硫酸钠掺量对混凝土早期收缩开裂的影响(上)

摘　要：研究了分别掺加占胶结料质量分数1 % ，2 %的硫酸钠对混凝土早期收缩开裂的影响。用非接触式混凝土收缩测量仪及板式混凝土开裂架进行实验。用电子显微镜对硫酸钠混凝土试件早期亚微观结构进行较为直观的研究分析。结果表明:硫酸钠对混凝土早期收缩开裂在不同孔径中的作用不尽相同。硫酸钠对混凝土早期收缩的影响与水胶比及硫酸钠的掺量有一定的关系。硫酸钠掺量相同情况下，水胶比较小混凝土早期收缩值较大；在相同水胶比情况下，硫酸钠掺量较大混凝土早期收缩值较小。硫酸钠对混凝土早期开裂的影响与养护方式相关，空气中养护与密封条件下养护这2 种养护制度相比，在空气中养护混凝土表面出现裂纹的时间较早，裂纹较宽且较多。在这2 种养护制度下，水分蒸发速度的不同决定了硫酸钠结晶初始深度的不同，是硫酸钠对混凝土早期开裂的主要影响机理。

关键词： 硫酸钠；收缩；开裂； 养护方式； 机理

 

 

Abstract : Effect of sodium sulfate, with a dosage of 1 % and 2 %(in mass) to blender respectively, on autogenous shrinkage and cracking of fresh concrete were investigated. Non contact concrete shrinkage measuring apparatus and plate type concrete cracking frame were adopted inthis experiment.Microstructures of concrete,  into which sodium sulfate was mixed, were studied intuitively by scanning electron microscope.

Results show that the mechanism of sodium sulfate in pore with different pore sizes on autogenous shrinkage and cracking of fresh concrete arenot uniform. Effect of sodium sulfate on shrinkage of concrete at early age correlates with the dosages of sodium sulfate as well as water/ blenderratios. In the case of same sodium sulfate dosages, when the water/ blender ratio is smaller the value of shrinkage at early age is bigger ；while in the case of same water/ blender ratio when the dosage of sodium sulfate is larger the shrinkage is smaller. Influence of sodium sulfate on the cracking of concrete correlate with different curing styles. Cracks at the surface of concretes cured in the air environments occurred earlier, wider and more than that cured in a sealed environment. Under this two curing styles the initial depth of crystals of sodium sulfate depends on the different rates of water evaporation, which is the main effect mechanism of sodium sulfate on cracking of concrete.

Key words : sodium sulfate ； shrinkage ； cracking ； curing style ； mechanism

 

      东北地区秋冬时期天气寒冷，很多商品混凝土搅拌站和现场搅拌施工中，在混凝土中都掺加了早强剂。硫酸盐及含硫酸盐的复合早强剂的应用较为广泛，而硫酸盐在水泥水化初期，参与水泥的水化反应，生成的大量难溶性复盐形成骨架，起到早强作用；但也由于生成大量硫铝酸盐产生体积膨胀及盐类结晶，使混凝土表面及内部产生大量微裂缝。文献[1～3 ]报道了硫酸盐对混凝土性能的影响，但对新拌混凝土的早期收缩开裂尚无相关报道。通过实验，主要研究了硫酸钠成分对混凝土早期收缩开裂的影响及其机理。

 

1 　原材料与混凝土配合比

      用牡丹江水泥厂生产的P·O42. 5 普硅水泥(PC) 。用细度模数2. 7～2. 8 的细集料，含泥量为1.4 %颗粒级配良好的天然河砂(S) 。用质地坚硬、表面粗糙的辉绿岩碎石粗集料( G) ， d = 5～10 mm ，连续级配。用呼兰发电厂第三静电除尘Ⅰ级粉煤灰(FA) 。用Elkem Carbon 公司生产的硅灰( SF) ， 其SiO2质量分数(下同) 为93. 27 % ，比表面积> 1. 9 ×10⁵cm²/ g。用莱芜化工有限公司生产的萘系FDN 高效减水剂和Micro2Air202 型引气剂(MA202) 。用上海Master 公司生产的缓凝剂(Delvo) ，推荐掺量为胶凝材用量的0. 005 %～0. 03 % ，缓凝时间可达6～72 h。工业硫酸钠Na₂SO₄·10H₂O (N) 及自来水(w) 。

 

      水泥用量为416 kg/ m³ 与304 kg/ m³ 、水胶比m (w) / m (b) 为0. 34 与0. 43 的3 组基准混凝土(A0 ，B0 ，D0) 。掺硫酸钠的混凝土分别以这3 组配合比为基准，掺量分别为胶结料的1 %与2 %。表1 给出了基准混凝土配合比及其参数。

 

Table1 　Mix proportions of concrete Mixture

 

2 　实　　验

2. 1 　混凝土早期收缩

      自行研制的一种新型非接触感应式混凝土收缩测量仪的工作原理如图1 所示。混凝土试件的尺寸为100 mm ×100 mm ×400 mm。试模的短向板留有伸出测头的φ20 mm 孔。实验前将微位移传感器与测头间距调整在1 mm 左右，整个实验过程中不再调整，传感器能直接反映出传感器端头与测头间的距离，其精度高达0. 1μm。

图1 　混凝土收缩测量原理示意图

Fig. 1 　Measuring principle representation of concrete shrinkage

 

 

2. 2 　混凝土早期开裂

      模拟混凝土在四边全约束状态下的早期开裂情况，设计使用了内边尺寸为600 mm ×600 mm ×63 mm的钢制方形模具，模具的四边同时分别装配14 个φ10 mm ×100 mm的螺纹钢柱，使其起到约束作用，具体如图2 所示。专门观察裂缝的50 倍读数放大镜对混凝土板的开裂情况进行跟踪观测。开始每隔5 min 观察1 次，当发现有裂纹产生时变为每10 min 观察1 次，发现裂缝贯穿混凝土表面时开始每30 min 观察1 次，对试件观察到3 d 龄期为止。主要记录每个混凝土板开始出现裂缝的时间，裂缝数量、长度、宽度随时间的变化等。

图2 　裂缝测量装置

Fig. 2 　Cracks measuring tester

 

2. 3 　微观结构分析

      用英国Cambridge 公司生产的S 240 型电子显微镜，其工作电压为20 kV ，样品需进行真空镀膜处理。

 

3 　结果与分析

3. 1 　硫酸钠对混凝土早期收缩的影响

      由图3 可知: A0 ， A1 ， A2的自生收缩主要发生在1 d 之内， 早期收缩值占总收缩值的50 %左右[4 ] 。混凝土中硫酸钠掺量较大自生收缩较小， 且在6～10 h 内出现膨胀现象。因水胶比较低， 产生盐类结晶膨胀， 同时硫酸钠也参加了化学反应生成硫铝酸盐产生体积膨胀。混凝土在测量开始的6～10 h 内自收缩发展特别快， 到1 d 龄期后自收缩速率逐渐减缓。

 

图3 　硫酸钠掺量对A 组混凝土自生收缩的影响