增效劑對中低強度等級混凝土性能的影響

張璇，劉娟紅

（北京科技大學土木與環境工程學院，北京　100083）

增效劑對中低強度等級混凝土性能的影響

張璇，劉娟紅

（北京科技大學土木與環境工程學院，北京100083）

本文研究了 CTF 和 LSY 增效劑對中低強度等級混凝土性能的影響及其作用機理。通過水泥凈漿流動度、粘度試驗，水泥膠砂強度試驗確定 CTF 和 LSY 的最佳摻量為膠凝材料的 0.6%。在此基礎上進行了一系列混凝土性能試驗，結果顯示：CTF 和 LSY 增效劑提高了混凝土的擴展度和流動性，改善了混凝土的工作性能；提高了混凝土的抗壓強度，在一定程度上改善了混凝土的力學性能；對混凝土的耐久性沒有不利影響。并采用壓汞法觀察混凝土內部孔結構，發現：CTF 和 LSY 增效劑很大程度上降低了混凝土內部的孔面積和孔隙率。

增效劑；中低強度混凝土；微觀性能

0　前言

我國的基礎建設和國民經濟發展迅速，對混凝土的需求量逐年上升，同時在環境保護方面對建筑行業提出了更高的要求：減少水泥的使用量，最大限度利用礦物摻合料，提高混凝土的質量與性能等。其中改善和調節混凝土性能的混凝土外加劑領域開啟了大量、全方位、多用途的研究，在減水劑、早強劑、緩凝劑等各類外加劑出現之后，CTF 和 LSY 增效劑作為一種新型水泥混凝土外加劑出現在市場上，應用于混凝土中可以有效改善拌合物的粘聚性和粘結力，降低各組分之間的分離趨勢，提高均質性，改善泌水離析現象，增強混凝土的綜合性能，有著廣泛的研究空間和可以預期的應用前景。劉道勝[1]研究表明，CTF 增效劑使 C30 強度等級混凝土擴展度、坍落度分別增加 50mm、40mm，抗壓強度值提高10.1MPa。常海燕[2]的研究結果表明 CTF 的使用可以節約水泥用量，具有客觀的經濟效益和環保效益，值得在行業內推廣應用。目前大量的研究人員對 CTF 增效劑在商品混凝土中的應用、在高強混凝土試驗中的應用展開了較多的試驗研究與分析[3-9]，對我們進行 CTF 和 LSY 增效劑的深入研究提供了寶貴的建議與資料。

本文使用 CTF 增效劑和 LSY 增效劑，針對 C15～C30 不同中低強度等級混凝土的工作性能、力學性能、耐久性能完成了較全面的試驗研究，探索 CTF 和 LSY 兩種增效劑對混凝土性能的影響。最后，對混凝土的微觀結構進行了研究分析，探討了宏觀影響背后的微觀機制，展示了使用增效劑后的混凝土內部微觀結構的變化。

1　原材料和試驗方法

1.1原材料

（1）水泥（C1）：北京金隅股份有限公司生產的P·O42.5 水泥，主要物理性能指標見表 1。

表1　水泥的物理力學性能指標

（2）粉煤灰（Fa）：II 級粉煤灰，細度 45μm，篩余13.2%，需水量比為 102%，燒失量 5.65%。

（3）礦粉（KF）：首鋼嘉華公司生產的 S95 型磨細礦渣，密度為 2.8kg/m3，7d 抗壓強度比為 76%，28d 抗壓強度比為 96%。

（4）外加劑：增效劑，CTF 濃度為 6%，LSY 濃度為6%，摻量均為膠凝材料的 0.6%；FDN 萘系減水劑，含固量35%。

（5）砂子（S）：三河市機制粗砂，5～20mm 連續級配，堆積密度 1663kg/m3，表觀密度 2550kg/m3，含泥量6.3%，細度模數 3.5。

（6）碎石（G）：三河市機制石，粒徑 19.0～26.5mm的大石子，表觀密度 2714kg/m3，空隙率 42.84%；粒徑 4.7～9.5mm 的小石子，表觀密度 2706kg/m3，空隙率39.53%。

1.2試驗方法

混凝土工作性能按 GB/T 50080－2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行，混凝土力學性能按GB/T 50081－2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，混凝土耐久性能按 GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，硫酸鹽侵蝕試驗是將相同試塊分別放入清水與硫酸鈉中，觀測混凝土質量損失并測其抗壓強度。

采用壓汞法觀測混凝土內部孔結構。

2　試驗結果與分析

2.1CTF 和 LSY 增效劑對混凝土性能的影響

將摻加 CTF 和 LSY 增效劑的混凝土與不加入增效劑的空白組混凝土進行試驗對比，研究和探討增效劑對中低強度等級混凝土性能的影響。

試驗采用 C10～C30 五種強度等級混凝土（C10 和 C15配合比一樣，故為同一組），每種等級混凝土分別做三組對比試驗，一組是對照組，另外兩組分別摻加 CTF 和 LSY 增效劑。具體試驗室配合比見表 2。

表2　混凝土配合比　　　　　　　kg/m3

2.1.1混凝土工作性能

根據規范對攪拌均勻后的混凝土進行坍落度和擴展度試驗，結果見圖 1 和圖 2。

圖1　不同等級強度混凝土的坍落度變化

圖2　不同等級強度混凝土的擴展度變化

圖 1 反映 CTF 和 LSY 增效劑增大了 C10～C15 和 C20 強度等級混凝土的坍落度，圖 2 表明二者提高了 C10～C30 強度等級混凝土的擴展度，證明 CTF 和 LSY 能很好的改善混凝土的工作性能，使新拌混凝土的坍落度和擴展度相對于空白組而言都有不同程度的增加，坍落度基本都在 210mm 以上，而擴展度基本都在 400mm 以上。

這是由于混凝土增效劑是一種以聚合物為主體的表面活性劑，具有一定的分散性能，可以提高水泥顆粒及礦物摻合料的分散性能，提高混凝土拌合物的均質性及和易性。所以摻有混凝土增效劑的新拌混凝土的表觀漿體增多，漿體的包裹性明顯變好，抗泌水能力提高，泵送摩擦力減小[3]。

2.1.2混凝土力學性能

分別測定上述 12 組混凝土試塊 3d、7d、28d、56d、90d的抗壓強度，見表 3。

表3　混凝土的力學性能

從表 3 試驗數據可以看到，C10～C30 不同強度等級混凝土試塊摻入增效劑后強度均有不同程度的提高，其中 28d 測抗壓強度，C10～C15 等級中的空白組、CTF 組和 LSY 組的強度分別為 14.5MPa、16.2MPa 和 21.6MPa；C20 等級中的空白組、CTF 組和 LSY 組的強度分別為 28.8MPa、32.4MPa 和34.0MPa；C25 和 C30 等級中的各組強度同樣呈現加入增效劑后強度明顯提高的現象。可以證明：CTF 和 LSY 增效劑的添加可以有效提高中低強度等級混凝土的抗壓強度，就后期強度而言，每個強度等級下的 56d 強度和 90d 強度都在繼續增長，漲幅可達到 50%。混凝土增效劑通過促進較難水化礦物的水化，提高水泥礦物的水化程度，增加凝膠體數量，提高混凝土的密實程度，從而提高混凝土各齡期強度[3]。

2.1.3混凝土的耐久性能

通過測定在一定濃度的 CO2氣體介質中混凝土試件的碳化深度，進而評定混凝土的抗碳化能力。在GB/T 50082－2009 標準規定條件下碳化 28d 后混凝土的碳化深度見表 4。

對于中低強度等級混凝土 C10～C30，碳化深度隨強度等級的升高而降低。其中，不同強度等級下，加入 CTF 和 LSY增效劑的組別比空白組碳化深度降低了 1 到 5 個單位不等，例如 C10～C15 等級下，空白組的碳化深度為 20mm，加入CTF 和 LSY 的碳化深度分別為 18mm 和 15mm。可以證明：同一強度等級下，加入 CTF 和 LSY 增效劑的組別明顯比空白組碳化深度低，即 CTF 和 LSY 增效劑提高了混凝土的抗碳化能力。

表4　混凝土的碳化深度

氯離子的滲透性是反映混凝土孔隙率大小與孔隙結構的指標，是混凝土耐久性的重要指標，通過實測氯離子濃度和擴散深度的關系曲線，根據 Fick 定律擬合得到氯離子的擴散系數。試驗測定了混凝土試塊的 28d 氯離子擴散系數和 90d氯離子擴散系數，混凝土滲透性評價見表 5。

表5　混凝土氯離子擴散系數及滲透性評價

由表 5 可以看出，在氯離子滲透試驗中，無論是養護 28d 還是 90d 的混凝土試塊，其氯離子擴散系數都在100～500×10-14m2/s之間，滲透性評價均為中等。氯離子擴散系數較為接近，標養 90d 的擴散系數小于標養 28d 的，這是由于混凝土中的未完全水化的水泥顆粒繼續水化，使混凝土內部更加密實，氯離子難以進入的結果。說明增效劑對混凝土氯離子滲透性沒有不利影響。

我國大部分地區普遍存在硫酸鹽腐蝕，對不同強度等級混凝土進行硫酸鹽腐蝕試驗，將標養 56d 的試塊分別放入清水和質量分數為 5% 的 Na2SO4溶液中浸泡 60d，通過對比研究 CTF 和 LSY 增效劑是否會影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。質量損失和強度變化見表 6。

表6 試塊浸泡在水中和 Na2SO4溶液中的質量損失和強度對比

試塊質量和強度的變化規律為：無論在清水還是硫酸鹽溶液中，試塊質量都有小幅增加，主要因為混凝土中的未完全水化的水泥顆粒繼續水化，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠產物的等原因。然而由于浸泡的時間僅為 60d，混凝土試塊還沒有因表面腐蝕而膨脹脫落。若繼續浸泡至 120d，混凝土將會發生體積膨脹、表面物質腐蝕脫落、強度降低的現象。本試驗中，在質量基本不變的情況下，硫酸鈉溶液中的混凝土試塊由于受到腐蝕比清水中的試塊的強度略有降低，而在硫酸鈉溶液中加入 CTF 和 LSY 增效劑組別的強度與空白組的強度持平，略有提高，相差不大。故 CTF 和 LSY 增效劑對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能并無不利影響。

2.2增效劑對混凝土孔結構的影響

試驗檢測了 C25 基準配比及 C25 摻 CTF、LSY 增效劑的三種混凝土 28d 齡期的孔結構，試驗結果見表 7。

表7　C25混凝土28d壓汞試驗數據

摻 CTF 增效劑的 C25 混凝土 28d 齡期時的總孔面積、平均孔徑、孔隙率均小于 C25 空白對照組。總孔面積由24.089m2/g 降到 13.597m2/g，平均孔徑減小的不多，孔隙率由15.54% 降到 11.75%。而摻 LSY 混凝土增效劑的 C25 混凝土28d 齡期時的總孔面積、平均孔徑、孔隙率也都小于 C25 基準組。總孔面積由 24.089m2/g 降到 15.616m2/g，平均孔徑由18.2nm 降到 15.4nm，孔隙率由 15.54% 降至 11.25%。總而言之，CTF 和 LSY 增效劑很大程度上降低了混凝土內部的孔面積和孔隙率。

綜上所述，摻 CTF 和 LSY 增效劑后，混凝土的孔隙率降低，孔隙得到細化，使硬化漿體的密實度提高，從而混凝土的強度也得到提高，這是混凝土力學性能得到改善的根本原因。

3　結論

（1）在 CTF 和 LSY 摻量為 0.6% 的情況下，CTF 和LSY 增效劑對混凝土的工作性能都有所改善，坍落度和擴展度都比空白組的要大一些，混凝土的和易性更好。

（2）加入增效劑組的混凝土強度均高于空白組的強度，就后期強度而言，加入增效劑后混凝土的 56d、90d 強度仍有所增長，即增效劑不會影響混凝土后期強度的發展。

（3）選用標養 28d 的混凝土試塊做碳化試驗，碳化深度隨強度等級升高而降低，同一強度等級下的三組試塊的碳化深度都處在一個級別，加入增效劑的碳化深度略有降低。總體來看，增效劑不會影響混凝土的抗碳化性能。

（4）混凝土抗氯離子滲透性能試驗中，采用了標養 28d和 90d 的試塊進行試驗，結果表明：各組之間擴散系數相差不大，滲透性評價基本一致，可以證明增效劑對混凝土氯離子滲透性沒有不利影響。

（5）在抗硫酸鹽侵蝕的試驗中，試塊浸泡時間為 60d，時間較短。浸泡前后質量變化不大，浸泡硫酸鹽試塊的抗壓強度略低于清水的，但縱向比較的話，加入增效劑組別的抗壓強度和空白組的強度沒有太大差別，即增效劑不會影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

（6）孔結構試驗表明：加入增效劑后，混凝土的總孔面積、平均孔徑、孔隙率均小于空白組。

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張璇，女，北京科技大學碩士研究生。