外加剂对泡沫混凝土早期收缩开裂的影响

杨之璋, 詹炳根

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程结构与材料省级实验室,安徽 合肥 230009)

近年来,我国处于墙体材料改革的深入时期,水泥基泡沫混凝土是一种新型无机保温材料,其综合性能要胜于有机保温材料,未来的发展空间极大[1]。然而,人们发现泡沫混凝土的收缩和开裂问题已严重阻碍了其墙体材料在市场上的大规模运用[2]。泡沫混凝土作为水泥基材料,具有一般混凝土固有的一些缺陷[3],包括因自身收缩变形、干湿循环及结构疏松而导致的开裂现象。在硬化过程中,因自身内部的不稳定使得泡沫破碎并引起的体积收缩,是泡沫混凝土不同于普通混凝土收缩的最大原因[4]。通过添加外加剂来改善泡沫混凝土抗收缩和抗裂性能是一个重要手段。

目前,关于外加剂对泡沫混凝土抗裂性能影响的研究还很少。文献[5]通过研究发现羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methylcellulose,HPMC)在砂浆中能够起到增稠及保水的作用,并且效果很好,试验结果证明,HPMC对泡沫混凝土有良好的稳泡作用,当HPMC融入泡沫混凝土浆体,便会附着在水泥颗粒和泡沫之间,起到了良好的润滑作用,使得泡沫混凝土浆体的流动性增大。HPMC是非离子性纤维素,不是聚合电解质,当有金属盐或有机电解质存在时,在水溶液中较稳定,因此适用于泡沫混凝土。文献[6]研究3种不同的减水剂对泡沫混凝土各项性能的影响,经对比发现聚羧酸减水剂(polycarboxylate superplasticizer,PS)的综合效果是比较好的。减水剂能够改善水泥颗粒的分散性,使其体积吸水率和质量吸水率均呈降低的趋势,还能够降低水胶比,使泡沫混凝土的自然干燥收缩量大幅减小在保留一定标准的强度的情况下,硬化体的密度减小,这对于提高泡沫混凝土各项性能有着非常重要的作用。减缩剂(shrinkage reducing agent,SRA)通过降低水泥石孔溶液表面张力,减小毛细孔失水应力,降低干缩值和自收缩值[7]。本文采用PS、HPMC、胶粉(rubber powder,RP)、SRA等外加剂,以收缩试验和开裂试验来研究外加剂单掺和复掺耦合作用对泡沫混凝土抗裂性能的影响,以期达到最佳的抗收缩和抗裂效果。

1 试验材料与试验方案

1.1 原材料

(1) 水泥。选用巢湖润基公司提供的P·O 42.5级水泥,其各项性能指标见表1所列。

表1 硅酸盐水泥的各项指标

(2) 发泡剂。采用实验室自制的蛋白类发泡剂,其具有较好的稳定性、较低的泌水率及较高的发泡倍数等特点,外观为淡黄色液体,密度为1.02 g/cm3,固含量为37%,pH值为9～10。

(3) PS,由肃州兴邦建筑材料有限公司提供;HPMC,由安庆斯蒂芬纤维素有限公司提供;RP,由山东济南戈麦斯化工(中国)有限公司提供;SRA,由合肥佳方新型建筑材料有限责任公司提供。

1.2 试验配合比

本文研究PS、HPMC、RP、SRA等4种外加剂分别在单掺和复掺耦合作用下对泡沫混凝土早期收缩与塑性开裂的影响。外加剂单掺试验,设置PS掺量为0.16%,HPMC掺量分别为0.2%、0.4%、0.6%,RP掺量分别为2%、4%、6%,SRA掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%,最后设置1个不掺外加剂的空白组(FC)与其对照。本文中外加剂掺量指其质量分数。外加剂复掺耦合试验,水灰比固定不变,水泥和拌合水用量分别为780、280 g,再加入泡沫600 L和PS 1.25 g,改变HPMC、RP、SRA用量,设置A1～A9共9个分组,寻求最佳配合比。外加剂复掺耦合试验配比见表2所列。

表2 外加剂复掺耦合试验配合比 kg

1.3 试验方法

物理法制备泡沫混凝土,自制发泡剂与水按质量比1∶9的比例配制发泡溶液。先将水泥与外加剂干拌均匀,接着放入水进行搅拌,在搅拌的3 min内,进行物理发泡,随后关掉搅拌机并加入泡沫,将泡沫与水泥浆混合均匀,水泥浆完全包裹泡沫即可停止,最后试件成型进行后续试验。早期收缩变形主要通过非接触式收缩变形仪连接电脑,测试泡沫混凝土从浇筑成型至50 h以内的各个时间段的收缩值,通过改进的环形约束试验观察试件3 d内的开裂时间、裂缝宽度。

2 试验结果与分析

2.1 外加剂对泡沫混凝土早期收缩的影响

2.1.1 PS对收缩的影响

PS对泡沫混凝土早期收缩的影响如图1所示。图1中,FC表示泡沫混凝土(foam concrete)空白组。

由图1可知,加入PS后,在第1阶段,收缩有明显增强,这是由于随着减水剂的加入,泡沫混凝土的内聚力不断加大,使得泡沫破裂,导致收缩增大;在第2阶段和第3阶段,PS都起到了很好的抑制膨胀和阻碍收缩的作用;35 h以后,干燥收缩逐渐变成一条斜线,收缩值趋向平稳。试验表明,采用PS可以很大程度上降低泡沫混凝土的水胶比,和普通混凝土收缩规律一样,水胶比大幅减小后,泡沫混凝土的收缩也会减小。同时,PS分子能附着在水泥颗粒表面,产生一种排斥力促使水泥颗粒相互分散,有效地增加混凝土拌合物的和易性和稠度;另外,PS的吸附作用使得泡沫混凝土的内聚力增大,增加泡沫混凝土的黏性,降低泡沫在水泥浆体中移动合并的概率。因此,加入PS能够使材料的胶凝作用充分发挥,同时使得泡沫更好地分散在泡沫混凝土中,有效地提高了泡沫混凝土的均质性,在泡沫混凝土的膨胀阶段和干燥收缩阶段,PS都起到了很好的抑制作用。

图1 PS对泡沫混凝土早期收缩的影响

2.1.2 HPMC对收缩的影响

HPMC对泡沫混凝土早期收缩的影响如图2所示。

图2 HPMC对泡沫混凝土早期收缩的影响

由图2可知,掺入HPMC有效地改善了泡沫混凝土的早期收缩性能。第1阶段,与FC对比,早期泡沫破碎造成泡沫混凝土出现轻微的收缩,而HPMC的加入使泡沫更加稳定,消泡现象明显减少,这表明HPMC具有良好的稳泡作用;20 h后,与FC的收缩也有明显差异,当掺量不超过0.4%时,在每个阶段,收缩值大幅度降低;当掺量达到0.6%时,HPMC对泡沫混凝土收缩的影响不是特别显著。由此可知,HPMC掺量超过一定限度,HPMC抑制干燥收缩的作用就会基本趋向稳定。

HPMC溶入泡沫混凝土浆体后,生成一种黏稠的凝胶,它可以填充水泥颗粒之间微小的空隙,以增加泡沫混凝土的密实性。文献[8]认为,水泥水化反应持续进行时,HPMC能同其水化产物如C-S-H 凝胶反应形成氢键,因此容易包裹在水化产物生成的矿物表面,减少SO42-、Ca2+等离子在孔溶液中的活动性,会有效防止砂浆中水分的挥发,抑制水泥的泌水,使其具有良好的保水及保塑性。在第3阶段干燥收缩过程中,非结合水的散失对收缩值贡献较大,当HPMC溶入泡沫混凝土浆体后,生成的黏稠凝胶迅速填满浆体的孔隙,有效地提高泡沫混凝土的密实性,随后在硬化过程中,泡沫混凝土的密实性阻碍了内部非结合水向外表面扩散,因此,当HPMC掺量提高时,泡沫混凝土的收缩值会随着失水率减小而降低。但是,随着HPMC掺量继续提高,泡沫混凝土的内聚力不再有明显的增加,使得其对收缩变形的影响不大。

2.1.3 RP对收缩的影响

RP对泡沫混凝土早期收缩的影响如图3所示。

图3 RP对泡沫混凝土早期收缩的影响

由图3可知,掺加RP主要影响了泡沫混凝土的干燥收缩阶段。加入RP有效地减小了泡沫混凝土的收缩值,但随着RP掺量的增加,降低速率放缓了,说明超过某一定值,RP的抗收缩效果也将不显著。另外,从强度发展和凝结时间考虑,RP掺量也不宜过多。

试验研究表明,两者一起混合搅拌时,RP能迅速均匀地分散到泡沫混凝土浆体中,通过水化反应,在泡沫混凝土中逐渐形成凝胶体,当水化反应持续进行,RP粘在水泥颗粒物表面,就像形成了一个相对连续的保护层。随着RP掺量进一步提高,形成了足够的保护层抑制泡沫混凝土硬化过程中水分的散失。总之,掺加RP影响了泡沫混凝土干燥收缩阶段的失水率,使得其在第3阶段的收缩明显降低。

2.1.4 SRA对泡沫混凝土早期收缩的影响

SRA对泡沫混凝土早期收缩的影响如图4所示。

图4 SRA对泡沫混凝土早期收缩的影响

由图4可知,与FC相比,掺入SRA有效减少了泡沫混凝土的自收缩和干燥收缩。其中,对干燥收缩的影响是4种外加剂中最显著的,当SRA掺量为1.0%时,35 h的收缩值竟然降低了56%。SRA是一种能够降低溶液表面张力的外加剂,随着SRA掺量增加,孔溶液的表面张力下降,之后趋于稳定,降低毛细管收缩应力,提高了泡沫混凝土的抗收缩能力[9]。另外,SRA造成水泥水化不同程度延迟,抑制早期C2S水化,有利于自收缩减小,同时,Ca(OH)2在溶液中过饱和度增加,早龄期的Ca(OH)2结晶粒较小,造成泡沫混凝土的微膨胀,微膨胀改善了泡沫混凝土的收缩。因此,对于减小泡沫混凝土的干燥收缩值,SRA是一种十分理想的外加剂。

2.1.5 复掺耦合作用对收缩的影响

复掺耦合作用对泡沫混凝土早期收缩的影响如图5所示。

图5 外加剂复掺耦合作用对早期收缩的影响

从图5可以看出,外加剂复掺耦合作用对泡沫混凝土的自收缩影响不是很明显;在膨胀阶段,A9的膨胀最为显著,而A9的RP掺量是最多的,由此可知,RP对泡沫混凝土第2阶段的膨胀影响最大;在第3阶段,A6干燥收缩最为显著,而A4干燥收缩值最低,A4的HPMC和RP掺量分别为0.4%、4%时,其保水性能大大改善,减少了水分散失,导致50 h的收缩值最小。

第1阶段,SRA不起任何稳泡作用,HPMC的稳泡作用最为明显,HPMC融入泡沫混凝土浆体,增加了泡沫的韧性,大大改善了泡沫的破碎现象。第2阶段,泡沫混凝土内部不断膨胀,HPMC和SRA降低了水化反应的速率,膨胀值也相应变小。第3阶段,泡沫混凝土的水分流失是造成干燥收缩的最主要原因,HPMC和SRA有效地减少了泡沫混凝土水分的散失,大大降低了泡沫混凝土的前期收缩。以上试验结果表明,复掺与单掺的结果一致,外加剂组分之间相互耦合、相互依赖、相辅相成,其中A4效果最佳,A6相对最差。

2.2 外加剂对泡沫混凝土早期开裂的影响

2.2.1 外加剂单掺对开裂的影响

泡沫混凝土由于有泡的缘故,其凝结硬化比普通混凝土慢,也就是说泡沫混凝土早期强度发展不快,当外部的拉应力大于内部的抗拉极限应力时,就会导致泡沫混凝土开裂[10]。细微裂缝一旦生成,很快就会从外部向内部发展,给泡沫混凝土强度和耐久性带来致命的损害。本文利用外加剂来减小泡沫混凝土裂缝宽度,延迟裂缝开展的时间,利用水泥环形裂缝测试仪观察裂缝宽度和产生裂缝的时间,以此评判泡沫混凝土的早期抗开裂性能,具体试验结果见表3所列。

表3 外加剂单掺时泡沫混凝土早期开裂的试验结果

由表3可知,HPMC加入泡沫混凝土,减小了开裂宽度,延迟了裂缝开裂时间。掺量在0～0.4%时,开裂时间明显增加,开裂宽度大幅减小,但随着掺量超过0.4%时,开裂时间和开裂宽度的变化不再明显。因此,0.4%的HPMC掺量是比较适当的掺量。当HPMC溶入泡沫混凝土浆体后,生成的黏稠凝胶能迅速填充到浆体孔隙中,增强了泡沫混凝土硬化体的密实性,硬化泡沫混凝土的致密性对其内部水分向外表面扩散起到一定的阻碍作用。当HPMC掺量提高时,泡沫混凝土的内聚力不再有明显的增加,使得其对抗裂性的影响不大。

RP可以减小裂缝宽度,而对其开裂时间没有显著影响。RP掺量在4%时,裂缝宽度相对于FC减小了46%,但继续增加RP用量,对裂缝宽度的抑制作用不明显。

SRA的加入起到了反作用,导致泡沫混凝土的裂缝宽度加大,对开裂时间的影响不是很大。SRA大大减少了水化反应的进行,有效地减少了收缩,然而由于水化反应进行得不完全,导致裂缝宽度加大。因此,SRA不宜过多,掺量在0.5%最为合适。

2.2.2 复掺耦合作用对开裂的影响

复掺耦合作用对泡沫混凝土塑性开裂影响的试验结果如图6所示。

从图6可以看出，A4复掺耦合效果对抗裂性能影响最大，A8复掺耦合效果相对较差，对抗裂性能影响最大的是RP，其次是HPMC。HPMC与RP相辅相成，HPMC可以再分散胶粉，提高泡沫混凝土的拉伸黏结强度，增强其抗裂性能，未反应的RP也附着在水泥颗粒和泡沫表面，协同HPMC形成致密的保护层，增加泡沫混凝土内部的极限抗拉应力。

图6 外加剂复掺耦合作用对开裂的影响

3 结 论

(1) 减缩剂对抑制泡沫混凝土收缩性能影响最为显著而对开裂性能却有负面影响,因此,掺量为0.5%最为合适。

(2) HPMC对泡沫混凝土的早期收缩和塑性开裂都有良好的抑制作用,以掺量0.4%为最佳。

(3) 胶粉对泡沫混凝土的干燥收缩有一定影响,并且对抗裂性能影响最大,掺量为4%时,裂缝宽度减少了46%。

(4) 不同外加剂复掺耦合作用呈现差异性的变化,能够很大程度上影响泡沫混凝土的收缩和塑性开裂,其中A4效果最佳。