結(jié)果還表明：緩凝劑品種、摻量不同，對(duì)早期水泥水化和硫鋁酸鹽型膨脹劑水化反應(yīng)都有不同程度影響，從而影響了混凝土強(qiáng)度和膨脹的發(fā)展。由于強(qiáng)度的增長(zhǎng)應(yīng)與膨脹的發(fā)揮同步協(xié)調(diào)進(jìn)行，才會(huì)使膨脹混凝土較充分地發(fā)揮其膨脹密實(shí)的特性。因此，實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)注意膨脹劑與緩凝劑的匹配使用，對(duì)緩凝劑品種及摻量的選用應(yīng)慎重，避免由于緩凝劑品種或摻量選用不當(dāng)造成混凝土后期強(qiáng)度的降低。

　　應(yīng)注意的是，摻入0.10%、0.20%糖鈣緩凝劑的試樣3 d抗壓強(qiáng)度提高，而0.30%摻量的試樣強(qiáng)度降低；摻入緩凝劑后期抗壓強(qiáng)度均有大幅度提高。這主要是因?yàn)樘氢}不僅具有較強(qiáng)的緩凝作用，還具有減水作用，自由水增多，使得水泥顆粒周圍溶液中的水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物的分布更加均勻，有利于水泥顆粒和膨脹劑的充分水化，強(qiáng)度提高。但摻量過(guò)大較強(qiáng)的緩凝作用則會(huì)導(dǎo)致過(guò)度緩凝而降低早期強(qiáng)度。

2.2 緩凝劑對(duì)自由膨脹率的影響

　　選用10%的HS- HEA 硫鋁酸鹽型膨脹劑等量取代水泥，保持基準(zhǔn)配比不變，分別研究了三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉及糖鈣對(duì)膨脹劑自由膨脹率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3 所示。

　　圖1 及圖2 結(jié)果表明，與單摻膨脹劑的基準(zhǔn)試件相比，復(fù)摻無(wú)減水作用或減水作用非常微弱的三聚磷酸鈉及葡萄糖酸鈉緩凝劑后，2 種養(yǎng)護(hù)條件下，砂漿的自由膨脹率都有所增大。這是由于膨脹砂漿試件在無(wú)配筋、無(wú)外部約束條件下，生成的鈣礬石首先貢獻(xiàn)于強(qiáng)度及補(bǔ)償化學(xué)收縮，然后造成體積的膨脹，即自由膨脹[1]而緩凝劑的摻入，降低了水泥水化速度，從而使得自由膨脹受到的自身限制減小，膨脹能主要消耗于體積膨脹，表現(xiàn)出較大的自由膨脹率。

　　圖3 表明，糖鈣緩凝劑對(duì)膨脹劑自由膨脹率的影響不同于前面2 種緩凝劑的結(jié)果，當(dāng)糖鈣摻量較小時(shí)，復(fù)摻緩凝劑的3 d 自由膨脹率大于單摻膨脹劑的基準(zhǔn)自由膨脹率，但7 d 后的自由膨脹率卻低于基準(zhǔn)自由膨脹率，這可能是因?yàn)樘氢}具有緩凝和減水雙重作用，減水作用使得砂漿的勻質(zhì)性和水泥的有效利用率提高，再加上生成的鈣礬石對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)作用，從而使3 d 后的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率加快，自由膨脹率發(fā)展受到限制，增長(zhǎng)速率趨于平緩，7 d 時(shí)已經(jīng)低于基準(zhǔn)試件。但當(dāng)糖鈣摻量為0.3%時(shí)，復(fù)摻緩凝劑的自由膨脹率卻遠(yuǎn)大于單摻膨脹劑的自由膨脹率，這可能是由于糖鈣摻量過(guò)大，過(guò)度緩凝抑制了1 d 水泥水化及鈣礬石的生成，使得1 d 齡期時(shí)膨脹劑尚無(wú)法發(fā)揮其膨脹作用，致使1 d 拆模后測(cè)得的砂漿試件初始長(zhǎng)度值較小，而3 d 后膨脹劑能正常發(fā)揮其膨脹作用，測(cè)得的砂漿試件長(zhǎng)度與初始長(zhǎng)度的差值較大，較大的長(zhǎng)度差值除以較小的初始長(zhǎng)度值所得的自由膨脹率就偏大。

　　從以上自由膨脹率的發(fā)展和強(qiáng)度的關(guān)系可以看出，補(bǔ)償收縮混凝土中，強(qiáng)度與膨脹協(xié)調(diào)發(fā)展是非常重要的。早期強(qiáng)度過(guò)高會(huì)抑制混凝土膨脹的發(fā)展，導(dǎo)致混凝土膨脹不足，難以補(bǔ)償后期收縮。早期強(qiáng)度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致很多的膨脹變?yōu)闊o(wú)效膨脹消耗在混凝土的塑性階段[2]。所以緩凝劑與膨脹劑復(fù)合使用時(shí)，應(yīng)確定緩凝劑種類以及所需緩凝時(shí)間，使緩凝后的水泥水化速度和膨脹劑的水化速度相協(xié)調(diào)，保證強(qiáng)度和膨脹同步協(xié)調(diào)進(jìn)行。

2.3 緩凝劑對(duì)限制膨脹率的影響

　　選用以10%的HS- HEA 硫鋁酸鹽型膨脹劑等量取代水泥，保持基準(zhǔn)配比不變，分別研究了三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉及糖鈣緩凝劑對(duì)膨脹劑限制膨脹率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6 所示。

　　圖4～圖6 表明，與單摻膨脹劑相比，復(fù)摻三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉或糖鈣均降低了膨脹劑的限制膨脹率。這是由于摻入緩凝劑后，水泥水化速度減緩，凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，使水化早期生成的鈣礬石的部分膨脹能在流動(dòng)、遷移并壓縮孔隙的過(guò)程中消耗在砂漿的塑性階段；另外對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)作用及補(bǔ)償化學(xué)收縮也消耗部分膨脹能；更重要的作用是由于體積膨脹受到限制器的限制，生成的鈣礬石部分來(lái)填充水泥石內(nèi)部孔隙，使結(jié)構(gòu)更加致密化，從而減少了作為體積膨脹的膨脹能，這一點(diǎn)對(duì)摻入糖鈣緩凝減水劑后表現(xiàn)得特別明顯。因?yàn)榧尤刖從齽?huì)不同程度地影響水泥水化初期水化產(chǎn)物Ca（OH）2 的生成[3]，而HS- HEA 硫鋁酸鹽型膨脹劑的膨脹機(jī)理又是在堿介質(zhì)中結(jié)合大量水生成鈣礬石的, 所以鈣礬石的形成速度會(huì)受Ca（OH）2 形成速度的影響。鈣礬石的形成速度和生成數(shù)量又決定混凝土的膨脹效能，故緩凝劑種類及摻量會(huì)對(duì)鈣礬石的生成產(chǎn)生一定的影響，即表現(xiàn)為膨脹率的發(fā)展規(guī)律與基準(zhǔn)試件的略有不同，不同種類的緩凝劑隨摻量的增大表現(xiàn)出膨脹率的大小不同。當(dāng)延緩后的水泥水化速度與鈣礬石的生成速度相協(xié)調(diào)時(shí)，限制膨脹率能得到較好的發(fā)展。

2.4 緩凝劑對(duì)膨脹指數(shù)的影響

　　膨脹能是指摻有膨脹劑的膠凝材料在水化過(guò)程中產(chǎn)生的化學(xué)能，在檢驗(yàn)混凝土膨脹時(shí)，由于采用標(biāo)準(zhǔn)限制儀，所以可用限制膨脹率來(lái)體現(xiàn)有效膨脹能的大小[4]。在限制條件下，膨脹能的作用除了使混凝土變形外，還要使限制物產(chǎn)生變形或移位。通常采用下式所示的膨脹指數(shù)ζ來(lái)描述有效膨脹能的利用率大小及評(píng)價(jià)膨脹劑的效果。

式中：ε1—自由膨脹率，%；

　　　ε2—限制膨脹率，%。

　　ζ值越小則有效膨脹率相對(duì)較大，無(wú)效膨脹率相對(duì)較小，說(shuō)明膨脹劑能產(chǎn)生較大的有效膨脹能，膨脹劑的膨脹與強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度協(xié)調(diào)性好；反之，無(wú)效膨脹率相對(duì)較大，說(shuō)明膨脹劑能產(chǎn)生的有效膨脹能小，膨脹劑的膨脹與強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度協(xié)調(diào)性差[5]。膨脹砂漿中摻入3 種緩凝劑后，水養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)條件下28 d的膨脹指數(shù)如表3 所示。

　　由表3 可知，緩凝劑在3 種不同摻量、2 種養(yǎng)護(hù)條件下28 d的膨脹指數(shù)均有所增大，說(shuō)明摻入緩凝劑后降低了膨脹砂漿的有效膨脹率，增大了無(wú)效膨脹率，因而有效膨脹能的利用降低了。因此，緩凝劑與膨脹劑復(fù)合使用時(shí)，要想達(dá)到單摻膨脹劑時(shí)的膨脹效果，需適當(dāng)加大膨脹劑的用量。由表3 還可看出，每種緩凝劑中都有一摻量對(duì)應(yīng)2 種養(yǎng)護(hù)條件下28 d 膨脹指數(shù)都較低，并結(jié)合表2 可知，膨脹指數(shù)較低的摻量對(duì)應(yīng)的28 d 強(qiáng)度均較高，說(shuō)明該摻量下，混凝土的膨脹和強(qiáng)度發(fā)展相互協(xié)調(diào)較好。

3 結(jié)論

　?。?）在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，三聚磷酸鈉和葡萄糖酸鈉會(huì)降低摻膨脹劑砂漿的3 d 抗折強(qiáng)度，但對(duì)3 d 抗壓強(qiáng)度及7 d 抗折、抗壓強(qiáng)度影響較??；三聚磷酸鈉摻量大時(shí)會(huì)降低摻膨脹劑砂漿的28 d 強(qiáng)度，但在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)復(fù)摻葡萄糖酸鈉對(duì)摻膨脹劑砂漿28 d 強(qiáng)度影響不大。糖鈣摻量較小時(shí)，會(huì)提高摻膨脹劑砂漿早期及后期強(qiáng)度，但摻量較大時(shí)，對(duì)早期強(qiáng)度降低幅度明顯。

　?。?）與單摻膨脹劑的基準(zhǔn)試件相比，復(fù)摻無(wú)減水作用或減水作用非常微弱的三聚磷酸鈉及葡萄糖酸鈉緩凝劑后，膨脹劑的自由膨脹率都有所增大。對(duì)于復(fù)摻具有減水作用的糖鈣緩凝劑，當(dāng)摻量較小時(shí)，復(fù)摻緩凝劑的3 d 自由膨脹率大于單摻膨脹劑的基準(zhǔn)自由膨脹率，但7 d 后的自由膨脹率卻低于基準(zhǔn)自由膨脹率，但當(dāng)糖鈣摻量為0.3%時(shí)，復(fù)摻緩凝劑的自由膨脹率卻遠(yuǎn)大于單摻膨脹劑的自由膨脹率。

　?。?）與單摻膨脹劑相比，復(fù)摻三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉和糖鈣均降低了膨脹劑的限制膨脹率。

　?。?）緩凝劑與膨脹劑復(fù)合使用會(huì)導(dǎo)致膨脹劑的膨脹指數(shù)增大，有效膨脹能利用率降低，不利于混凝土的補(bǔ)償收縮和膨脹的發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

　　[1] 游寶坤，李乃珍.膨脹劑及其補(bǔ)償收縮混凝土.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2005：91.

　　[2] 游寶坤.混凝土膨脹劑及其應(yīng)用.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2002：20

　　[3] 葛兆明.混凝土外加劑.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：193- 195.

　　[4] 吳中偉，張鴻直.膨脹混凝土.北京：中國(guó)鐵道出版社，1990：76- 77.

　　[5] 何廷樹(shù).混凝土外加劑.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2003：130- 131.