摘要：研究了三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉及糖鈣對硫鋁酸鹽型膨脹劑效能的影響。結果表明：緩凝劑和硫鋁酸鹽型膨脹劑復合使用時，會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，復合使用緩凝劑會降低硫鋁酸鹽型膨脹劑對混凝土的補償收縮作用或產生的自應力，故緩凝劑與膨脹劑復合使用時，要想達到單摻膨脹劑時的膨脹效果，需適當加大膨脹劑的用量。
關鍵詞：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：TU528.042 文獻標識碼：B 文章編號：1001- 702X（2006）11- 0056- 04
0 前言
膨脹劑在工程中主要應用于補償收縮混凝土和自應力混凝土，人們在配制混凝土時，經常將膨脹劑與其它外加劑復合使用，這些外加劑多含有緩凝劑組分，而緩凝劑對膨脹劑效能的影響至今很少有人進行研究。有鑒于此，本文就三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉及糖鈣等3 種緩凝劑對硫鋁酸鹽型膨脹劑的強度、自由膨脹率及限制膨脹率的影響進行了較為系統(tǒng)的研究，得到了緩凝劑對硫鋁酸鹽型膨脹劑膨脹率的影響規(guī)律。
結合膨脹指數(shù)，分析、討論了緩凝劑對膨脹劑的有效膨脹能的影響情況及作用機理。本文研究結果對進一步認識緩凝劑與膨脹劑復合使用對補償收縮混凝土和自應力混凝土性能的影響具有一定的指導作用。
1 原材料及試驗方法
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；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；砂：采用JC 476—2001 中規(guī)定的標準砂；水：自來水；膨脹劑：HS- HEA 硫鋁酸鹽型膨脹劑，陜西恒升外加劑公司生產，依據JC 476—2001 標準，該膨脹劑按10%摻量等量取代水泥的性能指標見表1。
1.2 試驗方法
限制膨脹率試驗是在試模內放入由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 內測量初始長度，測量完初始長度的試件立即放入溫度為（20±3）℃，相對濕度90%以上的標準養(yǎng)護室水中養(yǎng)護（簡稱水養(yǎng)），測量水養(yǎng)7 d 的試塊長度，將一組試塊繼續(xù)留在水中養(yǎng)護，另一組試塊放入溫度為（20±3）℃，相對濕度（60±5）%（標養(yǎng)）的養(yǎng)護箱養(yǎng)護，分別測量各齡期試塊長度，并計算膨脹率。膨脹水泥膠砂強度測定按GB/T 17671《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》進行。
2 試驗結果與分析
2.1 緩凝劑對強度的影響
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，試件各齡期的強度見表2。
由表2 可見，在試驗摻量范圍內，三聚磷酸鈉和葡萄糖酸鈉會降低摻膨脹劑砂漿的3 d 抗折強度，但對3 d 抗壓強度及7 d 抗折、抗壓強度影響較??；三聚磷酸鈉摻量大時會降低摻膨脹劑砂漿的28 d 強度。葡萄糖酸鈉對砂漿28 d 的強度影響不大。糖鈣摻量較小時，會提高摻膨脹劑砂漿早期及后期強度，但摻量較大時，對早期強度降低幅度明顯。試驗結果還表明：緩凝劑品種、摻量不同，對早期水泥水化和硫鋁酸鹽型膨脹劑水化反應都有不同程度影響，從而影響了混凝土強度和膨脹的發(fā)展。由于強度的增長應與膨脹的發(fā)揮同步協(xié)調進行，才會使膨脹混凝土較充分地發(fā)揮其膨脹密實的特性。因此，實際工程應用中應注意膨脹劑與緩凝劑的匹配使用，對緩凝劑品種及摻量的選用應慎重，避免由于緩凝劑品種或摻量選用不當造成混凝土后期強度的降低。
應注意的是，摻入0.10%、0.20%糖鈣緩凝劑的試樣3 d抗壓強度提高，而0.30%摻量的試樣強度降低；摻入緩凝劑后期抗壓強度均有大幅度提高。這主要是因為糖鈣不僅具有較強的緩凝作用，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，強度提高。但摻量過大較強的緩凝作用則會導致過度緩凝而降低早期強度。
2.2 緩凝劑對自由膨脹率的影響
選用10%的HS- HEA 硫鋁酸鹽型膨脹劑等量取代水泥，保持基準配比不變，分別研究了三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉及糖鈣對膨脹劑自由膨脹率的影響，試驗結果如圖1～圖3 所示。
圖1 及圖2 結果表明，與單摻膨脹劑的基準試件相比，復摻無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配筋、無外部約束條件下，生成的鈣礬石首先貢獻于強度及補償化學收縮，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，糖鈣緩凝劑對膨脹劑自由膨脹率的影響不同于前面2 種緩凝劑的結果，當糖鈣摻量較小時，復摻緩凝劑的3 d 自由膨脹率大于單摻膨脹劑的基準自由膨脹率，但7 d 后的自由膨脹率卻低于基準自由膨脹率，這可能是因為糖鈣具有緩凝和減水雙重作用，減水作用使得砂漿的勻質性和水泥的有效利用率提高，再加上生成的鈣礬石對強度的貢獻作用，從而使3 d 后的強度增長速率加快，自由膨脹率發(fā)展受到限制，增長速率趨于平緩，7 d 時已經低于基準試件。但當糖鈣摻量為0.3%時，復摻緩凝劑的自由膨脹率卻遠大于單摻膨脹劑的自由膨脹率，這可能是由于糖鈣摻量過大，過度緩凝抑制了1 d 水泥水化及鈣礬石的生成，使得1 d 齡期時膨脹劑尚無法發(fā)揮其膨脹作用，致使1 d 拆模后測得的砂漿試件初始長度值較小，而3 d 后膨脹劑能正常發(fā)揮其膨脹作用，測得的砂漿試件長度與初始長度的差值較大，較大的長度差值除以較小的初始長度值所得的自由膨脹率就偏大。
從以上自由膨脹率的發(fā)展和強度的關系可以看出，補償收縮混凝土中，強度與膨脹協(xié)調發(fā)展是非常重要的。早期強度過高會抑制混凝土膨脹的發(fā)展，導致混凝土膨脹不足，難以補償后期收縮。早期強度過低則會導致很多的膨脹變?yōu)闊o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合使用時，應確定緩凝劑種類以及所需緩凝時間，使緩凝后的水泥水化速度和膨脹劑的水化速度相協(xié)調，保證強度和膨脹同步協(xié)調進行。
2.3 緩凝劑對限制膨脹率的影響
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膨脹劑限制膨脹率的影響，試驗結果如圖4～圖6 所示。
圖4～圖6 表明，與單摻膨脹劑相比，復摻三聚磷酸鈉、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，凝結時間延長，使水化早期生成的鈣礬石的部分膨脹能在流動、遷移并壓縮孔隙的過程中消耗在砂漿的塑性階段；另外對強度的貢獻作用及補償化學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填充水泥石內部孔隙，使結構更加致密化，從而減少了作為體積膨脹的膨脹能，這一點對摻入糖鈣緩凝減水劑后表現(xiàn)得特別明顯。因為加入緩凝劑會不同程度地影響水泥水化初期水化產物Ca（OH）2 的生成[3]，而HS- HEA 硫鋁酸鹽型膨脹劑的膨脹機理又是在堿介質中結合大量水生成鈣礬石的, 所以鈣礬石的形成速度會受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對鈣礬石的生成產生一定的影響，即表現(xiàn)為膨脹率的發(fā)展規(guī)律與基準試件的略有不同，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。當延緩后的水泥水化速度與鈣礬石的生成速度相協(xié)調時，限制膨脹率能得到較好的發(fā)展。
2.4 緩凝劑對膨脹指數(shù)的影響
膨脹能是指摻有膨脹劑的膠凝材料在水化過程中產生的化學能，在檢驗混凝土膨脹時，由于采用標準限制儀，所以可用限制膨脹率來體現(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，還要使限制物產生變形或移位。通常采用下式所示的膨脹指數(shù)ζ來描述有效膨脹能的利用率大小及評價膨脹劑的效果。
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較大，無效膨脹率相對較小，說明膨脹劑能產生較大的有效膨脹能，膨脹劑的膨脹與強度的增長速度協(xié)調性好；反之，無效膨脹率相對較大，說明膨脹劑能產生的有效膨脹能小，膨脹劑的膨脹與強度的增長速度協(xié)調性差[5]。膨脹砂漿中摻入3 種緩凝劑后，水養(yǎng)和標養(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)護條件下28 d的膨脹指數(shù)均有所增大，說明摻入緩凝劑后降低了膨脹砂漿的有效膨脹率，增大了無效膨脹率，因而有效膨脹能的利用降低了。因此，緩凝劑與膨脹劑復合使用時，要想達到單摻膨脹劑時的膨脹效果，需適當加大膨脹劑的用量。由表3 還可看出，每種緩凝劑中都有一摻量對應2 種養(yǎng)護條件下28 d 膨脹指數(shù)都較低，并結合表2 可知，膨脹指數(shù)較低的摻量對應的28 d 強度均較高，說明該摻量下，混凝土的膨脹和強度發(fā)展相互協(xié)調較好。
3 結論
（1）在試驗摻量范圍內，三聚磷酸鈉和葡萄糖酸鈉會降低摻膨脹劑砂漿的3 d 抗折強度，但對3 d 抗壓強度及7 d 抗折、抗壓強度影響較??；三聚磷酸鈉摻量大時會降低摻膨脹劑砂漿的28 d 強度，但在試驗摻量范圍內復摻葡萄糖酸鈉對摻膨脹劑砂漿28 d 強度影響不大。糖鈣摻量較小時，會提高摻膨脹劑砂漿早期及后期強度，但摻量較大時，對早期強度降低幅度明顯。
（2）與單摻膨脹劑的基準試件相比，復摻無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。對于復摻具有減水作用的糖鈣緩凝劑，當摻量較小時，復摻緩凝劑的3 d 自由膨脹率大于單摻膨脹劑的基準自由膨脹率，但7 d 后的自由膨脹率卻低于基準自由膨脹率，但當糖鈣摻量為0.3%時，復摻緩凝劑的自由膨脹率卻遠大于單摻膨脹劑的自由膨脹率。
?。?）與單摻膨脹劑相比，復摻三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉和糖鈣均降低了膨脹劑的限制膨脹率。
?。?）緩凝劑與膨脹劑復合使用會導致膨脹劑的膨脹指數(shù)增大，有效膨脹能利用率降低，不利于混凝土的補償收縮和膨脹的發(fā)展。
參考文獻:
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