增效劑在混凝土中的作用機理

張梓鑫，顧瑞，朱亞杰

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430070）

增效劑在混凝土中的作用機理

張梓鑫，顧瑞，朱亞杰

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430070）

通過在混凝土中摻入增效劑，研究其對混凝土工作及力學性能的影響，通過宏觀及微觀試驗方法研究了增效劑作用機理。試驗結果表明：摻入增效劑后降低粉料（水泥）用量，混凝土的工作性變化不大，7d 強度略有降低，28d 強度高于基礎空白樣；增效劑對混凝土中粉料體系的增效作用主要源于對粉煤灰的激發效果（28d 活性系數提高 17.8%），水泥及礦粉受增效劑影響較小；增效劑能促進粉煤灰玻璃體活性物質在早期溶出，從而激發粉煤灰的早期活性，提高混凝土強度。

混凝土；增效劑；機理；活性激發

0　前言

混凝土作為當今使用量最大的人造石材，被廣泛應用于道路、橋梁、隧道和房屋等領域，其生產方式也由現場攪拌逐步發展為商品預拌。水泥工業是能源和資源消耗型工業，同時也是 CO2排放的工業大戶，每生產 1t 的水泥熟料需要排放 1t 的 CO2氣體[1-2]。水泥工業的 CO2排放量占人類生產活動的碳排放的 5%～10%[3]。因此，降低商品混凝土中水泥的使用量，是實現混凝土向綠色環保方向發展的有效途徑之一，但單方面的降低水泥用量會導致混凝土工作性不良和強度降低等諸多問題。

為解決這一問題，近年來混凝土增效劑得到廣泛應用。由于增效劑生產廠家采取了嚴格的保密措施，產品成分不明確，對商品混凝土生產企業及建筑工程監督單位造成較大的質量監控風險。

研究增效劑的作用及其機理，能指導混凝土生產企業根據原材料及工程需求規范使用增效劑，并為增效劑的后期改進提供理論依據。

1　原材料基本性能及指標

1.1原材料

（1）水泥：采用華新 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其性能指標見表 1 所示。

表1　水泥物理性能指標

（2）粉煤灰：選用陽邏電廠Ⅰ級粉煤灰，其性能指標見表 2 所示。

表2　粉煤灰性能指標

（3）礦粉：選用武新 S95 級礦粉。

（4）細骨料：選用細度模數 2.5 的岳陽砂。

（5）粗骨料：選用 5～31.5mm 的陽新碎石。

（6）外加劑：選用中建商品混凝土公司聚羧酸高效減水劑，其減水率為 23%。同時選用北京某公司生產的增效劑(BTC)，其性能見表 3 所示。

表3　增效劑性能指標

2　試驗結果及分析

2.1增效劑對混凝土工作性能及強度影響

采用 C40 等級混凝土配合比進行試驗。根據增效劑使用說明，增效劑采用 0.6% 的摻量，水泥用量降低 30kg/m3，同時用水量降低 10kg/m3，將所減少的粉料用量全部回補到粗骨料上。各組混凝土的工作性能和強度如表 4 所示。

表4　增效劑對混凝土工作性能及強度影響

由表 4 可知，當減少水泥用量并摻入增效劑后混凝土的工作性能無變化，7d 強度略有降低，28d 強度高于基礎空白樣，強度增幅為 9.5%。

2.2增效劑對粉料活性激發效果影響

混凝土強度的形成主要源于膠凝材料的水化反應。混凝土中具有膠凝作用的粉料包含水泥、粉煤灰、礦粉，通過膠砂強度試驗對比分析增效劑對粉料體系的增效作用。

粉料體系活性激發效果檢測方法參照 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》及 GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》中活性指數試驗方法。活性激發指數按公式 (1) 計算。

式中：A——活性激發指數，%；

R28——試驗膠砂 28d 強度，MPa；

R028——對比膠砂 2d 強度，MPa。

膠砂配比及試驗結果如表 5 所示。

表5　膠砂配比及活性激發指數

從表 5 中數據可知，增效劑對混凝土中粉料體系的增效作用主要源于對粉煤灰的激發效果（28d 活性提高 17.8%）。水泥及礦粉受到增效劑影響較小，其強度的微弱提高主要是由于增效劑中減水成分提高了漿體的流動性，進而提高了漿體的密實度。

粉煤灰的化學活性（火山灰效應）是指粉煤灰中的活性氧化硅、氧化鋁與氫氧化鈣發生反應，生成具有膠凝作用的水化產物從而增強混凝土強度的性質[4]。當通常情況下，由于包裹粉煤灰的玻璃體是保持高溫液態結構排列方式的介穩結構，在常溫常壓下其結構仍然很穩定，表現出較高的化學穩定性，在自然環境下要經過一個月或更長時間的激發，才能發揮其活性[5]。

通過化學激發劑及改性劑來激發粉煤灰的潛在活性是目前常用方法[6]，在增效劑中引入復合激發劑成分顯著提高了混凝土中粉煤灰的早期活化反應。

2.3增效劑對粉煤灰活性激發微觀分析

為進一步驗證并探究增效劑對粉煤灰活性激發效應的影響，制作了水泥——粉煤灰體系凈漿試件 ，粉煤灰摻量為 30%（質量百分比）。試件分為空白樣（FA-0）及試驗樣（FA-BTC），其中對比樣摻入 0.6% 增效劑。

將兩組樣品分別水養 7d、28d 后破碎，將破碎樣浸泡于無水乙醇中終止其水化。分別取浸泡后樣品 60℃ 干燥至恒重，在掃描電鏡下（SEM）觀察斷面區域粉煤灰顆粒形貌。結果如圖 1 所示。

圖1　粉煤灰顆粒 SEM 圖

從圖 1(a)、(b) 中可看出，7d 時粉煤灰顆粒均被 Ca(OH)2包裹。其中沒摻增效劑的空白樣（FA-0）中粉煤灰表面較光滑，與水泥之間沒有形成較好的水化黏結產物。而摻增效劑的試驗樣（FA-BTC）中粉煤灰顆粒表面出現了輕微的腐蝕。

從圖 1(c)、(d) 中可看出，28d 時空白樣（FA-0）中粉煤灰仍然沒有明顯水化反應痕跡，而試驗樣（FA-BTC）中粉煤灰顆粒表面在增效劑的激發下生成了許多短而纖細的水化產物。粉煤灰與水泥的水化產物相互膠結在一起提高了二者間界面強度，增加了漿體的密實度。

以上現象說明增效劑能促進粉煤灰玻璃體活性物質在早期溶出，從而激發粉煤灰的早期活性，提高混凝土強度。

3　結論

在混凝土粉料體系中摻入增效劑，通過宏觀及微觀方法探討增效劑對混凝土的作用機理，得出以下結論：

（1）摻入增效劑后降低粉料（水泥）用量，混凝土的工作性變化不大，7d 強度略有降低，28d 強度高于基礎空白樣，強度增幅為 9.5%。

（2）增效劑對混凝土中粉料體系的增效作用主要源于對粉煤灰的激發效果（28d 活性提高 17.8%）。水泥及礦粉受到增效劑影響較小，其強度的微弱提高主要是由于增效劑中減水成分提高了漿體的流動性，進而提高了漿體的密實度。

（3）增效劑能促進粉煤灰玻璃體活性物質在早期溶出，從而激發粉煤灰的早期活性，提高混凝土強度。

[1] 吳中偉，高性能混凝土——綠色混凝土[J]．混凝土與水泥制品，2000(1): 3-6．

[2] P.K.Mehta. Concrete technology for sustainable development[J]. Concrete International, 1999, 21(11): 47-53.

[3] 沈衛國，姜艦，潘洪，等．拋填骨料砼是實現水泥砼低碳排放的途徑之一[J]．新世紀水泥導報，2009,03:30-34．

[4] Qian Jueshi, Shi Caijun, Wang Zhi. Activation of blended cements containing fly ash[J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(8):1121～1127.

[5] 朱蓓蓉，楊全兵．粉煤灰火山灰反應性及其反應動力學[J].硅酸鹽學報，2004,07:892-896．

[6] 欒曉風，潘志華，王冬冬．粉煤灰水泥體系中粉煤灰活性的化學激發[J]．硅酸鹽通報，2010, 04: 757-761+783．

［通訊地址］湖北省武漢市東湖新技術開發區高科大廈 13 樓（430074）

張梓鑫（1986—），男，助理工程師。