聚羧酸混凝土耐久性分析

趙晶，邱晨，徐天博

(1.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028;2.長春新星宇建筑安裝有限公司，吉林 長春130000)*

0 引言

混凝土中摻入減水劑可以改善混凝土的和易性、提高混凝土強度、節約水泥.高效減水劑的研究已成為混凝土材料科學中的一個重要領域，并推動著整個混凝土材料從低技術向高技術發展.聚羧酸高效減水劑作為新一代高效減水劑，具有減水率高、混凝土保坍能力好、混凝土收縮率低等突出特點［1］.同時產品不含甲醛等對人有害的物質，是一種綠色環保產品，因而已經成為混凝土外加劑行業的未來發展方向.同時，隨著混凝土在工程領域的廣泛使用，越來越多的事例已經表明，混凝土工程結構并非都是很耐久的，混凝土也并非是一種長壽命的工程材料［2］，尤其從目前的使用情況來看，其使用壽命遠低于設計壽命.巨額的重建和維修費用已使人們認識到混凝土耐久性的重要性.人們經常通過測試混凝土的抗碳化、抗氯離子滲透性能等來描述混凝土的耐久性.這些實驗方法對于實際的工程應用有一定的指導意義.本文對比了摻加聚羧酸高效減水劑混凝土、普通混凝土以及摻萘系減水劑的混凝土的抗碳化和抗氯離子滲透能力，探討聚羧酸高效減水劑對混凝土耐久性的影響.

大量的研究表明，混凝土中的孔是影響混凝土各種性能一個重要因素，本文采用壓汞法測試混凝土的孔徑分布.吳中偉［3］教授根據孔徑分布對強度的影響將孔劃分為有害孔、少害孔、有害孔和多害孔.這種用來解釋孔徑分布對強度的影響規律經試驗驗證是正確的;但是孔徑分布對耐久性的影響卻少有確定性結論.本文將混凝土中的孔徑分布與混凝土耐久性的宏觀性能相聯系，分析孔徑分布對混凝土耐久性能的影響.

1 試驗用原材料及配合比

水泥:大連小野田華日牌42.5R級硅酸鹽水泥.

細骨料:大連河砂，細度模數2.6，連續級配.

粗骨料:普通石灰巖碎石，顆粒級配5～25 mm.

水:自來水.

粉煤灰:大連華能Ⅱ級

礦粉:S90礦粉

混凝土配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比

表2 混凝土拌合物性能

表2是混凝土拌合物性能表.從表2中可以看出2號混凝土的坍落度和擴展度要大于1、3號混凝土試件.這是因為2號混凝土試件中摻入1.1%的聚羧酸高效減水劑，聚羧酸高效減水劑在低摻量的情況下對水泥顆粒具有強烈的分散作用，減水效果明顯.而4號混凝土試件的坍落度和擴展度要大于3號混凝土的原因是礦粉和粉煤灰的玻璃微珠形態效應，使得混凝土的內摩擦角和粘滯系數減小，從而提高混凝土的和易性［4］.另外聚羧酸本身還具有一定引氣功能，所以摻加了聚羧酸高效減水劑的2、3組混凝土的含氣量要高于未摻加減水劑的1號混凝土.

2 混凝土力學性能

從混凝土抗壓強度(表3)表中可以看出未摻加摻合料的1、2、3號試件強度均高于4號.究其原因是因為4號混凝土試件中各有10%的Ⅱ級灰和S90礦粉取代了水泥，使得4號混凝土試件的抗壓強度要低于另外3組.從表3中可以看出，4號混凝土試件在7天以后強度發展明顯加快.是因為粉煤灰和礦粉中含有大量的SiO2和AL2O3等物質，這些物質與水泥水化產生的Ca(OH)2進行二次反應，在表面生成具有膠凝性質的水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣等填充在凝膠之間的物質，使混凝土更密實，從而提高了混凝土的強度［4-5］.從表3中可以看出，4號混凝土試件在3天以后的強度發展速度明顯快于未摻加摻合料的1、2、3號試件.對比1、2、3號試件可以看出1、3號混凝土試件的強度略微高于2號混凝土試件.這是由于2號混凝土中由于采用了聚羧酸高效減水劑，由于聚羧酸高效減水劑能夠引入大量氣泡，這些氣泡對于耐久性是有利的，但是會對強度有輕微的影響.另外2號混凝土試件采用的聚羧酸高效減水劑還具有一定的緩凝作用，所以2號試件在3天后的強度發展要稍微落后于1、2號混凝土試件.所以可以看出，聚羧酸高效減水劑對抗壓強度幾乎沒有影響.

表3 混凝土抗壓強度

3 混凝土耐久性實驗及分析

3.1 混凝土碳化實驗結果分析

圖1是混凝土碳化深度圖，從圖1中可以看出，4號混凝土與2號混凝土相比，4號混凝土試件在各個碳化齡期的碳化深度遠遠大于與2號混凝土.究其原因與摻合料的特性有關，摻合料取代20%的水泥，使得混凝土中的水泥熟料含量降低，析出的Ca(OH)2減少，同時摻合料二次水化反應進一步降低了Ca(OH)2的含量，從而使混凝土的抗碳化能力迅速下降［6］.所以4號混凝土試件的碳化深度明顯高于與之同時摻加了1.1%聚羧酸高效減水劑但未摻加摻合料的2號混凝土.

圖1 混凝土碳化深度

同樣，從圖1可以看出，在未摻加摻合料的混凝土試件中，2號試件的碳化深度最小.這與外加劑的特性有關.聚羧酸高效減水劑能夠引入大量的封閉微小的氣泡，這些封閉的氣泡起到了切斷毛細孔連續性的作用［7］.從而阻止了混凝土的中性化，提高了混凝土的抗碳化能力.而未摻加任何減水劑的1號試件和摻加了萘系減水劑的3號試件，由于無法像聚羧酸高效減水劑那樣引入大量的封閉的微小的氣泡，混凝土抵抗酸性氣體(如CO2)的能力就會減弱，所以抗碳化能力明顯不如摻加了聚羧酸高效減水劑的2號混凝土.

3.2 混凝土電通量數據分析

檢驗混凝土抗氯離子滲透能力的實驗方法多種，本實驗采用最常見的電通量法.影響電通量的因素有許多，本文主要討論摻合料和外加劑對電通量的影響.圖2是混凝土電通量圖，從圖2以中可以看出，4號混凝土的電通量最小.遠遠低于與之同時摻加了相同減水劑的2號混凝土.由于粉煤灰中含有大量的球狀玻璃微珠，填充在水泥之間起到一定潤滑作用，從而提高了混凝土的密實度，進而降低了混凝土的電通量.另外，粉煤灰的火山灰效應生成的水化硅酸鈣凝膠能進一步填塞水泥石中的毛細孔隙，堵塞孔道，增加混凝土的密實度.而礦粉不僅減少了水泥用量，降低了C3A的含量.其二次水化作用進一步減少了Ca(OH)2的含量，使得混凝土抵抗硫酸鹽和海水侵蝕的能力大大提高［8-10］.

比較1、2、3號混凝土可以看出，在未摻加摻合料的三組混凝土中，摻加了聚羧酸高效減水劑的2號混凝土的電通量最小，空白的1號混凝土次之，摻加了萘系減水劑的3號混凝土電通量最大.由于聚羧酸高效減水劑有一定的引氣作用，增加了混凝土的含氣量，改變了混凝土的孔結構.形成了大量的微小的不相連的毛細孔道，防止水的滲透，提高了混凝土的抗氯離子滲透性能.

圖2 混凝土電通量

4 混凝土孔徑分布對強度和耐久性的影響

4.1 混凝土孔徑分布對混凝土抗壓強度的影響

本文采用壓汞法測量孔徑分布，測量數據如表4，5所示.壓汞儀采用美國麥克公司生產的9500型壓汞儀.大量文獻表明孔隙率對強度有決定性的影響.吳中偉［3］教授將孔徑分為四類:即無害孔(＜20 nm)、少害孔(20～100 nm)、有害孔(100～200 nm)、多害孔(＞200 nm).其中無害孔和少害孔統稱為少害孔，有害孔和多害孔統稱為多害孔.有害孔所占總孔體積的百分比大小排序為2＜1＜3＜4.這與強度的排序基本一致.2、4號混凝土摻加了聚羧酸高效減水劑，驗證了聚羧酸高效減水劑對混凝土的強度沒有影響這一結論.

表4 影響強度的混凝土孔徑分布 %

4.2 混凝土孔徑分布對混凝土耐久性的影響

關于孔徑分布對混凝土耐久性的影響因測試方法不同和孔徑分類的差異目前尚無統一公認的結論.當孔徑小于10 nm時，由于孔徑太小對混凝土宏觀性能沒有不利的影響［11］;而大于1 000 nm的孔由于毛細管壓力減小，對混凝土的抗滲性能影響減弱;因此顯著影響混凝土耐久性的孔徑范圍應在10～100 nm和100～1 000 nm之間.表5是混凝土孔徑分布圖，從表5中可以看出:在10～1 000 nm這個區間內孔徑分布所占總孔體積的百分比大小排序依次是4＜2＜3＜1，這與各組混凝土的抗氯離子滲透能力的排序基本一致，這說明10～1000 nm區間之內孔的多少決定了混凝土的抗滲能力.

表5 影響耐久性的混凝土孔徑分布 %

5 結論

(1)與普通混凝土和摻加了萘系減水劑的混凝土相比，聚羧酸高效減水劑對混凝土的強度沒有影響，但會提高混凝土的耐久性能;

(2)混凝土中摻加了一定量的粉煤灰和礦粉會提高混凝土的抗氯離子滲透能力，但是對混凝土的抗碳化能力有一定影響;

(3)孔徑大小在10～1 000 nm之間的孔對混凝土的耐久性能有顯著影響.

［1］BASKOCA，M H OZKUL，OZKUL.Artirma Effect of chemical admixture on workability and strength propertimes of prolonged agitated concrete［J］.Cement and Concrete Research，1998(5):737-747.

［2］MEHTA P K，MONTEIRO P J.混凝土微觀結構性能和材料［M］.北京:中國電力出版社，2008:77-82.

［3］吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京:中國鐵道出版社，1999:22-30.

［4］嚴捍東，錢曉倩.新型建筑材料教程［M］.北京:中國建材工出版社，2005:11-32.

［5］KHATRI R P，SIRIVIVATNANON V.Effect of different supplement cementitious materials on mechanical proper times of high performance concrete［J］.Cement and Concrete Research，1995(1):209-220.

［6］范永法，趙俊奎.混凝土碳化的試驗性能研究［J］.廣東建材，2010，11:15-17.

［7］黃士元，蔣家奮.近代混凝土技術［M］.西安:陜西科學技術出版社，1998:183-193.

［8］邊鵬飛，任云，吳森.原材料性能對混凝土電通量指標的影響［J］.西部探礦工程，2009(4):215-218.

［9］郭亮，冷平，李家和.礦物摻合料對混凝土電通量的影響［J］.低溫建筑技術，2011(1):22-23.

［10］GAO Pei-wei，DENG Ming，FENG Nai-qian.The influence of superplasticizer and superfine mineral powder on the flexibility，strength and durability of HPC ［J］.Cement and Concrete Research，2001，31:703-706.

［11］趙鐵軍，朱金銓，馮乃謙.混凝土孔隙分析中的表征參數［C］.全國水泥基復合材料科學與技術學術討論會論文集，1999:99-102.