盐类外加剂对混凝土早期收缩与开裂影响机理的研究

Salts are widely used as high-early strength admixtures or anti-freeze admixtures into concrete in most northern regions with cold climate, while corrosion inhibitors are used around the whole country. The early cracking caused by improper use of these salts is a serious problem in many concrete structures. In this research, the effect and principle of salts, which are inorganic salts or organic salts used separately or used with superplasticizer and air entraining agents, on the pore structure at early age and the air voids structure of concrete will be investigated as well as the composition, concentration and surface tension of salt solution in the pores. And then, the effect and principle of these salts on the internal relative humidity within concrete, early shrinkage and cracking at early age and the relation of two will be studied. In addition, the relations of crack resistance of concrete with salts and early elastic modulus, early strength and its growth rate will be found. Furthermore, a cracking model of concrete containing salts will be established, and the critical dosage of salts to avoid early cracking in concrete will be given. The results and conclusions would provide theoretical basis and technique guidance for the proper usage of salts in the concrete structure and improving the crack resistance and the durability of concrete.

盐类早强剂和防冻剂在北方地区应用很广，阻锈剂则在全国有着较广泛的应用。工程中由于对它们的使用不当造成的混凝土早期开裂较为严重。本项目主要研究盐类外加剂（包括常用无机盐和部分有机盐）及其与高效减水剂、引气剂复掺时，对混凝土早期孔结构、气孔结构、孔隙中溶液成分、浓度、表面张力等的影响规律及作用机理，研究它们对混凝土内部相对湿度和早期收缩与早期开裂的影响规律与作用机理，以及混凝土早期收缩与早期开裂的关系，研究混凝土早期抗裂性与早期弹性模量、早期强度及其增长率的关系。提出掺加盐类外加剂混凝土的开裂模型和避免出现早期开裂的常用盐类外加剂的掺量临界值（单掺、复掺），为盐类外加剂在实际工程中的合理使用和提高我国混凝土材料自身的抗裂性、耐久性提供理论支撑和技术支持。

盐类外加剂作为主要的早强剂和防冻剂，在工程中使用不当可能造成严重的混凝土早期开裂。本项目主要研究盐类外加剂对混凝土微观结构、早期收缩与早期开裂的影响规律与作用机理，为盐类外加剂的合理使用和提高混凝土的抗裂性提供理论支撑和技术支持。. 利用同步辐射光源等技术，系统地研究了CaCl2、Ca(NO3)2、Ca(NO2)2和Na2SO4对C3S和C3A水化产物微观结构的影响。研究发现四种盐并未与C-S-H发生化学键合，也未改变Ca2+不规则的七配位对称性，但CaCl2通过加速C3S的溶解过程来缩短预诱导期和诱导期，直接进入到加速期，增大了C-S-H结构中硅酸根链的聚合度，进而使得C-S-H形貌向二维方向生长形成薄层状，而其他三种无机盐对C-S-H硅酸盐链的聚合度几乎无影响。Na2SO4较大程度上缩短了C3S水化过程中的预诱导期和诱导期，直接进入到加速期，增大了C3S及其水化产物C-S-H凝胶和Ca(OH)2的分散度。Ca(NO3)2对C3S水化反应的加速作用不明显，在一定程度上延长了诱导期；Ca(NO2)2对C3S水化反应速率几乎无影响。. 无机盐硝酸钙、亚硝酸钙、硫氰酸钠（硫氰酸钠对水泥水化有着明显的抑制作用）在掺量增大时，均增大了混凝土或砂浆早期自收缩和早期开裂，特别是当水灰比较低时，这一趋势更加明显。硫酸钠由于生成膨胀性产物补偿收缩而使影响降低。而有机盐甲酸钙和乙酸钙的早强作用不显著，甚至减缓水泥的水化速度，在掺加<1%时有增大混凝土或砂浆收缩和开裂的风险，而在掺量增大时早期开裂风险降低。当无机盐复合使用时，水灰比为0.3的大部分混凝土的自收缩增大。盐类外加剂主要通过增大小毛细孔孔隙率和增大溶液的表面张力影响混凝土收缩，进而增大了混凝土早期开裂的风险。. 考虑混凝土早期自收缩和早期抗裂性，实际工程中应注意盐类外加剂的掺量。水灰比较小时，建议硝酸钙掺量≤2.0%，水灰比较大时，控制硝酸钙掺量≤1.0%；亚硝酸钙显著提高混凝土早期自收缩系数，不建议单独采用亚硝酸钙作为早强剂；乙酸钙的建议掺量为≤1.0%；水灰比较小时，硫氰酸钠的建议掺量≤1.5%，水灰比较大时，硫氰酸钠不宜单独作为外加剂使用。