摻不同減水劑的混凝土耐久性對比研究

■張建強 ■同濟大學材料科學與工程學院，上海 200092

現代混凝土作為建筑工程領域應用最廣泛的材料之一，其質量的穩定性能極大地影響建筑工程的安全性能和使用壽命，而混凝土的耐久性則是衡量混凝土結構工程質量的重要指標。混凝土耐久性是指混凝土結構在規定的使用年限內，在各種環境條件作用下，抵抗各種劣化因素的作用，長期保持強度和外觀完整性的能力，包括抗滲、抗凍、抗碳化、抗氯離子滲透和抗裂性等內容，是一個綜合性概念［1］。

在日常產品質量控制方面，主要考慮的是工程結構承載力安全性與實用性的要求，很少考慮如何提高混凝土工程的耐久性能。由于“強度作為唯一評定指標”的單一性，預拌混凝土產品在質量控制體系建設過程中，各項性能指標要求復原性不能保證，在產品生產、供應過程中，應用于工程實體的產品質量遠遠低于產品在前期開發設計數據，嚴重影響工程建設質量和工程使用壽命。本文針對高效減水劑和高性能減水劑［2-3］在混凝土中的廣泛應用及其對混凝土耐久性的影響，選取萘系和聚羧酸系兩種減水劑，對比研究它們對混凝土抗凍性、抗氯離子滲透性和抗裂性的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

(1)水泥為萬年青P.O52.5 硅酸鹽水泥，主要性能指標見表1。

表1 水泥主要性能指標

(2)粗骨料:樂平創成碎石，5～31.5mm 連續級配，表觀密度為2710kg/m3，堆積密度為1560kg/m3，空隙率為42.5%，壓碎值為7.6%，級配曲線見圖1。

圖1 樂平碎石級配曲線

(3)細骨料:細骨料采用江西本地的贛江河砂，細度模數2.8，主要性能指標見表2。

表2 細骨料的主要性能指標

(4)外加劑:江西迪特科技有限公司生產的聚酯類聚羧酸系高性能減水劑(PC-319)，固含量10%，減水率22%，推薦摻量為膠凝材料總量的0.8%～1.2%;浙江上虞生產的FDN 萘系減水劑，減水率15%，推薦摻量為膠凝材料總量的1.0%～1.5%。

1.2 試驗配合比

本試驗配合比見表3。

表3 摻不同減水劑混凝土的配合比

1.3 試驗方法

(1)混凝土抗裂性試驗。按照(GB/T 50082 -2009)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的接觸法進行測試。試驗采用尺寸為800mm×600mm×100mm 的試件。

(2)混凝土抗凍性試驗。按照(GB/T 50082 -2009)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快速法進行測試。試驗采用尺寸為100mm×100mm×100mm 的試件。

(3)混凝土抗氯離子滲透性能試驗。按照(GB/T 50082 -2009)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的電通量進行測試。試驗尺寸為50mm 厚，100mm 直徑的試件。

2 試驗結果及分析

2.1 減水劑對混凝土抗凍性的影響

混凝土的抗凍性是指混凝土在飽水狀態下，經受多次凍融循環作用，能保持強度和外觀性的能力。試驗研究采用快速凍融方法來檢驗摻加聚羧酸減水劑和萘系高效減水劑混凝土抗凍性，對比研究了PC -319 和FDN 兩種外加劑下混凝土抗凍性能試驗，試驗結果見表4、5 和圖2、3。

表4 凍融循環下混凝土試塊的質量變化

表5 凍融循環下混凝土動彈模量的變化

從表4 和圖2 可知:隨著凍融次數的增加，混凝土的質量損失率逐漸增加。摻加萘系減水劑的混凝土重量損失率由50 次時的0.16%增加到200 次時的2.2%，摻加聚羧酸減水劑混凝土的重量損失率由50次時的0.12%增加到200 次時的0.51%，其重量損失增加幅度較萘系減水劑混凝土降低了76.8%，因此，摻入聚羧酸高性能減水劑PC-312的混凝土抗凍融破壞的能力更強。

從表5 和圖3 可知:隨著凍融次數的增加，混凝土的動彈性模量保持率逐漸降低。摻加萘系減水劑的混凝土動彈性模量保持率由50 次時的83.4%下降到200 次的54.7%，而摻聚羧酸高效減水劑混凝土的動彈性模量保持率凍融200 次后依然能達到72.1%，比摻萘系減水劑混凝土的動彈性模量保持率提高了31.8%。由此可見，摻加聚羧酸減水劑的混凝土比摻萘系減水劑混凝土具有較好的抗凍性。這主要是由于聚羧酸減水劑具有一定的引氣功能，使混凝土含氣量增加到4.0%～7.0%，這樣引入混凝土中許多微小氣泡而增加了混凝土抗凍性。因此，摻PC-312 聚羧酸高性能減水劑比FDN 萘系減水劑更能提高混凝土的抗凍融破壞性能。

圖2 減水劑品種對混凝土質量損失率的影響

圖3 減水劑品種對混凝土動彈模保持率的影響

2.2 減水劑對混凝土抗氯離子滲透性的影響

混凝土抗氯離子滲透性能是混凝土抵抗氯離子滲透阻止由氯離子引發的鋼筋銹蝕提高混凝土結構的使用壽命。氯離子對混凝土的侵蝕主要有四種方式:(1)擴散作用;(2)毛細管作用;(3)滲透作用;(4)電化學遷移，目前主要認為滲透作用是最主要的侵蝕方式。

試驗結果見表6。

表6 減水劑對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

從試驗結果可知，摻聚羧酸減水劑混凝土與摻加萘系減水劑混凝土相比，其氯離子氯離子電通量降低了15%，氯離子擴散系數降低了17%，摻聚羧酸高性能減水劑有利于提高了混凝土抵抗氯離子滲透的能力。

2.3 減水劑對混凝土抗裂性的影響

混凝土裂縫會加速混凝土的開裂，不但會影響建筑物的外觀和使用功能，而且會對建筑物的結構安全性和耐久性造成危害。對比研究了FDN 萘系減水劑和PC-319 聚羧酸減水劑對混凝土早期開裂性能的影響。裂縫測試方法為:試件成型后置于相對濕度為(60 ±5)%、溫度為(25 ±3)℃的環境中，用放大倍數為40 倍的裂縫觀測儀觀測裂縫的發展。開始的時候，每隔5min 觀察1 次，裂縫貫穿后，每2h 觀測1次，直至12h。試驗配比及結果見表7。

表7 減水劑對混凝土抗裂性能的影響

從表7 知，摻PC-319 聚羧酸減水劑混凝土的裂縫產生時間比摻萘系減水劑混凝土早46min，但其開裂面積只有使用萘系減水劑的混凝土開裂面積的80%，最大裂縫寬度比使用萘系減水劑小0.03mm。因此，摻入聚羧酸高性能減水劑有利于提高混凝土的抗裂性能，提高混凝土在服役過程中的耐久性。

3 結論及建議

(1)聚羧酸減水劑具有一定的引氣功能，使混凝土中引入許多微小氣泡而增加了混凝土抗凍性，故摻加聚羧酸減水劑的混凝土比摻萘系減水劑混凝土具有較好的抗凍性。

(2)摻聚羧酸減水劑混凝土與摻加萘系減水劑混凝土相比，其氯離子電通量降低了15%，氯離子擴散系數降低了17%，聚羧酸減水劑更有利于混凝土密實性的提高及混凝土孔結構和孔徑分布的改善，提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

(3)相比萘系減水劑，聚羧酸系減水劑具有優異的水化熱性能，混凝土的體積穩定性好、內部缺陷少，抗裂性好。

［1］盧木.混凝土耐久性研究現狀和研究方向［J］.工業建筑，1997，27(5):1 -6.

［2］何廷樹.混凝土外加劑［M］.西安:陜西科學技術出版社，2003∶54-65.

［3］郭延輝，郭京育.聚羧酸系高性能減水劑研究與工程應用［M］.北京:中國鐵道出版社，2007∶1 -9.