聚羧酸超塑化劑對水泥土強度影響的試驗分析

陳三姍 陳 峰

(福建江夏學院工程學院 福建福州 350108)

0 引言

超塑化劑又稱混凝土外加劑，國外一般稱為超塑化劑，在中國主要是指減水率高的高效減水劑和高性能減水劑。已有研究表明，超塑化劑會影響水泥漿的流動性，改善水泥漿強度。如逢建軍[1]分析了聚羧酸超塑化劑的側鏈長度對水泥漿流動性的影響，研究發現側鏈長度越長，越有利于提高水泥漿強度。李延偉[2]研究了聚羧酸超塑化劑與納米SiO2顆粒協同作用對固井水泥漿的強度、流變性能以及微結構的影響，研究結果發現超塑化劑對水泥漿強度有明顯的積極改善作用。

由于超塑化劑對水泥漿的積極作用，超塑化劑被應用于混凝土中，以提高混凝土的流動性及早期強度。如周敏[3]將自行配制的超塑化劑摻入陶粒混凝土，發現能得到最佳混凝土流動度和黏聚度的超塑化劑摻量為1.0%。然而水泥土的結構和混凝土不同，在混凝土的拌合料中，水泥膠體可以充分包裹在所有骨料的外表面，并填滿骨料間的孔隙。而水泥土中的水泥膠體并沒有充分的包裹于土料的外表面，也沒有填滿所有土料間的孔隙，而是將一些沒有粘結的材料分割成許多細小的團粒，然后再將這些細小團粒膠結起來[4]。因此，是否能將超塑化劑應用于混凝土的研究成果直接用于水泥土尚待考究。已有學者研究將超塑化劑應用于水泥土，如燕仲彧[5]通過室內試驗，發現在水泥漿中摻入不同劑量的JM-HF灌漿劑、磺化三聚氰胺高效減水劑、生石膏、粉煤灰等，可以提高水泥土的無側限抗壓強度。葉觀寶[6]等對摻加了SN-Ⅱ高效減水劑、氫氧化鋁和氯化鈣的水泥土微觀結構進行研究，發現三種添加劑均能夠提高水泥土無側限抗壓強度，但是提高水泥土強度的方式不同。王淑波、童小東[7-8]等通過室內強度試驗也得到了類似結論。宋作寶[9]利用X射線衍射儀研究了北京某黏土的化學成分，研究結果認為黏土含量在10%，超塑化劑摻量在0.5%時，試樣的性能達到最佳效果。

將超塑化劑應用于水泥土的研究成果目前并不多，且由于土體具有地方區域性特征，因此研究成果不盡相同。因此，本文將處于沿海地區具有軟土多、氯離子成分大等特點的福州地區土體作為研究對象，首先通過無側限抗壓強度試驗，探究其對水泥土強度的影響，然后通過掃描電鏡試驗觀察超塑化劑作用下水泥土微結構的變化，其研究成果有利于工程人員進一步認識外加劑在水泥土領域的應用。

1 超塑化劑作用下的水泥土強度試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為超塑化劑、水泥以及淤泥質粘土，其中水泥采用福建水泥股份有限公司煉石水泥廠生產的42.5普通硅酸鹽水泥，其化學成分和性能指標經檢測合格。超塑化劑來自福州興大建材有限公司的聚羧酸超塑化劑，土料來自福州某工地的淤泥質粘土，其性能指標如表1所示。

表1 試驗用淤泥質粘土的物理力學性質指標

1.2 試驗方案

通常來說，獲得水泥土無側限抗壓強度的方法主要有兩種：一種是采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件，通過壓力機以一定的加載速率直接壓縮，記錄其破壞荷載，從而換算為試件的抗壓強度；另一種是采用直徑39.1 mm，高80 mm的圓柱體試件，通過三軸壓縮儀在圍壓為零的情況下進行壓縮，進而計算出其抗壓強度。由于本試驗所用設備為WED-600A型萬能試驗機，因此強度試驗中，試件選用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件開展試驗。

無側限抗壓強度試驗配比方案如表2所示，表中水泥摻入比為水泥質量/濕土質量×100%，超塑化劑摻量為超塑化劑質量/凝膠材料質量×100%，其摻量取工程常用摻量1.2%，水灰比(w/c)為0.45。每個配比方案同一齡期制作3個試樣做平行試驗，取平均值作為該配比的強度值。

表2 水泥土無側限抗壓強度試驗配比方案

1.3 試驗過程

(1)按表2配比方案稱取土樣和自來水放入膠砂攪拌機進行攪拌直至均勻。按配比方案稱取相應的水泥、水和超塑化劑，放入膠砂攪拌機進行攪拌直至均勻，配置成水泥漿。

(2)振動成型，并將制作好的試樣在20±3℃的環境中靜置1d～2d，拆模后立即放入溫度20±3℃，相對濕度90%以上的環境中養護，養護齡期為7d、28d、60d、90d。

(3)將試件置于WED-600A型萬能試驗機底座正中，使試件受壓均勻，試驗機以0.15kN/s的速度連續均勻加載，直至試樣破壞，記錄峰值荷載，并按公式(1)計算試件的無側限抗壓強度。

(1)

其中，P為峰值荷載(N)；A為試樣底面積(mm2)。

(7)無側限抗壓強度試驗完成以后，將破壞的試件敲碎，取試樣約1 cm×1 cm×1 cm，經電吹風低溫吹干，經過篩分、烘干、表面鍍金處理等步驟制作不同超塑化劑摻量下的試樣放入掃描電鏡觀測，掃描電鏡試驗所用儀器為德國蔡司掃描電鏡EVO 10，如圖1所示。

圖1 德國蔡司掃描電鏡EVO 10

2 實驗結果分析

2.1 無側限抗壓強度試驗結果分析

無側限抗壓強度試驗所得試驗結果如表3所示。圖2給出了超塑化劑下作用下不同齡期時的水泥土的強度變化規律。

由表3以及圖2可以看出，超塑化劑的摻加能夠提高水泥土的強度，7 d齡期提高了0.27 MPa，28 d齡期提高了0.14 MPa，60 d齡期提高了0.08 MPa，90 d齡期提高了0.08 MPa。但其提高水泥土強度的能力隨齡期增長而變小。7d齡期時超塑化劑提高水泥土強度的程度最大。工程實際中，水泥土強度標準值通常以90d齡期強度為準，因此，可以得出超塑化劑的摻加對于水泥土強度影響不大，超塑化劑的摻加能夠明顯改善水泥漿和水泥土的流動性，這對水泥土的工程施工具有很高的應用價值。

圖2 摻加與不摻加超塑化劑下水泥土強度變化情況

表3 無側限抗壓強度試驗結果

2.2 掃描電鏡試驗結果分析

試樣的掃描電鏡圖片分別如圖3～圖4所示。圖3、圖4分別為超塑化劑摻量為0%、1.2%時的水泥土試樣掃描電鏡照片。在水泥水化完全的環境中，C-S-H約占70%，對水泥土強度起決定性作用；Ca(OH)2約占20%；水化硫鋁酸鈣約占7%；3%為其他水化產物。

(a)7d 1000倍

(b)7d 7500倍

(c)28d 1000倍

(d)28d 7500倍

(a)7d 1000倍

(b) 7d 7500倍

(c) 28d 1000倍

(d) 28d 7500倍

2.2.1 水泥土微結構的形成

由圖3、圖4可知，7 d齡期時，板片狀、凝絮狀的水化產物在土顆粒之間生成。根據水泥水化產物的形貌和晶體大小可以確定呈板片狀的晶體為Ca(OH)2，凝絮狀的為C-S-H凝膠。從圖中還可以見到一定量的短棒狀水化產物，這些短棒狀水化產物為AFt，可見在7d齡期時已經有了一定量AFt生成。28d齡期時，凝絮狀水化產物明顯較7d齡期時多，短棒狀的水化產物相互交錯搭接，大部分的顆粒表面已經被水化產物覆蓋。

放大倍數1000倍下，對比7 d、28 d齡期掃描照片發現，7 d齡期時，土顆粒的表面和土顆粒之間已經出現了一定量的水化產物，不過此時土顆粒結構較為分散，土顆粒周圍的凝膠物質并未完全填滿土顆粒之間的孔隙；28 d齡期時，土顆粒之間的凝膠物質含量增加，土顆粒表面覆蓋了大量的凝膠物質，大部分的大孔隙都被凝膠物質填充，能夠明顯看到土顆粒膠結在一起。

放大倍數7500倍下，對比7 d、28 d齡期掃描照片發現，28 d齡期時，土顆粒表面及土顆粒之間的凝絮狀、短棒狀水化產物數量更多。短棒狀水化產物在孔隙中相互交錯，形成結構更為密實的整體。

上述說明，隨著齡期的增長，水泥土的結構越來越緊密，土顆粒膠結越來越強，從宏觀來說即強度增強。

2.2.2 聚羧酸超塑化劑對水泥土微結構的影響

7 d齡期時，圖4(a)摻加超塑化劑的水泥土試樣可以見到晶型較好的Ca(OH)2晶體，而圖3(a)未摻加超塑化劑的試樣并未見到晶型較好的Ca(OH)2晶體；圖4(a)的水化產物呈凝絮狀覆蓋于水泥和土顆粒表面，這對于水泥的水化是不利的。而圖3(a)大部分的水化產物呈不等大的粒子狀，這些產物自身凝聚而沒有覆蓋在水泥顆粒表面，這對于水泥的水化有很有利。摻加了超塑化劑的水泥土Ca(OH)2的結晶程度較高。

28d齡期時，圖4(c)和圖3(c)對比可知，摻加超塑化劑的水泥土中Ca(OH)2結晶程度更高，并且水化產物中存在不等大粒子狀的水化產物。說明超塑化劑的摻加能夠促進AFt晶體的形成，對水泥土的強度具有增強作用。

2.2.3 超塑化劑改善水泥土早期強度的原因分析

(1)從SEM試驗結果可以看出，聚羧酸超塑化劑有利于AFt晶體的形成。而AFt結晶的形成有利于水泥土和水泥石早期強度的提高。

(2)聚羧酸超塑化劑的減水作用，使得水泥土中水泥顆粒分散開來，能有效提高水泥漿和水泥土流動性，并能夠促進水泥的水化，使凝膠物質生成更多。

(3)超塑化劑對水化產物形貌的改變。聚羧酸超塑化劑使C-S-H(Ι)型凝膠轉變成C-S-H(ΙΙ)型網絡狀和C-S-H(ΙΙΙ)型不規則等大粒子狀，使水泥石結構更為致密，這對提高水泥石強度產生積極作用。

3 結論

本文通過摻入超塑化劑水泥土的無側限抗壓強度試驗及SEM試驗，得出以下兩點結論：

(1)超塑化劑的摻加主要是提高水泥土的早期強度，不過其提高水泥土強度的能力隨齡期增長而變小。

(2)由掃描電鏡試驗可知，超塑化劑的摻加，可以使水泥土中Ca(OH)2的結晶程度較高，并能夠促進AFt晶體的形成，從而改善水泥水化產物膠結的形貌，這對于水泥土強度的改善是有利的。