混凝土新型尿素-減縮劑耦合作用機(jī)理與研發(fā)

牛艷飛，劉玲玲

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生難以完全防止?；炷两Y(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的裂縫會(huì)對(duì)耐久性能產(chǎn)生不利影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究資料，混凝土收縮變形引起的變形裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的主要原因，約占全部裂縫的80%，荷載引起的裂縫約占20%［1］。其中，干燥收縮引起的裂縫引起了廣泛關(guān)注，迄今為止已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究［2］。部分研究技術(shù)成果已經(jīng)投入實(shí)際工程應(yīng)用，其中一種有效的方法是使用各種摻合料，以減少干燥收縮。在以往的研究成果［3-7］中，以下幾種有效方法可降低混凝土干縮：①摻入膨脹材料；②使用干燥減縮混合料；③使用礦粉；④摻入纖維。

然而，在混凝土攪拌站中使用摻合料會(huì)導(dǎo)致設(shè)備成本和勞動(dòng)力成本的增加，還會(huì)因材料數(shù)量的增加帶來(lái)管理問(wèn)題。因此，限制了使用摻合料來(lái)減少干燥收縮這種方法的普及。

在過(guò)去的研究結(jié)果中，據(jù)報(bào)道，當(dāng)尿素作為混凝土摻合料使用量為50 kg∕m3時(shí)，干燥收縮降低約60%［8］。然而，混凝土的干燥主要發(fā)生在混凝土的表層部分，混凝土內(nèi)部保持相對(duì)濕潤(rùn)狀態(tài)。為了抑制干燥收縮，在整個(gè)混凝土中使用摻合料的方法有著材料利用率低的缺點(diǎn)。因此，僅對(duì)發(fā)生干燥收縮的表層部分使用具有減縮效果的材料才更為合理有效。

考慮到上述情況，本研究開(kāi)發(fā)了一種廉價(jià)且易于降低干燥收縮的方法，使用尿素溶液涂抹在混凝土表面來(lái)減少干燥收縮。在過(guò)去的研究中，根據(jù)砂漿試塊硬化脫模后干燥收縮測(cè)量結(jié)果，證實(shí)尿素溶液對(duì)砂漿具有減縮效果和抗壓強(qiáng)度提高效果［9］。因此，本研究旨在確認(rèn)尿素溶液是否對(duì)混凝土試塊同樣具有減縮效果和強(qiáng)度提高效果。本研究初步探索尿素溶液涂抹混凝土表層改善收縮性能。然而，針對(duì)長(zhǎng)期涂抹尿素溶液混凝土表層，其長(zhǎng)期耐久性問(wèn)題值得探索。

1 試驗(yàn)方案

混凝土的設(shè)計(jì)配合比如表1所示。坍落度目標(biāo)值為8.0±2.0 cm，含氣量目標(biāo)值為4.5%±1.5%。

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete Mix Ratio

本研究中的試驗(yàn)條件如表2 所示，每個(gè)試驗(yàn)的步驟如下所述：

表2 試驗(yàn)條件Tab.2 Test Conditions

⑴收縮試驗(yàn)：混凝土試塊成型后第1 d（從混凝土攪拌加水時(shí)算起）拆掉模具，移至恒溫恒濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，并立即測(cè)定其初始長(zhǎng)度。在第4 d 齡期時(shí)將試塊浸泡于尿素溶液或用尿素溶液對(duì)試塊表面進(jìn)行刷涂，并在浸泡或刷涂前后測(cè)試其長(zhǎng)度。此后按照規(guī)定齡期測(cè)試其長(zhǎng)度。

⑵抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：混凝土試塊成型后第1 d（從混凝土攪拌加水時(shí)算起）拆掉模具，移至恒溫恒濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。在第4 d 齡期時(shí)將試塊浸泡于尿素溶液，然后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，按照規(guī)定齡期測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。

本研究中尿素溶液的浸泡和刷涂方法如下所述：

⑴本研究采用自來(lái)水、50%濃度的尿素溶液（尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%）作為浸泡液。然而，僅在收縮試驗(yàn)中進(jìn)行自來(lái)水浸泡，用于對(duì)比試驗(yàn)。

⑵為了模擬在實(shí)際工程中的應(yīng)用，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行刷涂，在20±3 ℃、相對(duì)濕度為60%±5%的恒溫室內(nèi)養(yǎng)護(hù)3 d后，將混凝土試塊浸泡在不同的溶液中。浸泡時(shí)間分為1 min、10 min和30 min。

⑶ 為了檢驗(yàn)?zāi)蛩厝芤核⑼繉?duì)混凝土的減縮效果，使用寬度為70 mm 的毛刷，每30 min 向硬化后的混凝土試塊的整個(gè)表面刷涂36 g 尿素溶液，刷涂次數(shù)分別為3、6和9次。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

混凝土試塊浸泡于濃度50%的尿素溶液之后的抗壓強(qiáng)度如圖1 所示?？梢钥闯觯c未經(jīng)處理的試塊相比，在尿素溶液中浸泡過(guò)的試塊強(qiáng)度有所增加。這一結(jié)果有兩個(gè)可能的原因：①尿素溶液從試塊表面的空隙進(jìn)到混凝土表層的空隙，隨著水分的蒸發(fā)，溶液中的尿素結(jié)晶析出，填充了混凝土結(jié)構(gòu)的表層空隙，結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力抵消了部分收縮應(yīng)力，干燥收縮減小；②尿素的保水效應(yīng)可以有效抑制水分的蒸發(fā)，有利于混凝土保持濕潤(rùn)狀態(tài)，從而一定程度上提高了抗壓強(qiáng)度。

此外，抗壓強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。這是因?yàn)闀r(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)入混凝土內(nèi)部的尿素溶液就越多。然后，更多的尿素在干燥失水后結(jié)晶析出，留在混凝土表層孔隙中。

圖1的結(jié)果確認(rèn)了尿素溶液對(duì)混凝土試塊同樣具有強(qiáng)度提高效果。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive Strength of Concrete

混凝土試塊在尿素溶液中浸泡之后的干燥收縮試驗(yàn)結(jié)果［3］如圖2?所示。當(dāng)尿素溶液的浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，減縮效果越大。與抗壓強(qiáng)度一樣，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)入混凝土內(nèi)部的尿素溶液量越多，更多尿素在干燥后殘留并結(jié)晶，減縮效果更好。

用尿素溶液刷涂混凝土試塊之后的干燥收縮試驗(yàn)結(jié)果如圖2?所示，刷涂法的減縮效果與浸泡法基本相同。隨著刷涂次數(shù)的增加，減縮效果也隨之增加。

圖2的結(jié)果均確認(rèn)了尿素溶液對(duì)混凝土試塊同樣具有減縮效果。

圖2 混凝土長(zhǎng)度變化Fig.2 Change of Length of Concrete

3 結(jié)論

⑴尿素溶液浸泡處理過(guò)的混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度高于未處理試塊。這可能是因?yàn)槟蛩厝芤哼M(jìn)入內(nèi)部，重新結(jié)晶析出后，填充了硬化結(jié)構(gòu)的空隙，結(jié)晶的膨脹應(yīng)力抵消了一部分壓縮應(yīng)力，抗壓強(qiáng)度增加。還可能是因?yàn)槟蛩氐谋Ｋ杂行Х乐顾值纳⑹?，使得混凝土?nèi)部保持濕潤(rùn)狀態(tài)，從而增加了抗壓強(qiáng)度。

⑵尿素溶液浸泡處理過(guò)的混凝土試塊的干燥收縮比未處理試塊的干燥收縮小。并且隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，干燥收縮減小的幅度就越大。與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)一樣，這可能是因?yàn)槟蛩氐慕Y(jié)晶壓力和保水效應(yīng)，從而減少了干燥收縮。

⑶與浸泡相比，反復(fù)刷涂的方法也具有相同的減縮效果。刷涂的方法操作簡(jiǎn)單，這有利于現(xiàn)場(chǎng)施工，可為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。