摘 要

混凝土收缩开裂是现代工程经常需要面对的问题，解释混凝土收缩的毛细孔张力学说成为了广泛认可的学说。针对收缩开裂的问题，研究人员提出了一些解决方法，比如添加钢纤维，水泥改性，优化配合比，添加减缩剂等。减缩剂是一个很好的选择，但现有减缩剂存在减缩效果随龄期增长而减弱的问题，且由于减缩剂的价格问题，所有减缩剂没有得到非常广泛的应用。本课题针对减缩剂的这一问题，提出使用吸水树脂制备一种缓释型减缩剂，使减缩剂在混凝土中缓慢释放，保证减缩剂的浓度不会突然降低，使减缩剂不会在后期减缩幅度降低太多，增强了普通减缩剂的性能，减少了混凝土收缩裂缝的产生。同时对减缩剂掺入后混凝土的强度，干燥收缩，自收缩性能进行了研究，确认缓释型减缩剂的可行性。同时提出未来利用偏高岭土层状结构制备缓释型减缩剂的想法，缓释型减缩剂具有很好的研究前景。

关键词：收缩；减缩剂；缓释；高吸水树脂

Abstract

The shrinkage cracking of concrete is a problem that modern engineering often needs to face. The theory of capillary tension has been widely accepted already. Researchers have proposed some solutions to solve the problem of shrinkage cracking, such as adding steel fibers, cement modification, optimization of mixture ratio, adding shrinkage reducing admixture and so on. The shrinkage reducing admixture is a good choice, but the existing shrinkage reducing admixture has a problem that the shrinkage effect decreases with age. And the shrinkage reducing admixture is not used widely because of its price. In this paper, we propose to use Super Absorbent Polymer to prepare a kind of slow-release shrinkage reducing admixture to solve this problem. The slow release of shrinkage reducing admixture in concrete makes sure that the concentration of shrinkage reducing admixture will not decrease suddenly so that it’s effect will not decrease too much as the age grows. This way can enhance the performance of ordinary shrinkage reducing admixture and reducing the occurrence of concrete cracking. At the same time, the strength, drying shrinkage, and self-shrinkage after adding shrinkage reducing admixture are studied to ensure the feasibility of slow-release shrinkage reducing admixture. This paper also proposes to use the layered structure of metakaolin to prepare shrinkage reducing admixture in the future. The slow-release shrinkage reducing admixture has a very good research prospect.

Key words: Shrinkage; Shrinkage reducing admixture; Slow-release; Super Absorbent Polymer

目录

第1章 绪论 1

1.1混凝土的收缩 1

1.2收缩机理 1

1.2.1水分变化引起的收缩 1

1.2.2化学反应引起的收缩 3

1.3减缩剂的研究历史和现状 5

1.4其他减缩方法 5

1.5研究目的和意义 6

第2章 原材料及实验方法 7

2.1原料 7

2.1.1水泥 7

2.1.2减缩剂 7

2.1.3其他材料 7

2.2试验用主要仪器设备 8

2.2.1成型仪器 8

2.2.2测试仪器 8

2.3实验方法 8

2.3.1测量高吸水树脂在不同溶液中的吸液能力 8

2.3.2混凝土试块成型及养护 9

2.3.3抗压强度测试 10

2.3.4自收缩测试 10

2.3.5干燥收缩测试 10

第3章 减缩剂作用机理 10

第4章 实验结果和分析 11

4.1抗压强度测试 11

4.2干燥收缩测试 12

4.3自收缩测试 12

第5章 结论和展望 12

5.1结论 12

5.2展望 12

第1章 绪论

1.1混凝土的收缩

混凝土是现代工程中必不可少的材料，针对其的研究也越来越深入，然而混凝土收缩开裂的问题却一直困扰着工程应用，同时收缩开裂也是一个非常普遍的问题。混凝土的收缩幅度虽然不大，但是造成的危害很严重，收缩会产生裂缝，降低了混凝土的结构强度，降低使用寿命，同时还会影响美观^[1]。同时，裂缝会为水和空气提供进入的通道，造成混凝土中钢筋的锈蚀。在一些寒冷地区比如我国北方以及青藏高原等地区，容易发生冻融循环。这些都会给工程造成影响，使结构发生破坏，降低建筑的使用寿命，造成经济的损失。这个问题的普遍性以及严重性决定了需要投入更多的研究来探究更好的解决办法。

收缩的主要类型有：干燥收缩，自收缩，塑性收缩，碳化收缩，热收缩等^[2]。干燥收缩是混凝土失去内部毛细孔和凝胶孔内的吸附水而造成的收缩；自收缩是在水泥水化过程中在密封条件下，混凝土由于没有外界水进入而造成的收缩；塑性收缩是由于混凝土与外界没有水分交换，以及混凝土内部的化学反应和结构变化，从而造成收缩；碳化收缩是因为碳化作用造成内部游离水蒸发，导致混凝土收缩，称为碳化收缩^[3]；热收缩是指混凝土内部组分分子间距离随温度变化而产生的体积收缩。

1.2收缩机理

1.2.1水分变化引起的收缩

（1）毛细孔张力学说（Capillary tension）

其中最为普遍并且危害最显著的就是干燥收缩所产生的裂缝。造成干燥收缩的主要原因是水分的变化，目前最广泛应用的机理解释为毛细孔张力学说（Capillary Tension）^[4]，这个学说由Freyssinet提出，该学说可以用Laplace公式来表示：

Pc=

式中Pc——毛细孔负压；

——液体表面张力；

——弯液面曲率半径；

——孔溶液与毛细孔壁的接触角

随着水分的减少，弯液面的曲率半径减小，式中的毛细孔负压Pc增大，即对毛细管壁的应力增大，在宏观上即表现为混凝土的收缩。

（2）分离压力机理（Disjoining pressure）

夹层水的重入引起CSH颗粒层之间的斥力。然而，通过层间水的吸附，不仅产生排斥力。固体层间的范德华引力也减小，即导致凝聚力降低。净表面斥力和引力损失通常称为分离压力，有时称为膨胀压力。分离压力的改变导致体积改变，即收缩。在毛细管压力的作用下可以产生额外的分离压力。分离压力由保持CHS颗粒之间一定距离的水分子之间的斥力产生。

（3）层间水移动机理（Movement of interlayer water）

水泥凝胶的C-S-H颗粒由具有大电荷表面积的层状片构成。这些形成层状微结构的颗粒在界面处吸引高度极化的水分子，直到几个单层分开。这种水进入和离开层状C-S-H颗粒结构的运动将影响层之间的间隔，从而以这种方式引起体积变化^[5]。层间水的退出和再进入引起长度变化ΔL。 大多数研究人员将相对湿度低于35-40％的收缩归因于这种机制。

（4）表面张力机理（Surface tension）

液体中相邻分子之间的作用力各向平衡，并且液体中压力是均匀的。相反，在液体的表面，表面分子和内部分子之间的相互作用力不被来自相外部的力平衡^[5]。平衡状态需要一个等值但是反向的补偿力施加到分子表面层。这个力就是液体的表面张力，着导致表面趋于收缩并且表现似拉伸的弹性皮肤。表面张力在材料内部产生压缩应力。在胶体尺寸的颗粒中，例如具有大比表面积的水泥凝胶颗粒，表面张力引起250MPa的巨大压缩应力。这种级别应力的变化将引起明显的体积变化。胶体系统的表面张力甚至是表面能可以通过气体或蒸气的吸附而改变。

水泥浆的体积变化和含水量相关，相对湿度不同的情况下，对应的机理可能也不同。相对湿度和饱和度有关，吸附水和蒸汽压之间存在平衡，相对湿度变化时，平衡被打破，就会导致蒸发或者冷凝。所以对于收缩可以用不同的机理解释，在不同的湿度范围往往用来解释的机理是不同的。大多数研究者将相对湿度高于40％的收缩归因于毛细管张力，在相对湿度低于35％时的体积变化归因于层间水的移动，大多数研究人员认为表面能的变化是在相对湿度40％以下收缩的原因。这些机理还存在部分争议，但是都和水分的变化有着密切的关系。

1.2.2化学反应引起的收缩

实际上所有的水泥浆料性质都取决于水泥水化，水泥水化是一个放热过程。由于化学反应引起的温度变化产生体积变化，并且由于反应物的体积通常与反应产物体积不同，所以化学反应是水泥浆体积变化的不可忽视的来源。其中一些主要的机制包括水化收缩、热收缩、相变收缩、碳化收缩、结晶膨胀、脱水收缩等。

（1）水化收缩

几乎所有化学反应进行的同时都会带来体积的变化。构成波特兰水泥的矿物主要是硅酸三钙（C₃S），硅酸二钙（C₂S），硅藻土（C₄AF）和铝酸三钙（C₃A），与水反应形成水硅钙石，硬硅钙石，水化硅酸钙，水合硅酸钙，斜方硅钙石，纤硅钙石，泉石华，白钙沸石，水铝矿，水铝钙石^[5]。还有一些其他矿物质形成水泥凝胶。水泥水化不是单一的化学反应，而是一系列复杂的反应，每个反应都有自己的体积计量。

就水化作用而言，两种硅酸钙最可能在相同的产品中：硅酸钙水合物（具有不确定和可变的化学计量组成，缩写形式为C-S-H）和氢氧化钙[Ca(OH)₂] 。C₃A在硫酸钙和水的存在下反应形成钙矾石（C₃A·CaSO4·12H₂O），最后形成稳定的铝酸钙水合物（C₃AH₆）。 C₄AF与硫酸钙的反应比C₃A的反应进行得更慢，形成C₃AH₆和C₃FH₆。

如果干水泥的体积C与作为非蒸发性水（即几乎是化学结合）的W 体积的水反应，则水合产物的所得体积P总是为P lt;C W。水泥水化过程中毛细孔中的自由水变成水化产物中的一部分，材料水化前后的密度发生了改变。水化收缩不是因为材料中的水向外散发而造成的，而是水化过程消耗了水，造成内部毛细孔水的损失，降低了相对湿度，从而造成了收缩。最终的化学收缩不仅取决于水泥类型，而且取决于水泥含量和水化程度。

（2）热收缩

水泥水化是一个放热过程，波特兰水泥矿物成分复杂，每种矿物都可以和水发生好几种反应，且化学反应释放的热量是不同的，所以水化的比热取决于水泥的矿物组成。在水泥水化的过程中可以观察到热膨胀的现象，水化所产生的热量不仅取决于水泥的成分和含量，还取决于混凝土构件的尺寸和形状。大块试样的热变形比较明显，随着水化速率下降，温度降低，混凝土发生热收缩，而这个阶段混凝土具有硬质微观结构，所以热收缩会造成严重的开裂。

热收缩随时间，温度变化而变化的影响因素有：

1. 水泥里面四种主要化合物的比例
2. 水泥的比表面积
3. 混凝土的初始温度
4. 水化过程中环境的温度
5. 混凝土样品的质量和形状（最终控制热流散到外部）

另外混凝土的热收缩的最终值也取决于热膨胀系数，相应的也就取决于养护条件和水分含量。