络合型功能外加剂改善水泥基材料性能的研究

2018年2月

Journal of Wuhan University of Technology

(Transportation Science & Engineering)

武汉理工大学学报（交通科学与工程版）

Vol. 42 No. 1

Feb. 2018

络合型功能外加剂改善水泥基材料性能的研究

查亚刚余剑英王瑞阳何鹏

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉

430070)

摘要：络合型功能外加剂是一种可赋予混凝土裂缝自修复功能的添加剂.文中研究了络合型外加 剂对水泥基材料的凝结时间、孔隙率、微结构、力学性能，以及裂缝自修复能力的影响.结果表明， 络合型功能外加剂可降低水泥基材料的孔隙率，改善其密实度，明显提高其力学性能，并赋予其优

0.5%的络合型功能外加剂的砂浆的孔隙率降 低了 18.1%,28 d的抗折、抗压强度分别提高了 15. 5%和26. 8%,0.27 mm的裂缝可实现自修复.

良的裂缝自修复能力.与普通砂浆相比，掺加水泥量

关键词：水泥基材料；络合型功能外加剂；力学性能；微观结构；裂缝自修复中图法分类号：

U414. 1 doi：10. 3963/j. issn. 2095-3844. 2018. 01. 029

〇引 言

缝中，然后与未水化水泥或空气中的二氧化碳反 应，生成水化硅酸钙、碳酸钙等产物，填充孔隙和 修复裂缝.本文研究了络合剂功能外加剂对水泥 基材料的凝结时间、微观结构和力学性能的影响， 并采用大板开裂试验，直观评价了其对混凝土宏 观裂缝的自修复效果.

水泥混凝土为多孔脆性非均相材料，在遭受 冻融循环或外力作用时，易形成内部微裂纹和表 面宏观裂缝，使其抗渗性能、耐化学侵蚀和力学性 能严重降低，导致混凝土构筑物的服役寿命缩 短[1].为提高水泥混凝土的性能，各种外加剂已被 广泛使用[2].常用的外加剂主要有减水剂、引气 剂、防冻剂、膨胀剂、防水剂等.这些外加剂虽具有 改善混凝土微观结构和提高其力学性能的作 用[3〃]，但对混凝土的内部微裂纹和宏观裂缝无修 复效果.

近些年来，对混凝土微裂缝具有自修复作用 的功能化学物质已被开发与应用[81°].但这类材 料主要用于制备水泥基防水涂料和抗渗混凝土， 研究工作集中在混凝土的抗渗性和裂缝自愈合方 面，而较少研究其对混凝土水化进程、微观结构和 力学性能的影响.

络合型功能外加剂是笔者研制的一种可赋予 混凝土裂缝自修复性能的添加剂，其作用机理为 络合剂可与混凝土中的钙离子形成可溶性络合 物，该络合物可随水迁移至连通孔隙、微裂纹及裂

收稿日期：

1 试

1.1

原料

验

水泥:P. 042. 5;砂：中砂，含泥量和水量均小 于1% ;络合型功能外加剂（DS):本实验室自制； 拌和用水：自来水.

1. 2

样品制备

GB/T 17671 — 1999《水泥胶砂强度检验方法

(IS 0法）》的规定，将水泥、砂、络合型功能外加剂 mmX 40 mm X 160 mm三联模内，振实成型放置 24 h后脱模，放人标准养护室进行养护.

1.3裂缝预制及自修复试验

按照表1的砂浆配比进行原料准备.按照

和水加人砂浆搅拌机中进行拌和，然后倒人40

参照文献[11]的大板开裂实验方法进行裂缝 预制.采用200 mmX 200 mmX 20 mm的木模，

2017-12-21

查亚刚（1991 一）：男，硕士生，主要研究领域为道路与桥梁工程 国家重点研发计划项目资助（2017YFB0309905)

第1期查亚刚，等：络合型功能外加剂改善水泥基材料性能的研究

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表1砂浆试验配合比

gDS

0. 0

1. 52. 55. 0

样本水泥

500500500500

水

250250250250

砂

1 5001 5001 5001 500

A

BCD

2

2.1

结果分析与讨论

络合型功能外加剂对水泥净浆凝结时间的 影响

模底板为4 cm厚的

XPS保温板.在模底板上插

入三个间距为50 mm的铁片裂缝诱导器，与木模 周边距离为20 mm，铁片高度不超过模框高度， 图1为络合型功能外加剂的掺量对水泥净浆 的初凝和终凝时间的影响曲线.由图1可知，掺加 络合型功能外加剂后，水泥净浆的凝结时间延长. 如掺加0. 3%络合型功能外加剂的水泥净浆的初 距木模中心的上方〇. 8 m处安置一个100 W的

白炽灯.将按表1配合比分别制备的砂浆，沿着木 模的边缘螺旋式向中心进行浇筑，直至砂浆料充

满整个木模；刮平试件表面后打开白炽灯，并开启 电风扇向试件表面连续吹风（风速约为5 m/S)，直 至试件表面产生一定宽度的裂缝，用

PTS-E40综

合测试仪测量初始裂缝.然后，将已产生裂缝的试 件放入养护室养护28 d，测量养护后的裂缝宽度. 1.4性能测试与结构表征 1.4.1凝结时间测试

按水灰比为〇. 35制备水泥净浆，分别掺加水 泥量〇.〇%，0.3%，0.5%，1. 0%的络合型功能外 加剂，按

GB/T1346 — 2001《水泥标准稠度用水

量、凝结时间、安定性检验方法》测试水泥净浆的 初凝和终凝时间.1.4.2力学性能测试

按照文献[11]测试养护至不同龄期后的砂浆 试件抗折抗压强度.1. 4. 3

总孔隙率测试

参照“可蒸发水含量法” [12]测试砂浆的总空 隙率.首先将养护龄期为28 d的砂浆试件浸水至 恒重，再将完全饱水的试件在105 °C烘干（12〜14 h)至恒重，前后的质量差为失水量.总空隙率计

算式为

P = mQPw~ ^^xioo%式中为总空隙率，％;m。为试件饱水后的质 量，g;wn为试件干燥后的质量，g;~为水的密

度，取1 g/cm3 为试件的体积，cm3.

1. 4. 4

微观结构表征

米用某公司发射扫描电子显微镜（SEM)对 砂浆试样进行微观结构表征.将养护28 d的砂浆 试样用乙醇浸泡，然后将已终止水化的砂浆试样 在105 °C烘箱中烘干，经喷Pt处理后采用SEM 观察其微观形貌.

凝和终凝时间分别延长了 121和37 min，掺量为 1. 〇%时，初凝和终凝时间分别延长了 252和233

min，由此可知，络合型功能外加剂掺量较小时，

对初凝时间影响较大，对终凝时间影响较小，而掺 量较大时，对初终凝时间均有较大影响.凝结时间 的延长表明络合型功能外加剂对水泥初期水化进 程有一定的抑制作用，因此使用络合型功能外加 剂时，应注意调节水泥基材料的凝结时间.

图1

络合型功能外加剂掺量对水泥净浆凝结时间的影响

2.2络合型功能外加剂对砂浆力学性能的影响

不同掺量络合型功能外加剂对不同养护龄期 的水泥砂浆试件抗折抗压强度的影响规律见图 2.由图2可知，掺加络合型功能外加剂后，不同龄 期的砂浆抗折抗压强度均有明显的提高.如相比 于普通砂浆A，掺加络合型功能外加剂的砂浆B，C 和

D的28 d抗折强度分别提高了 11. 3%，15. 5%

和7. 0%，抗压强度分别提尚19. 5%，26. 8%和 13. 4%，其中络合型功能外加剂掺量为0. 5%的 砂浆C的抗折抗压强度増加幅度最大.因此，络 合型功能外加剂的适宜掺量为水泥量的〇. 5%.

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2018年第42卷

2.3络合型功能外加剂对砂浆总孔隙率的影响

水泥基材料的孔隙包括细毛细孔、气孔与粗 毛细孔，总孔隙率能直观地反映材料内部的密实 情况.图3为掺加不同量的络合型功能络合剂的 砂浆试件的总孔隙率测试结果.由图3可知，A砂

浆的总孔隙率为17. 1%，B，C和

D砂浆的总孔隙

率分别为15. 3%，14. 0%和15. 5%.与A砂浆相 比，B，C和D砂浆的总孔隙率分别减少了 10. 5%， 18. 1M和9. 4%.这表明络合型功能外加剂明显

减少了砂浆的内部孔隙，对砂浆的微结构有明显 的改善作用，从而有利于提高水泥基材料的力学 性能.络合型功能外加剂掺量对总孔隙率的影响 规律与其对抗折抗压强度的影响规律相一致.

%

6/ 條4鏗 ^2也 、

0

图3络合型功能外加剂对砂浆总孔隙率的影响

2.4络合型功能外加剂对砂浆微观结构的影响

图4为不同络合型功能外加剂掺量的砂浆在 养护28 d后的SEM图.由图4可知，砂浆A内部 孔隙和微裂缝较多，密实度较差，而掺加络合型功 能外加剂的砂浆B，C和

D的孔隙和微裂缝中有

大量针状或纤维状结晶生成，起到了填充孔隙和 堵塞裂缝的作用.这一现象很好地解释了掺加络 合型功能外加剂后，砂浆的总孔隙率明显降低.

图4

掺加络合型功能外加剂的砂浆的SEM图

2.5络合型功能外加剂对砂浆宏观裂缝的自修

复效果

图5〜6分别反映了砂浆A和砂浆C的初始 裂缝在养护28 d后的变化情况.由图5可知，在 砂浆A表面形成的两条宽度分别为0. 15和0. 25

mm的初始裂缝，养护28 d后，裂缝宽度分别为

0. 13和0. 23 mm，变化很小，而掺加络合型功能 外加剂的砂浆C表面形成的两条宽度分别为 0. 18和0. 27 mm的初始裂缝，在养护28 d后，裂

缝已完全愈合，表现出很好的裂缝自修复作用.

b)养护28 d后的裂缝

图5

砂浆A的初始裂缝和养护后的变化情况

b)养护28 d后的裂缝

图6

砂浆C的初始裂缝和养护后的变化情况

3结

论

1)

络合型功能外加剂对水泥水化有一定抑制效果，会延长水泥基材料的凝结时间，但在掺 量少时，影响程度较小.

2)

络合型功能外加剂可明显降低水泥基料的孔隙率，有利于提高水泥基材料的力学性能. 与普通砂浆相比，掺加水泥量0. 5%络合型功能 外加剂的砂浆总孔隙率降低了 18. 1K，28 d的抗 折、抗压强度分别提高了 15. 5%和26. 8%*

3) SEM观察表明在掺加络合型功能外加剂 的砂浆裂缝中生成了大量的针状或纤维状结晶， 砂浆的微观结构得到了很好的改善，

的

材

第

1期

查亚刚，等：络合型功能外加剂改善水泥基材料性能的研究

• 139 •

4)络合型功能外加剂可赋予水泥基材料优 良的裂缝自修复能力.大板开裂试验表明，掺加 0. 5%络合型功能外加剂的砂浆可对宽度达0. 27

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mm的裂缝实现自修复.

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Investigation on Chelating Functional Admixture Improving Properties of Cement-based Materials

ZHA Yagang YU Jianying WANG Ruiyang HE Peng

{State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology ^ Wuhan 430070, China)Abstract：The chelating functional admixture is a kind of additive with self-healing ability to concrete

cracks. The effects of the chelating functional admixture on the setting time, porosity, microstruc­ture ,mechanical property and crack self-healing capability of cement based materials were investiga­tion. The results show that the chelating functional admixture can reduce the porosity of cement base material, improve the compactness and mechanical properties obviously, and make the structure has excellent crack self-healing ability. Compared with the ordinary mortar, the porosity of mortar with 0• 5 % chelating functional admixture of cement dosage is reduced by 18. 1 % , the flexural strength and compressive strength at 28 curing days increased by 15. 5% and 26. 8% respectively, and the cracks of 0. 27 mm can be self-healed.

Key words cement-based material； chelating functional admixture； mechanical property； microstruc­

ture； crack self-healing

：