抗裂水泥对混凝土性能的影响研究

所属分类：建筑论文阅读次时间：2020-03-04 08:14

本文摘要：摘要：为明确抗裂水泥对于现代混凝土的适用性与技术优势，针对抗裂水泥与普通硅酸盐水泥配制的混凝土强度、和易性、抗裂性能等进行了对比研究。试验结果表明，抗裂水泥对减水剂的相容性优于普通水泥，水化热低，在净浆和混凝土中开裂敏感性低，抗裂水泥配制

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　　摘要：为明确抗裂水泥对于现代混凝土的适用性与技术优势，针对抗裂水泥与普通硅酸盐水泥配制的混凝土强度、和易性、抗裂性能等进行了对比研究。试验结果表明，抗裂水泥对减水剂的相容性优于普通水泥，水化热低，在净浆和混凝土中开裂敏感性低，抗裂水泥配制的混凝土和易性良好，强度低于普通水泥混凝土，但均满足各强度等级要求，且有一定的强度保证率，对提升混凝土抗裂性能有利。

　　关键词：抗裂水泥;混凝土;外加剂相容性;开裂敏感性;抗压强度

四川水泥

　　水泥方向论文投稿刊物：《四川水泥》是四川省的建筑类论文期刊，专门报导水泥工业实用技术及经验，杂志1979年成都市创刊发行，内容丰富实用，在1997年获国家建材局的《全国建材优秀科技期刊》奖。

　　0前言

　　目前，我国城市化进程飞速发展，全国各地的混凝土用量大幅增长，在工程和项目不断增长的同时，混凝土的开裂问题层出不穷。混凝土处于硬化阶段的早期开裂是困扰现代混凝土工程界的一个普遍问题。混凝土的开裂容易引致钢筋锈蚀，从而降低钢筋混凝土结构的承载力、耐久性和抗渗性，降低建筑的使用寿命，同时也会影响建筑物的美观。裂缝是导致混凝土结构耐久性和使用寿命降低的主要因素。因此，混凝土的裂缝问题倍受关注。在工程中各种类型混凝土结构的开裂问题尤其是早期开裂非常突出。在众多影响混凝土结构开裂的原因中，水泥无疑是重要因素之一。当前水泥存在的主要问题包括早期强度偏高，细度过细，熟料中C3A和C3S含量偏高，碱含量偏高，这会导致水泥早期收缩增加，水化热增高，开裂敏感性增加[1-4]。

　　针对近代混凝土开裂破坏的原因，MEHTA、NEVILLE和AITCIN等[5-7]认为主要是由于过分追求施工速度从而力求发展早强高强的水泥而造成的，这种水泥的主要特点是C3S含量高和比表面积大[8];美国国家标准局对199种水泥进行了18年以上的调研，通过大量试验发现，碱含量、细度、C3A和C4AF对水泥的抗裂性能有极大影响[9]。现代工程施工的泵送工艺也决定着混凝土的胶凝材料用量更大，水泥用量也相应增大，收缩和水化热会更大，极有可能引起开裂，抗裂技术也更难把握[10-11]。

　　本试验用抗裂型普通硅酸盐水泥(以下简称抗裂水泥)是中国民航机场建设集团中心试验室杨文科等人研发的一种低碱、熟料低C3A含量，控制C3S含量，相应C2S和C4AF含量较高的硅酸盐系列水泥。抗裂水泥是由山西省朔州市水泥厂生产的符合42.5级水泥，2016年首次在北京新机场侯机楼底板使用抗裂水泥便使裂缝减少了70%，受到使用单位的认可。本文针对抗裂水泥和常规普通硅酸盐水泥配制的混凝土性能进行对比研究与分析。

　　1原材料与试验方法

　　1.1原材料性能

　　试验的研究对象是经优化配比的抗裂水泥，对照组为北京某公司生产的P·O42.5级水泥(以下简称普通水泥)。针对普通水泥的一些问题，抗裂水泥主要存在以下几个方面优势：①比表面积相较于普通水泥稍低，延长终凝时间，降低早期强度(3d)，降低碱含量，水泥总碱含量为0.6%;②降低C3S和C3A含量，提高C2S含量，并适当提高MgO含量;③设计合理的混合材掺量，使水泥强度有一个持续、长期地增长。抗裂水泥28d胶砂抗压强度达到47.1MPa，能保证相应工程质量要求的强度等级，选用烧失量低、活性高、需水量比低的活性混合材，以降低其对干缩的不利影响。试验用砂为河北宽城县机制砂，空隙率41%，细度模数2.4，属于Ⅱ区中砂;粗骨料采用公称粒级为5~10mm和10~20mm以3∶7比例组合的石灰岩碎石;减水剂含固量15%，减水率26%，pH值4.5。

　　1.2试验配合比

　　检测抗裂水泥时采用5g水泥与2.5g水在试管中均匀混合，用TONITechnik3314等温差分量热仪测定水化热;减水剂饱和点在0.29水胶比的净浆基础上按0.1%逐步增大减水剂掺量，直至扩展度不再增大或泌水;净浆开裂试验水胶比为0.29，在专用模具中测首次开裂时间、裂缝数量和最大宽度。为了更直观地观察抗裂水泥对胶砂和混凝土各方面的影响。试验组(KL组)所用抗裂水泥为100%替代基准组(P·O组)的普通水泥，其他组分保持不变。进而结合水胶比和砂率以及用水量得出混凝土试验的初步配合比。混凝土试验水胶比采用0.43和0.33，用于成型C35和C50强度等级混凝土，经过混凝土试配，通过调整减水剂的掺量，对混凝土和易性进行调整，得出最终混凝土配合比。混凝土强度和混凝土开裂试验采用相同的配比。

　　1.3试验方法

　　混凝土试验采用100mm×100mm×100mm混凝土试块，依据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行立方体抗压强度试验，按照GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定水泥胶砂的扩展度。依据JC/T1083—2008《水泥与减水剂相容性试验方法》进行水泥的减水剂饱和点研究试验。采用设计的抗裂模具进行混凝土抗裂试验，成型24h后拆掉模具四周的挡板，并开始观察混凝土抗裂试块的开裂情况，试块于室外实际环境下平整的地面存放。在其基础上，可以按比例缩小模具尺寸评价水泥净浆抗裂性能，此外，还可以根据要求改变模具内部的形状和大小，以起到增大应力集中的作用，使同样抗裂性能优异的混凝土得以区分。

　　2试验结果与分析

　　2.1减水剂饱和点的确定

　　为了更好的研究两种水泥与外加剂的相容性，进行了两种水泥的减水剂饱和点试验，普通水泥和抗裂水泥外加剂掺量饱和点分别是1.02%和0.79%，相比于普通水泥，抗裂水泥与减水剂的相容性更好，在达到相同扩展度的情况下，饱和点更低，即在保证最大流动度的同时使用较少的减水剂。

　　2.2水化热

　　为了避免水泥颗粒溶解速率对试验的影响，试验环境温度保持在25℃。早期放热速率的增加是由于水泥和水接触，水泥中的矿物溶解，水泥与水开始反应放出大量的热，诱导期结束的时间与水泥的凝结时间较为一致，由于抗裂水泥中C3S和C3A矿物含量较少，且加速期出现的时间要明显迟于普通水泥，普通水泥组早期放热速率峰值为64.82J/g·h，远远高于抗裂水泥组的42.27J/g·h;3d放热总量抗裂水泥组为258.9J/g，明显低于普通水泥组。抗裂水泥的早期水化过程中放热速率和放热量均低于普通水泥，水化进程较为缓慢。

　　2.3净浆抗裂试验

　　净浆抗裂试验分为普通水泥和抗裂水泥两组，试验观察净浆试块的开裂时间，净浆由于没有骨料抑制收缩的作用，自生收缩和干燥收缩较大，相对于砂浆和混凝土最易开裂，从净浆成型开始，直至模具内某一角出现裂缝的时间即为裂缝出现时间，水泥净浆试块一经开裂，集中部分的应力得以释放，在其他几个应力集中点上并未出现裂缝。由图表可知，普通组净浆的裂缝要早于抗裂组25.5h出现，宽度也明显大于抗裂组;说明在开裂敏感性较大的水泥净浆体系中，抗裂水泥能明显抑制开裂，且开裂时间较晚，宽度较小。

　　2.4抗裂水泥对混凝土抗压强度的影响

　　抗裂水泥的抗压强度在C35和C50强度等级的各个龄期中均低于普通水泥组，这是因为抗裂水泥早期水化不完全，早期强度低，强度增长慢。但值得注意的是，抗裂水泥组28d抗压强度满足C35和C50强度等级要求，C35等级混凝土28d抗压强度高达58.6MPa，普通水泥组强度增长则过快对混凝土抗裂性能不利，易产生大量水化热，在大体积工程中由于温度应力产生裂缝。

　　抗裂水泥代替普通水泥后，在30%粉煤灰和15%矿渣粉的胶凝材料体系中的抗压强度能够满足C35和C50强度等级的要求，且强度增长速度相较于普通水泥更慢，在早龄期强度发展缓慢的情况下，依然能有一定的强度保证率，在60d抗压强度有接近普通水泥组的趋势。这是由于抗裂水泥水化进程缓慢，在粉煤灰和矿渣的二次水化过程中能提供的氢氧化钙较少，抗压强度发展较慢，导致其低于普通水泥组。

　　2.5抗裂水泥对混凝土和易性的影响

　　C35、C50强度等级的抗裂水泥混凝土拌合物坍落度和扩展度均大于普通水泥组，且由于对减水剂相容性更好，能减少减水剂用量，说明抗裂水泥在此种胶凝材料体系下对混凝土和易性有一定改善作用。

　　2.6抗裂水泥对混凝土抗裂性能的影响

　　C35PO组混凝土于40d出现第一条裂缝，C50PO组混凝土于39d出现第一条裂缝，抗裂组混凝土均未发生开裂，裂缝宽度由于过细都无法精准测量，在C35普通水泥混凝土中由于干燥收缩产生一条未贯穿的裂缝，C50普通水泥混凝土在自收缩和干燥收缩共同作用下，使混凝土出现一条贯穿裂缝。所以，代替普通水泥加入混凝土中的抗裂水泥的干燥收缩和自收缩都较低，能有效的发挥抗裂作用。

　　3结论与展望

　　(1)抗裂水泥和普通硅酸盐水泥对比，与减水剂相容性更好，饱和点更低;抗裂水泥的3d水化速率和水化放热均明显低于普通水泥，且立方抗压强度略低于普通水泥混凝土;抗裂水泥能在一定程度上抑制净浆开裂，开裂时间更长，裂缝更细;且能有效得抑制混凝土裂缝的出现，对改善混凝土耐久性有利。

　　(2)抗裂水泥在满足一定和易性和强度等级要求下，可以尝试应用于凝结时间较长、有较低开裂敏感性和开裂风险要求的工程，能在工程发挥其优势，因地制宜得到最好的效果。

　　(3)可以在本试验基础上增加不利于抗裂如高温干燥等条件，在高开裂风险的情况下继续探究抗裂水泥的应用前景。