復(fù)摻外加劑對混凝土強(qiáng)度及耐久性能影響研究

李子建

(1.河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司 石家莊市 050091; 2. 河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心 石家莊市 050091)

0 引言

近年來，隨著混凝土技術(shù)的高速發(fā)展，外加劑已成為混凝土的主要成分之一，外加劑的摻入不僅有助于提升混凝土的性能，更為混凝土的可持續(xù)發(fā)展提供了方向。但由于外加劑種類繁多，不同類型外加劑對混凝土性能的改善效果存在一定差異，因此，如何有效利用外加劑來增強(qiáng)混凝土的性能仍值得當(dāng)下學(xué)者進(jìn)一步探究。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對外加劑在混凝土技術(shù)中的應(yīng)用展開了大量研究，尚方[1]認(rèn)為根據(jù)機(jī)制砂混凝土的等級要求選擇適合的外加劑和用量，可確保機(jī)制砂混凝土路用性能的穩(wěn)定性。王瑞陽等[2]分析了外加劑對砂漿性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)外加劑能有效增強(qiáng)水泥砂漿的力學(xué)性能。楊之璋等[3]分析了外加劑單摻和復(fù)摻耦合作用下對泡沫混凝土早期收縮及開裂的影響，發(fā)現(xiàn)外加劑的加入可以有效抑制泡沫混凝土的早期收縮和塑性開裂。劉霖艾等[4]認(rèn)為外加劑的加入有助于提升混凝土拌和物的各項(xiàng)性能，并總結(jié)了幾種常用外加劑對混凝土性能的影響。上述研究主要集中在單摻外加劑提升混凝土性能方面的研究，而關(guān)于復(fù)摻外加劑提升混凝土性能的研究還有待進(jìn)一步完善。基于此，針對減水劑和膨脹劑兩種外加劑復(fù)摻進(jìn)行了研究，對比分析不同外加劑摻量對混凝土強(qiáng)度及耐久性能的影響，并給出了兩種外加劑的較優(yōu)復(fù)摻比例。

1 原材料

(1)水泥：選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其基本性質(zhì)如表1所示。

表1 水泥基本性質(zhì)

(2)集料：粗集料采用石灰?guī)r碎石，粒徑5～25mm，細(xì)集料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，其基本性能檢測結(jié)果如表2所示。

表2 集料基本性能

(3)礦物摻和料：采用II級粉煤灰，比表面積為418kg/m2，燒失比為6.1%，強(qiáng)度活性指數(shù)為92%。

(4)外加劑和水：減水劑采用聚羧酸高效減水劑，固含量38%，減水率為27.5%。膨脹劑采用MPC聚合物纖維膨脹劑，比表面積280kg/m2，堿含量0.6%，氧化鎂含量3.2%。水采用市政自來水。

2 試驗(yàn)方案及配合比設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

(1)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2016)規(guī)范要求進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度測試，試件尺寸為100mm×100mm×100mm，折算系數(shù)取0.95，加載速度為0.5～0.8MPa/s。

(2)抗凍試驗(yàn)：按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)規(guī)范要求，采用慢凍法進(jìn)行混凝土抗凍性能測試，試件養(yǎng)護(hù)24d后，轉(zhuǎn)移至溫度為20℃±2℃的水中浸泡4d，測試試件28d的強(qiáng)度和質(zhì)量后進(jìn)行150次凍融試驗(yàn)。

(3)碳化試驗(yàn)：試件養(yǎng)護(hù)26d后，轉(zhuǎn)移至溫度為60℃的烘烤箱，烘烤2d后放入碳化箱進(jìn)行碳化試驗(yàn)，保持碳化箱內(nèi)相對濕度為70%±5%，二氧化碳濃度為20%±3%，溫度為20℃±2℃，碳化28d后采用1%酚酞酒精溶液檢測試件碳化深度。

(4)抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)：試件養(yǎng)護(hù)26d后，轉(zhuǎn)移至溫度為80℃±5℃的烘烤箱，烘烤2d后放入干濕循環(huán)箱，侵蝕溶液采用濃度為5%Na2SO4溶液，每循環(huán)15次測試一次PH值和試件抗壓強(qiáng)度損失。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)原材料性能指標(biāo)進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，試件固定水膠比為0.25，粉煤灰摻量為30%，減水劑摻量分別為1.1%、1.2%、1.3%和1.4%，膨脹劑摻量分別為7%、8%、9%和10%，研究在這一配合比下，復(fù)摻減水劑和膨脹劑對混凝土試件強(qiáng)度及耐久性能的影響規(guī)律，以確定兩種外加劑復(fù)摻條件下的合理摻量，其中減水劑摻量為1.1%的混凝土配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與分析

3.1 混凝土強(qiáng)度

針對不同摻量減水劑及膨脹劑對混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行對比分析，得到齡期28d的混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖1所示。

圖1 復(fù)摻外加劑抗壓強(qiáng)度變化曲線

根據(jù)圖1可知，當(dāng)減水劑摻量一定時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著膨脹劑摻量的增大呈先增后減趨勢變化，原因是摻入適量的膨脹劑有助于提升混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，但過量摻入后，膨脹作用會破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)性，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度有所下降，由此說明膨脹劑摻量不宜過大。當(dāng)膨脹劑摻量為7%～8%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨減水劑摻量的增大呈先增后減趨勢變化，而膨脹劑摻量增至9%～10%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨減水劑摻量的增大呈先減后增趨勢變化，原因是摻入適量減水劑有助于提升水泥水化作用，但過量摻入后，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)會形成多余空隙，從而導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降，說明減水劑摻量同樣不宜過大。綜合來看，對于復(fù)摻外加劑改善混凝土抗壓強(qiáng)度而言，減水劑摻量選擇1.2%、膨脹劑摻量選擇8%的混凝土力學(xué)性能相對較優(yōu)。

3.2 抗凍性能

針對不同摻量減水劑及膨脹劑對混凝土抗凍性能的影響規(guī)律進(jìn)行對比分析，得到混凝土質(zhì)量損失率變化曲線如圖2所示。

圖2 混凝土質(zhì)量損失率變化曲線

根據(jù)圖2可知，減水劑摻量不變時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失率隨著膨脹劑摻量的增大呈先減后增趨勢變化，原因是摻入適量的膨脹劑有助于降低混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙，可限制外界水流入，但過量摻入后，膨脹作用會增大混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙，導(dǎo)致混凝土抗凍性能有所下降。當(dāng)膨脹劑摻量一定時(shí)，混凝土質(zhì)量損失率隨減水劑摻量的增大呈先減后增趨勢變化，原因是摻入適量減水劑有助于減少混凝土拌和水的用量，防止凍融破壞，過量摻入后，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成的多余空隙會增大外界水的流入，從而降低了混凝土的抗凍性能，說明減水劑摻量同樣不宜過大。綜合來看，對于復(fù)摻外加劑改善混凝土抗凍性能而言，減水劑摻量選擇1.2%、膨脹劑摻量選擇8%的混凝土抗凍性能改善效果相對顯著。

3.3 抗碳化性能

針對不同摻量減水劑及膨脹劑對混凝土抗碳化性能的影響規(guī)律進(jìn)行對比分析，得到碳化28d的混凝土碳化深度變化曲線如圖3所示。

圖3 復(fù)摻外加劑碳化深度變化曲線

根據(jù)圖3可知，當(dāng)減水劑摻量一定時(shí)，混凝土碳化深度隨著膨脹劑摻量的增大呈先減后增趨勢變化，原因是摻入適量的膨脹劑可有效補(bǔ)償混凝土收縮，抑制混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，但隨著摻量的增大，混凝土由于膨脹作用內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，從而導(dǎo)致碳化深度逐漸增大，說明膨脹劑摻量不宜過大。當(dāng)膨脹劑摻量一定時(shí)，混凝土碳化深度隨減水劑摻量的增大呈先增后減趨勢變化，原因是減水劑的摻入有助于提升水泥水化反應(yīng)，增強(qiáng)了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)性，使得抗碳化性能逐漸增強(qiáng)，但后期混凝土受到CO2的侵蝕作用，導(dǎo)致抗碳化性能逐漸下降，說明減水劑摻量同樣不宜過大。綜合來看，減水劑摻量選擇1.2%、膨脹劑摻量選擇8%的復(fù)摻外加劑方式對于改善混凝土抗碳化性能效果相對較優(yōu)。

3.4 抗硫酸鹽侵蝕性能

針對不同摻量減水劑及膨脹劑對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響規(guī)律進(jìn)行對比分析，得到干濕循環(huán)60次的混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)變化曲線圖4。

圖4 復(fù)摻外加劑耐蝕系數(shù)變化曲線

由圖4可知，當(dāng)減水劑摻量一定時(shí)，混凝土耐蝕系數(shù)隨著膨脹劑摻量的增大呈先增后減趨勢變化，原因是摻入膨脹劑的混凝土前期得到不斷補(bǔ)償收縮，有效抑制了結(jié)構(gòu)裂縫，但隨著時(shí)間的推移，外界硫酸鹽類離子不斷侵蝕混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而降低了其抗硫酸鹽侵蝕性能。當(dāng)膨脹劑摻量一定時(shí)，混凝土耐蝕系數(shù)隨減水劑摻量的增大大致呈增大趨勢變化，原因是減水劑的摻入促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)，使得內(nèi)部漿體的PH值逐漸增大，有助于提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。綜合來看，減水劑摻量選擇1.2%、膨脹劑摻量選擇8%的復(fù)摻外加劑方式對于改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能效果相對較優(yōu)。

4 結(jié)論

通過復(fù)摻減水劑和膨脹劑兩種外加劑，研究了混凝土力學(xué)性能及耐久性能的變化規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：當(dāng)減水劑摻量一定時(shí)，膨脹劑摻量小于8%的混凝土抗壓強(qiáng)度和耐蝕系數(shù)均有所增大，碳化深度和質(zhì)量損失率均有所減小，改善效果明顯；而膨脹劑摻量超過8%后，對于混凝土各項(xiàng)性能改善效果不大，說明膨脹劑摻量選擇8%相對合理。當(dāng)膨脹劑摻量一定時(shí)，減水劑摻量小于1.2%的混凝土抗壓強(qiáng)度和耐蝕系數(shù)均有所增大，碳化深度和質(zhì)量損失率均有所減小，改善效果明顯，當(dāng)減水劑摻量為1.2%時(shí)，混凝土各項(xiàng)性能均達(dá)到最優(yōu)值。綜上，復(fù)摻外加劑中減水劑摻量選擇1.2%、膨脹劑摻量選擇8%可有效改善混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。