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2023-11-21
超长结构防裂低收缩混凝土对减缩与防裂的作用机理探究
【摘要】：因此，水化热随之降低，可抑制混凝土裂缝的出现。超长大体积混凝土的配制主要以减少混凝土裂缝为目的。
4.2.2.1 水泥对混凝土防裂作用机理
混凝土的温度应力是由温差引起的，而后者主要是由水化热产生的。因此，为了减小温差，应尽量降低水化热。为了降低水化热，需要采取早期水化热低的水泥。水泥的水化热是矿物成分、水化产物和水泥细度的函数，因此降低水泥水化热的关键是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度。水泥的矿物组成主要有硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）。试验表明，C3A 和C3S含量高的水泥水化热较高。因此，为了减少水泥的水化热，应尽可能降低熟料中C3A 和C3S的含量。在施工中一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。此外，在不影响水泥活性的情况下，要尽量减小水泥的细度。这是由于水泥的细度会影响水化热的放热速率。试验表明，水泥颗粒的比表面积每增加100cm2／g，1d的水化热增加17～21J／g，而7d和20d的水化热增加4～12J／g。
4.2.2.2 掺和料对混凝土防裂作用机理
粉煤灰、矿粉和硅粉等掺合料是超长结构防裂低收缩混凝土不可缺少的组成部分之一。这些掺合料不仅能提高混凝土胶凝材料体系的堆积密实度，而且能够大幅度地降低胶凝材料体系的水化热，从而降低混凝土的绝热温升。这对硬化后混凝土因温度收缩而引起的温度应力具有较大的抑制作用。
粉煤灰和矿粉是最常用的活性掺合料。其中，粉煤灰的微集料效应使得微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充了孔隙和毛细孔，从而改善了混凝土的孔结构。矿粉会迅速吸附在水泥颗粒表面，使得本来可能形成的水泥絮凝结构无法形成，起到了类似减水剂的作用。因此，矿粉能改善超长结构防裂低收缩混凝土硬化后的孔结构和强度，特别对改善混凝土的早期孔结构有一定作用。此外，上述两种掺合料的水化热较低，若以一定比例与水泥组合成胶凝材料体系，既可以减少水泥用量，还可降低胶凝材料体系的水化热和放热速率。
粉煤灰和矿粉等掺合料在水泥浆体系中的水化非常缓慢。在相同的水胶比条件下，用粉煤灰和矿粉等掺合料替代部分水泥相当于提高了早期的有效水灰比。因此，粉煤灰和矿粉等掺合料可降低混凝土内部的早期自干燥速度，显著降低早期自收缩。在后期，粉煤灰和矿粉等掺合料的继续水化使水泥石内部自干燥程度提高，但是此时混凝土已有较高的弹性模量和较低的自徐变系数，因此在相同自干燥程度下产生的自收缩同早期相比有明显的减小。
4.2.2.3 骨料对混凝土体积稳定性的作用机理
骨料对于超长结构防裂低收缩混凝土的力学性能和抗裂性能非常重要。就长期尺寸稳定性而言，通常认为石灰岩的玄武岩优于砂岩或河卵石。在配合比相似时，用花岗岩和卵石骨料的混凝土的强度显著低于用辉绿岩或石灰岩骨料的混凝土。这种差异是由于水泥石与骨料之间的界面区的结构和黏结强度的差异造成的。除骨料的材质外，级配和含泥量对混凝土的体积稳定性也具有明显的影响。骨料粒径越大、级配越好、比表面积越小，每立方米的水泥用量就越小。因此，水化热随之降低，可抑制混凝土裂缝的出现。此外，骨料的含泥量越大，收缩变形会随之增大，导致混凝土开裂。因此，应选用具有良好级配和较低含泥量的骨料。(www.chuimin.cn)
4.2.2.4 聚羧酸外加剂对减少混凝土的收缩作用机理
通常，混凝土的减水效果取决于水泥粒子的分散性和分散稳定性。水泥粒子的分散稳定性又取决于吸附表面活性剂的电斥力和立体效应。传统的减水剂在被水泥颗粒表面吸附后，呈刚性链平卧吸附状态。减水性能主要利用了DLVO 理论，立体效应没有发挥出来，坍落度损失问题无法从根本上解决。聚羧酸系减水剂在水泥颗粒表面上以接枝共聚物的齿型吸附形态达到稳定的分散效果。这种效果主要取决于被吸附聚羧酸分子的静电和立体排斥力作用。
聚羧酸系减水剂化学结构中的羧基、磺酸基负离子提供电斥力。静电排斥力的分散稳定性取决于水泥粒子相互接近时产生的静电排斥力与范德华力之和的粒子间作用势能。聚羧酸系减水剂主链中的活性基团链段通过离子键、共价键、氢键以及范德华力等相互作用，紧紧地吸附于强极性的水泥颗粒表面，并改变其表面电位。带活性基团的侧链嵌挂在主链上，当吸附于固体颗粒表面时，形成具有一定厚度的溶剂化层，同时传递一定的静电斥力。根据DLVO 理论，水泥颗粒表面的Zeta电位大小与水泥颗粒的分散性密切相关。试验表明，在同样掺量条件下，聚羧酸系减水剂的Zeta电位小于萘系减水剂的Zeta电位，但其分散性却好于萘系。
根据Machor熵效应理论，立体效应斥力取决于表面活性剂的结构和吸附形态或者吸附层厚度等。聚羧酸系减水剂对水泥颗粒产生梳状吸附，并且其分子中含有多个醚键。这些醚键形成了亲水性立体保护膜，该保护膜既具有分散性又提供了水泥粒子的分散稳定性。由立体效应理论可推测，其侧链长度越长，分散性越高，形成的立体保护膜厚度就越厚。聚羧酸系减水剂在水泥颗粒表面的吸附量明显高于萘系减水剂，其减水效果优于萘系减水剂。
超长大体积混凝土的配制主要以减少混凝土裂缝为目的。通过对聚羧酸减水剂的减水作用机理研究可以看出，聚羧酸减水剂将静电斥力和空间位阻斥力（图4－3）相结合，能更有效地提高水泥粒子分散性、释放游离水、减少用水量和水泥用量。从而不仅得到了和易性能和坍落度保持性能较好的混凝土拌和物，而且能有效地降低混凝土的干缩，减少混凝土的裂缝。
图4－3 聚羧酸系减水剂的空间位阻效应示意
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