外摻劑對混凝土力學性能影響分析

韓　冰

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津　300300)

隨著混凝土技術的不斷發展，混凝土外摻劑已經變成混凝土中必不可少的組分。20世紀末期，高性能混凝土概念的提出、研究應用的蓬勃發展及之后綠色高性能混凝土概念的深化都起源于不同混凝土外加劑的研制和成功應用[1]。

隨著建筑業的快速發展，傳統的混凝土施工技術早已不能滿足大型跨海大橋、超高層及配筋較密建筑工程的建設施工要求，必須應用較大流動性泵送混凝土的施工，必須加緊進行外摻劑對混凝土力學性能的影響分析[2]。混凝土中最重要的力學性能是強度。在一定情況下，混凝土其他性能通常與混凝土的強度息息相關。而加入外摻劑，可以明顯增加混凝土的強度，還可以增加混凝土其他的力學性能[3]。

1　試驗概況

1.1　早、中期力學強度試驗

本研究中，以水泥混凝土的軸心抗壓強度、抗壓強度和抗彎拉強度作為評價混凝土力學性能的指標。對不同外加劑配合比組合下試件的力學性能進行試驗研究[4]。由于水泥混凝土的抗彎拉強度是工程設計中的一個重要參數，因此對試件的抗彎拉強度進行了測定。在試驗中，采用100 mm×100 mm×400 mm的非標準試件，計算出的抗彎拉強度需要乘上換算系數0.85。

1.2　試驗設備

試驗機：采用50～300 kN抗折試驗機或者萬能試驗機。

抗彎拉試驗裝置：能使2個相等荷載同時作用在試件跨度的3分點處上的抗彎拉試驗裝置。

1.3　試驗方法

按預定配合比稱量水泥混凝土所用的原料，經過拌合后，將它倒入試模中進行振搗和抹平成型，1 d后拆模。在規定的條件下，養護28 d后進行試驗。

將試件放在試驗機上，施加均勻、連續的載荷，加荷速率取0.05～0.08 MPa/s。當試件接近破壞時，停止調整試驗機油門。試件破壞后，要記下最大荷載[5]。

各組試驗所用的配合比見表1。

表1　試驗配合比Table 1　Test mixing ratio

1.4　試驗結果計算

2　早、中期力學強度試驗結果分析

早、中期的力學強度試驗結果分別見表2～4。試驗數據包括：混凝土3,7和28 d的抗壓強度、軸心抗壓強度及抗彎拉強度。

2.1　立方體抗壓強度

從表2中3 d齡期下混凝土試件的抗壓強度可以看出：摻加活性摻和料試件的強度都處于空白組的之下。隨著摻和料用量的增加，它們的各項強度均逐步降低。當用量相同時，摻礦渣混凝土試件的各項強度均強于摻粉煤灰混凝土試件的。分析減水劑對于混凝土早期強度的影響可得出：對于摻加20%粉煤灰的試件，摻加減水劑試件的抗壓和軸心抗壓強度均高于不摻減水劑試件的相應強度。對于摻加10%礦渣的試件，摻加減水劑試件的各項強度均略低于不摻減水劑試件的相應強度。對于采用三摻技術的試件，由于3 d的齡期較短，水化產物比較少，活性摻和料還沒有充分反應。

表2　混凝土3 d齡期強度Table 2　Three day age strength of concrete

表3　混凝土7 d齡期強度Table 3　Seven day age strength of concrete

表4　混凝土28 d齡期強度Table 4　Twenty-eight day age strength of concrete

從表3中7 d齡期下混凝土試件的抗壓強度可以看出：混凝土7 d齡期的各項強度比對應的 3 d 齡期的均增加近1倍。由此可知，前7 d是混凝土強度形成較快的時期。與3 d齡期數據類似，混凝土的強度隨著摻和料的增加而逐漸降低。由于礦渣的活性比粉煤灰的高，在相同摻量的情況下，摻加礦渣的混凝土抗壓強度明顯要優于粉煤灰的。加入減水劑明顯提高了粉煤灰7 d的強度，但對于礦渣的影響卻不太明顯，摻加減水劑試件的各項強度均和不摻減水劑試件的相差很小。三摻技術7 d強度近似與20%粉煤灰+減水劑的效果類似，其強度接近。

從表4中28 d齡期下混凝土試件的抗壓強度可以看出：采用單摻技術試件的強度比7 d齡期的要明顯提高，但對應相同摻量試件的強度的增幅比7 d齡期的要小。通過對實驗數據分析可知，30%礦渣試件強度的增長較快，略高于空白組的，而其他各組試件的強度要較低于空白組的，但是其強度差已經很小，摻加粉煤灰試件的各項強度隨摻量的增加而逐漸減小，而摻加礦渣試件的各項強度隨摻量的增加而逐漸增加。摻加減水劑后，對應的強度會進一步增加；但對于摻粉煤灰的試件，加入減水劑對于混凝土強度的影響不大。而在這個齡期的雙摻試件與7 d齡期下試件強度的特點類似，其各項強度均在單摻試件強度之間，既高于單摻粉煤灰試件的，又低于單摻礦渣試件的[6]。

不同齡期使用活性摻和料混凝土立方體抗壓強度如圖1所示。不同齡期使用減水劑后立方體抗壓強度如圖2所示。

圖1　不同齡期使用活性摻和料混凝土立方體抗壓強度Fig. 1　Compressive strength of concrete cubes using active admixture at different ages

圖2　不同齡期使用減水劑后立方體抗壓強度對比Fig. 2　Contrast diagram of cube compressive strength after using water reducing agents at different ages

從圖1，2中可以看出，加入摻和料對混凝土強度的形成具有顯著影響，減緩了混凝土早期強度的形成。隨著齡期逐漸增長，摻和料對于混凝土強度的影響逐步減小。粉煤灰對于混凝土早期強度的形成影響十分明顯，而礦渣對于混凝土早期強度的形成影響與粉煤灰的相差不大；但在后期，礦渣加速了混凝土強度的形成。此外，礦渣對混凝土強度形成的效果要優于粉煤灰的。減水劑對于混凝土早期強度形成具有一定的影響；但在后期，它的影響會逐步降低。通過試驗中的數據還可得出結論：在早期，混凝土強度形成得較快，隨著齡期的發展，其強度形成速率會逐漸降低。因此，在今后的工程實際中，要注意混凝土早期的養護工作，以保證工程質量。

2.2　抗彎拉強度

不同齡期使用活性摻和料混凝土抗彎拉強度如圖3所示。從圖3中可以看出，在養護時間、養護條件相同的條件下，粉煤灰和礦渣的加入對于混凝土抗彎拉強度的提高都可以起到一定的作用。其中，礦渣的作用要優于粉煤灰的。在外加混合料摻量相同的條件下，加入礦渣會使混凝土的抗彎拉強度較粉煤灰的要提高約1 MPa，且該強度的提高值與外加混合料的摻量也存在一定的關系。從圖3中還可以看出，以粉煤灰為例，20%粉煤灰試件的抗彎拉強度達到4.51 MPa，而10%粉煤灰和30%粉煤灰的抗彎拉強度均低于20%粉煤灰的抗彎拉強度，分別為4.38 MPa和4.41 MPa。而相同情況在礦渣摻量不同時仍有體現：20%礦渣的抗彎拉強度也要高于10%礦渣和30%礦渣的抗彎拉強度。由此可得結論：在28 d齡期時，外摻混合料對于混凝土強度的加速形成起到了顯著作用，并且礦渣在提高抗彎拉方面的作用優于粉煤灰的；外摻混合料的摻量對于試樣的抗彎拉強度提高量也并非線性關系，而是呈二次拋物線的關系，在20%摻和料摻量左右達到極值，此時摻和料對早期強度提高的作用最為顯著。

圖3　不同齡期使用活性摻和料混凝土抗彎拉強度Fig. 3　Flexural strength of concrete with active admixture at different ages

外加劑對于混凝土早期強度形成時的影響如圖4所示。從圖4中可以看出，在20%粉煤灰二分點試驗中的抗彎拉強度為4.51 MPa，而20%粉煤灰+1.2%減水劑的抗彎拉強度為4.37 MPa，可知它們的差別不大。分析10%粉煤灰的二分點和三分點對照試驗也可得到類似結論。可見，外摻劑的使用對混凝土28 d齡期抗彎拉強度的影響 不大[7]。

圖4　不同齡期使用減水劑后抗彎拉強度對比Fig. 4　Contrast diagram of flexural strength after using water reducing agents at different ages

在混凝土中，加入粉煤灰和礦渣也會在很大程度上提高混凝土的抗彎拉強度，但其效果要介于單摻2種混合料之間，復摻2種混合料的二分點抗彎拉強度為4.52 MPa，而單摻粉煤灰的二分點抗彎拉強度為4.41 MPa；單摻礦渣的二分點抗彎拉強度為5.05 MPa。

3　結論

摻和料的加入會延緩混凝土強度的形成。隨著用量的增加，對其抗彎拉強度的影響更為明顯，并且粉煤灰對強度形成的影響要弱于礦渣的。 28 d 齡期時，抗彎拉強度與摻和料的摻量有密切關系，20%摻和料摻量對其抗彎拉強度的影響最為顯著。減水劑既能減少拌合用水量，又能增加混凝土的早期抗彎拉特性。但是，隨著齡期的增加，其影響程度也逐漸減小。因此，在力學方面，摻和料和外摻劑的作用為控制反應速率。

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