淺談混凝土增效劑性能的影響因素

陳周鵬

（福建科之杰新材料有限公司）

淺談混凝土增效劑性能的影響因素

陳周鵬

（福建科之杰新材料有限公司）

實(shí)驗(yàn)以增效劑為主要原料，通過(guò)測(cè)量其力學(xué)和工作性能指標(biāo)，研究了溫度、摻量、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和水泥取代比例等因素對(duì)于增效劑性能的影響結(jié)果，并探討了增效劑對(duì)于混凝土碳化深度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增效劑性能隨其摻量、溫度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)上升而提高。當(dāng)增效劑摻量為0.6%，水泥取代比例為10%時(shí)，混凝土工作和力學(xué)性能不變；摻加增效劑后，混凝土的碳化深度有所降低。

增效劑；抗壓強(qiáng)度；碳化深度

1 引言

研究表明，由于減水劑與水泥作用機(jī)理的局限，當(dāng)減水劑摻量達(dá)到某一值時(shí)，對(duì)混凝土不再發(fā)揮其減水作用，則混凝土中有超過(guò)20%的水泥不能充分水化，以發(fā)揮強(qiáng)度作用[1]。因此如何在保證經(jīng)濟(jì)效益的前提下充分利用該部分水泥，是目前混凝土行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

增效劑的出現(xiàn)為這一問(wèn)題提供了思路。它能最大限度地激發(fā)減水劑及分散膠凝材料，提高新拌混凝土的工作性能和強(qiáng)度，同時(shí)能夠適當(dāng)降低水泥用量，減少混凝土生產(chǎn)成本。增效劑對(duì)于提高混凝土耐久性亦有所助益，其能提升混凝土對(duì)于凍融、氯離子、滲透和裂縫等外界侵蝕的抵抗能力[2-3]，延長(zhǎng)混凝土構(gòu)件服役壽命。但從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來(lái)看，增效劑對(duì)于是否能提高混凝土抗碳化能力仍有所爭(zhēng)議[4-5]。本文采用我公司自行研制的Point-ZX型混凝土增效劑進(jìn)行試驗(yàn)，探討了摻量、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、水泥取代比例和溫度因素對(duì)增效劑性能的影響情況，并對(duì)增效劑能否提高混凝土的抗碳化能力做了研究，希望能對(duì)增效劑的應(yīng)用貢獻(xiàn)綿薄之力。

2 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原材料

⑴水泥

采用閩福42.5R普通硅酸鹽水泥，其主要物理指標(biāo)如表1：

表1 閩福水泥物理指標(biāo)

⑵細(xì)骨料

采用淡化砂，其細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量2.9%，泥塊含量0.3%。

⑶粗骨料

采用廈門市內(nèi)厝鎮(zhèn)產(chǎn)碎石，其主要物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

⑷粉煤灰

采用廈門重嘉電廠收塵系統(tǒng)排放的II級(jí)粉煤灰，其需水量比為96%，含水量0.3%，燒失量3.2%。

表2 粗骨料的主要物理指標(biāo)

⑸增效劑

采用科之杰Point-ZX型混凝土增效劑，為半透明液體，無(wú)毒無(wú)害，不含氯離子等對(duì)混凝土有害的成分。

⑹外加劑

采用科之杰Point-400s聚羧酸高效減水劑。

2.2 試驗(yàn)方法

⑴于混凝土中依次加入膠凝材料總量0.2%～1.2%的增效劑，測(cè)試其對(duì)于混凝土的增強(qiáng)效果，其配合比如表3：

表3 不同摻量下C30混凝土配合比（kg/m3）

⑵等初始情況下加入膠凝材料總量0.6%的增效劑，測(cè)試其在C30/C40/C50三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)下對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果，配合比如表4：

表4 不同強(qiáng)度等級(jí)下混凝土配合比（kg/m3）

⑶保持混凝土容重不變情況下分別按8%～14%比例取代水泥用量，并將取代的水泥用量按比例折合至集料用量中，加入膠凝材料總量0.6%的增效劑，測(cè)試其對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果，配合比如表5：

表5 不同水泥取代比例下C30混凝土配合比（kg/m3）

⑷等初始情況下加入膠凝材料總量的0.6%的增效劑，測(cè)試其在5～35℃下對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果，配合比同表3。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 摻量對(duì)增效劑性能的影響結(jié)果分析

從表6和圖1可以看出，隨著增效劑摻量的增大，其對(duì)于混凝土工作性能及強(qiáng)度的增效作用亦呈現(xiàn)出先上升后平穩(wěn)的趨勢(shì)：增效劑摻量在0～0.6%的范圍內(nèi)時(shí)，混凝土的初始、損失擴(kuò)展度、和易性和3、7、28d抗壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)均呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)；當(dāng)摻量大于0.6%后，混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)的增長(zhǎng)幅度趨于平緩。

表6 摻量對(duì)增效劑性能的影響結(jié)果

圖1 增效劑摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

適當(dāng)摻加增效劑對(duì)于混凝土工作性能的改善可作如下解釋：通常混凝土中約有超過(guò)20%的水泥顆粒因未能充分水化形成緊密的水化硅酸鈣凝膠和Ca(OH)2晶體結(jié)構(gòu)而只能起到填充料的作用。增效劑中所含的醇胺類物質(zhì)可通過(guò)原子基團(tuán)與水泥顆粒的吸附和重構(gòu)效應(yīng)，使水泥顆粒成為極性分子，增大水泥顆粒間的靜電斥力，增加游離水比例，從而提高混凝土流動(dòng)性。另一方面，增效劑在保證混凝土含氣量不變的前提下增加了微小氣泡的數(shù)目，這些均勻分布的穩(wěn)定氣泡提高了混凝土的和易性，減少泌水并延緩混凝土損失。增效劑通過(guò)促使混凝土中未充分水化的水泥顆粒進(jìn)一步分散，提高其反應(yīng)活性，使其充分水化形成致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而在未降低水泥用量的情況下提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)增效劑摻量在0～0.6%范圍內(nèi)時(shí)，隨著摻量的提高，增效劑對(duì)于水泥的分散作用隨之上升，并于摻量為0.6%時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)；當(dāng)摻量超過(guò)0.6%時(shí)，多余的增效劑粒子不再參與對(duì)水泥顆粒的分散促進(jìn)，此時(shí)表現(xiàn)在宏觀狀態(tài)下的特征即為混凝土的抗壓強(qiáng)度不再有明顯增長(zhǎng)，其數(shù)值與摻量為0.6%時(shí)的混凝土抗壓強(qiáng)度值相仿。

3.2 溫度對(duì)增效劑性能的影響結(jié)果分析

溫度對(duì)于增效劑性能的影響結(jié)果如表7、圖2。從中可以看出，在等初始的前提下，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨溫度上升而上升，當(dāng)溫度為35℃時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最高。造成該結(jié)果的原因與增效劑摻量對(duì)于其性能的影響機(jī)理類似：混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)實(shí)質(zhì)上是水泥逐漸硬化的一個(gè)過(guò)程，水泥從加水?dāng)嚢璧接不枰?jīng)歷水泥漿體-水化物膜層-凝聚結(jié)構(gòu)-結(jié)晶結(jié)構(gòu)四個(gè)階段。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，增效劑的活性受到抑制，對(duì)于混凝土中未充分水化的部分水泥顆粒的分散作用減弱，從而延緩了水泥顆粒水化過(guò)程；隨著溫度升高，增效劑的活性得到提升，可以分散更大比例的未水化水泥顆粒，此時(shí)水泥中的水泥漿體數(shù)目不斷增加，水泥顆粒的水化反應(yīng)和硬化過(guò)程加速，混凝土抗壓強(qiáng)度亦隨之上升。

表7 溫度對(duì)增效劑性能的影響結(jié)果

圖2 增效劑在不同溫度下對(duì)于混凝土強(qiáng)度的影響

3.3 混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)增效劑性能的影響結(jié)果分析

增效劑對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土增效結(jié)果如表8、圖3。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，增效劑對(duì)于高強(qiáng)混凝土(C50)的強(qiáng)度增效作用要明顯優(yōu)于低強(qiáng)度混凝土(C30)，究其原因可以從兩方面來(lái)闡述：一是高強(qiáng)混凝土的水膠比小，粗骨料用量大。混凝土的強(qiáng)度主要受水泥漿與骨料黏結(jié)強(qiáng)度的影響，當(dāng)混凝土水膠比小時(shí)，水泥顆粒間相互連接形成骨架結(jié)構(gòu)所需的凝結(jié)時(shí)間短，凝結(jié)過(guò)程中多余水分蒸發(fā)后形成的孔隙少；另一方面，更多用量的粗骨料意味著水泥石的骨架更牢固，二者綜合作用保證了混凝土的高抗壓強(qiáng)度。二是高強(qiáng)混凝土的水泥用量多。更高的水泥用量意味著混凝土中存在更多的未水化水泥顆粒，在同等摻量(0.6%)的增效劑作用下，該部分水泥顆粒的表面能降低，反應(yīng)活性提高，容易發(fā)生充分水化反應(yīng)以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

表8 強(qiáng)度等級(jí)對(duì)增效劑性能的影響結(jié)果

圖3 增效劑作用于不同強(qiáng)度等級(jí)中的混凝土強(qiáng)度

3.4 不同水泥取代比例對(duì)增效劑性能的影響結(jié)果

表9、圖4表明，當(dāng)水泥取代比例在8%～10%，增效劑摻量為0.6%時(shí)，對(duì)比樣的抗壓強(qiáng)度和工作性能較基準(zhǔn)樣持平乃至有所增長(zhǎng)。該現(xiàn)象可做如下解釋：一是當(dāng)混凝土中按比例減少水泥用量時(shí)，由于本身存在未充分水化的水泥顆粒，故在使用增效劑后，其含有的醇胺類物質(zhì)能分散促進(jìn)水泥中硅酸三鈣和鐵鋁酸四鈣水化以替代被取代的那部分水泥顆粒；二是在保證混凝土容重不變的前提下，取代的水泥用量被折合至集料用量中，同時(shí)適當(dāng)增加了減水劑摻量，這也在一定程度上降低了因水泥用量減少而對(duì)混凝土強(qiáng)度造成的不良影響；三是增效劑具有一定的激發(fā)作用，能促進(jìn)粉煤灰玻璃體活性物質(zhì)在早期溶出，從而激發(fā)粉煤灰的早期活性[6]，達(dá)到降低水泥用量的目的。當(dāng)水泥取代比例大于10%時(shí)，由于集料總量增加，混凝土的粘度增加，工作性能下降，雖然其抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)樣不變，亦不予考慮。

表9 不同水泥取代比例對(duì)增效劑性能的影響結(jié)果

圖4 不同水泥取代比例時(shí)增效劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

3.5 增效劑對(duì)混凝土抗碳化能力的影響結(jié)果分析

如圖5所示，加入增效劑后，C30/C40等級(jí)混凝土的碳化深度均有所減少，究其原因是因?yàn)樵鲂┩ㄟ^(guò)改變混凝土中膠凝材料的分子晶形結(jié)構(gòu)與排列方式作用，讓其充分分散，增加膠凝材料的分散水化和包裹膠結(jié)骨料的能力，進(jìn)而減少混凝土內(nèi)部不良的多相晶體結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)和界面過(guò)渡區(qū)，使其更加致密和均勻；其次通過(guò)提高水泥分散性與其他材料充分混合均勻，增加拌合用水的有效分配和利用，使混凝土中部分未能參與水化的膠凝材料顆粒后期也能充分水化，提升了單位體積內(nèi)有效水泥顆粒的比例，從而有效減少混凝土內(nèi)部缺陷，抑制混凝土碳化進(jìn)程，延長(zhǎng)混凝土構(gòu)件服役壽命。由于C40混凝土本身致密程度高于C30混凝土且膠材用量大，故摻加增效劑后，前者的碳化深度要低于后者。

圖5 增效劑作用下混凝土的碳化深度

4 結(jié)論

⑴增效劑通過(guò)分散混凝土中的未水化水泥顆粒，促進(jìn)水泥顆粒水化進(jìn)程，提高混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度，減少損失。增效劑與其摻量、溫度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)其摻量為0.6%，環(huán)境溫度為35℃時(shí)，增效劑對(duì)于混凝土的綜合性能增幅效果最明顯。

⑵增效劑能促進(jìn)粉煤灰玻璃體活性物質(zhì)在早期溶出，從而激發(fā)粉煤灰的早期活性，達(dá)到降低水泥用量的目的，當(dāng)增效劑摻量為0.6%、水泥取代比例為10%時(shí)，混凝土工作和力學(xué)性能不變甚至有所上升。

⑶增效劑通過(guò)改變混凝土中膠凝材料的分子晶形結(jié)構(gòu)與排列方式作用，讓膠凝材料分子充分分散，增加膠凝材料的分散水化和包裹膠結(jié)骨料的能力，進(jìn)而減少混凝土內(nèi)部不良的多相晶體結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)和界面過(guò)渡區(qū)，使其更加致密和均勻，從而抑制混凝土碳化，延長(zhǎng)其使用壽命。●

[1]嚴(yán)希敏.CTF混凝土增效劑的試配及應(yīng)用研究［J］.商品混凝土,2010(10).

[2]胡亮,徐智勇,楊杰.增效劑CTF對(duì)商品混凝土耐久性的影響［J］.中國(guó)包裝科技博覽:混凝土技術(shù),2012(1):42-45.

[3]李青川,陳洪韜,陳向榮,等.CTF混凝土增效劑對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響［J］.商品混凝土,2011(3).

[4]劉道勝.CTF增效劑在商品混凝土中的應(yīng)用性能研究［D］.重慶大學(xué),2012.

[5]王宗輝,李秋芳,王繼東,等.CTF混凝土增效劑在保定地區(qū)的應(yīng)用［J］.商品混凝土,2012(8).

[6]張梓鑫,顧瑞,朱亞杰.增效劑在混凝土中的作用機(jī)理［J］.商品混凝土,2015(7).