摻聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土耐久性的研究

滕可祖　王文龍

[摘要]近幾年來，隨著原先建成的基礎設施工程在一些環境下出現過早損壞，人們逐漸認識到：過早破壞的原因不是由于強度不足，而是由于混凝土耐久性不良。從建筑物的“百年大計”來講，混凝土的耐久性應比強度更為重要。本課題是基于企業生產實際，從解決普通混凝土力學性能和耐久性能差這一情況著手，在混凝土中同摻高性能聚羧酸減水劑和磨細礦渣粉，使新拌混凝土更均勻密實，硬化混凝土的骨料與凝膠粘結更加牢固，從而使混凝土的各項性能指標提高，最終實現混凝土的高性能化。對混凝土進行力學性能、抗滲性、抗侵蝕性、抗凍性試驗，并將新配制高性能混凝土與基準混凝土的耐久性進行了全面分析。研究表明，磨細礦渣粉的使用既減少混凝土中的水泥用量，降低混凝土生產成本，又變廢為寶、化害為利，更大發揮高性能混凝土的優勢，改善混凝土的工作性、耐久性和物理力學性能。取得更大的環保與技術經濟效益，值得大量推廣。

[關鍵詞]聚羧酸減水劑；礦渣粉；高性能混凝土；耐久性

1.試驗優選配合比

為使試驗結果更加切合生產實際，本文所用原材料均從生產現場獲取。

1.1原材料

（1）水泥 采用勝利P042.5水泥，其強度指標見表1。

（2）礦渣粉 采用中鐵產的礦渣粉，其化學成分見表2。

（3）骨料

a.砂子采用機制砂，細度模數3.0，比重2.58，含泥量2%。

b.石子采用自產5mm～25mm碎石，比重2.58，含泥量2%，壓碎值11%。

（4）外加劑 采用瑞士西卡公司生產的聚羧酸高性能減水劑（本廠一直應用的）。

1.2高性能混凝土力學性能試驗

本文配制復合摻加聚羧酸減水劑和礦渣粉的混凝土，通過測試其力學性能，確定礦渣粉在混凝土中的最佳摻量和最優配比，進而為進一步通過摻人礦渣粉來配制高性能混凝土積累經驗，使其更好地運用于工程實踐。復合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土配合比試驗情況見表3。

1.3試驗結果分析

從強度試驗結果看，無論是早期強度還是后期強度，礦渣粉摻量為25%混凝土高于不摻礦渣粉的混凝土相應齡期的強度。摻礦渣粉混凝土的早期強度隨著礦渣粉摻量的增加而降低，在礦渣粉摻量為25%時，強度最高，但是從塌落度和擴展度試驗結果看，所有配比的混凝土均可以滿足管道需要的流動性和粘聚性。在此試驗基礎上，以礦渣粉摻量為25%混凝土為基準，改變聚羧酸減水劑的摻加量后進行了大量的力學性能試驗（分別為總膠凝材料用量的1.7%和2.2%），試驗結果均不十分理想。通過對試驗結果進行分析發現：水泥用量、水膠比及灰渣比始終是影響礦渣粉混凝土坍落度和強度的重要因素，砂率對混凝土的坍落度和7d強度影響較大，28d以后，由于礦渣粉的活性發揮主要作用，砂率對其的影響不是很大。礦渣粉微細顆粒的填充作用使集料周圍的空隙減小，使水泥漿本體結構和界面區結構致密，高性能混凝土的抗壓強度明顯提高。

1.4確定用于混凝土耐久性試驗的配合比

通過以上試驗，綜合考慮混凝土力學性能和流動性相互制約因素，提出礦渣粉和聚羧酸減水劑的最佳摻量為礦渣粉摻量為25%，聚羧酸減水劑最佳摻量為2%，在此基礎上最終確定用于混凝土耐久性試驗的配合比見表4。

在上述混凝土配合比中，C50表示基準高強混凝土，H50表示高性能混凝土，C50水泥用量與H50總膠結料用量相等，聚羧酸減水劑的摻加以總膠凝材料用量為基準。摻聚羧酸減水劑和活性摻和料是改進混凝土結構和性能的常用措施，它們的主要作用是改進混凝土中水泥漿體的結構和性能，受成型及應用條件影響，聚羧酸減水劑和活性摻和料的摻量有嚴格限制，在實際工程中，它們的摻量一般不可能達到明顯改進界面結構所需摻量。

2.耐久性試驗

2.1力學性能試驗

混凝土抗壓強度始終是非常重要的指標，而又是最容易準確測量的參數，因此，本研究選用不同齡期（3 d，7 d，28 d，90 d）的抗壓強度作為混凝土力學性能的考核指標。

2.1.1試驗結果

混凝土力學性能試驗結果如表5所示。

2.1.2試驗結果分析

從強度試驗結果看，無論是早期強度還是后期強度，摻礦渣粉混凝土均高于不摻礦渣粉的混凝土相應齡期的強度。由此可見，單從力學性能角度來看，摻礦渣粉混凝土的耐久性要高于不摻礦渣粉的混凝土的耐久性。摻人礦渣粉能較好地提高混凝土強度，其機理是礦渣粉在二次水化反應中吸收大量的CH晶體，使混凝土中尤其是在界面區的CH晶粒變小變少，改善了界面粘結強度，由于CH被大量吸收掉，從而促進了水化反應速度，使摻礦渣粉混凝土的早期強度少受或不受影響，而后期強度也因礦渣粉的不斷水化使強度增長較多。

2.1.3工程應用

在混凝土中摻人礦渣粉具有降低混凝土水化熱的作用，高強混凝土通常使用硅酸鹽水泥或普通水泥，且水泥用量大，水化放熱速度快，當混凝土內外溫差超過30℃時，混凝土有開裂的危險，摻入礦渣粉對控制混凝土溫升有顯著作用。此外，在混凝土中摻入聚羧酸減水劑與礦粉粉兩者相結合可使混凝土獲得高流動性、高強度，還具有減少新拌混凝土用水量，改善混凝土耐久性的作用。

2.2抗凍性試驗

2.2.1試驗結果

復合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土與普通基準混凝土的凍融試驗結果見表6。

從表6可見，經過100次凍融循環之后，H50混凝土強度損失率很小，C50混凝土的強度損失率較大，經200次凍融循環后，C50混凝土強度損失率明顯增大，而H50混凝土的強度損失率依然很小，經過300次凍融循環后，C50混凝土的強度損失率增大更為明顯，而H50混凝土的強度損失僅與C50經過100次凍融循環之后的強度損失率相當；經過300次凍融循環后，H50混凝土的質量損失率為2.75，而C50混凝土的損失率為10.99。

2.2.2試驗結果分析

經過對兩種混凝土的凍融試驗結果進行比較看來，在凍融循環過程中，H50混凝土的抗壓強度損失率、質量損失率均顯著低于基準混凝土C50，且H50與C50各項損失率的差距在凍融后期更為明顯，這說明H50混凝土耐久性劣化速度小于C50混凝土。以上凍融試驗說明，高性能混凝土采用凍融循環試驗的方法來評價其抗凍性，周期太長。由此可見，在經過100次，200次，300次凍融循環，復合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土試樣與普通基準混凝土相比，其重量損失和強度損失均大為減少。由此足以證明復合摻礦渣粉和聚羧酸減水劑的混凝土具有較高的抗凍融耐久性。

2.2.3結論

相比于C50基準混凝土，復合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土可視其為具有高抗凍性的高性能混凝土。

2.3抗硫酸鹽侵蝕試驗

2.3.1試驗結果

抗硫酸鹽侵蝕試驗結果見表7。

2.3.2結果分析

試驗結果表明兩種類型混凝土試件隨著浸泡時間的延長，經5%Na2SO4溶液侵蝕后，復合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土試樣與普通基準混凝土試件都發生了膨脹，抗折、抗壓強度均明顯降低，90d測試5%NazSO4溶液侵蝕后的基準混凝土膨脹率為0.95%，復合摻加聚羧酸減水劑礦渣混凝土試樣膨脹率為0.21%，比基準混凝土膨脹率小4倍，即復合摻加聚羧酸減水劑礦渣混凝土抗硫酸鹽侵蝕性比基準混凝土提高4倍，90d抗折強度、抗壓強度損失率比基準混凝土降低2倍。試驗結果說明，在本試驗模擬條件下隨著時間的延長，復合摻加聚羧酸減水劑礦渣混凝土試件比普通基準混凝土試件更耐腐蝕，復合摻加聚羧酸減水劑礦渣混凝土試樣比普通基準混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕性能有明顯改善。

2.3.3結語

（1）基準混凝土和復合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土均選用了聚羧酸減水劑，使混凝土在等水膠比前提下工作性大大改善，混凝土成型更加密實；聚羧酸減水劑的減水分散作用使混凝土中孑L結構得到改善，大孔減少，小孔增多，混凝土結構更為致密；磨細礦渣粉的摻入能有效的改善混凝土的各項性能參數，提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。

（2）在硫酸鹽侵蝕環境中，復合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土的耐久性能指標優于普通基準混凝土的耐久性能指標。

3.課題研究結論

通過本課題的研究，可以得到以下結論和建議：（1）水膠比對混凝土性能始終是一項重要的影響因素。但是，在一定范圍內，摻合料摻量對于耐久性的影響更加顯著，因此，在實際應用中應該多重視摻和料的有利作用，使其在混凝土中發揮更大的作用。（2）礦渣粉、聚羧酸減水劑和較低的水膠比能夠改善混凝土的各項性能參數，提高混凝土的耐久性能。（3）在硫酸鹽侵蝕環境中，摻加礦渣粉的混凝土耐久性能指標較好，說明礦渣粉對于抵制惡劣環境中的硫酸鹽侵蝕有較大的潛力。（4）采用礦渣粉取代部分水泥配制高性能混凝土，可明顯降低水泥用量，混凝土可在3 h內保持良好的工作性能，并能降低水泥水化熱，減少收縮，避免溫度應力及裂縫，有利于抑制堿集料反應，提高混凝土的耐久性和抗腐蝕性能等。（5）復合摻加聚羧酸減水劑礦渣混凝土不離析，不泌水，有穩定的表觀密度，硬化后混凝土的收縮、變形較小，溫度變形系數較小，不產生不均勻的變形，無非荷載作用下的有害裂縫。（6）研究摻礦渣粉的高性能混凝土，對發展綠色環保建材，實現水泥混凝土工業資源優化配置和可持續發展具有重大的意義。本文通過對摻超細礦渣的高性能混凝土進行初步試驗研究，其成果對工程設計、施工和混凝土生產具有一定的指導意義。