Basf早強劑對混凝土耐久性能的影響及作用機理分析

摘" 要：以新型早強劑Basf為研究對象，采用泵送C30、振搗C60混凝土為基礎配合比，對添加Basf的混凝土進行碳化、凍融、抗滲和收縮試驗。結果表明，C60混凝土的抗碳化能力遠好于C30混凝土，Basf對C60混凝土碳化性能影響較小，但使得C30混凝土碳化深度增加;添加Basf后，C60和C30混凝土試件的抗滲性和抗凍性能得到顯著提高，但混凝土的收縮值變大。

關鍵詞：Basf;混凝土;碳化;凍融;抗滲;收縮

中圖分類號：TU528" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0074-04

Abstract： Taking the new early strength agent Basf as the research object， using pumping C30 concrete and vibrating C60 concrete as the basic mix ratio， the carbonation， freeze-thaw， impermeability and shrinkage tests of concrete with Basf were carried out. The results show that the carbonation resistance of C60 concrete is much better than that of C30 concrete， and Basf has little effect on the carbonation performance of C60 concrete， but increases the carbonation depth of C30 concrete， and the impermeability and frost resistance of C60 and C30 concrete specimens are significantly improved with the addition of Basf， but the shrinkage value of concrete becomes larger.

Keywords： Basf; concrete; carbonation; freeze-thaw; impermeability; shrinkage

混凝土的耐久性包括鋼筋銹蝕、化學腐蝕、凍融破壞和堿集料破壞[1]。耐久性對工程量浩大的混凝土意義重大，耐久性不足將會產生極嚴重的后果，甚至對未來社會造成極為沉重的負擔[2]。如何提高混凝土的耐久性，獲得不同條件下混凝土的破壞機理已成為近年來混凝土技術發展的首要課題。本文重點研究新型外加劑Basf對混凝土耐久性的影響，分析作用機理，為工程應用提供參考。

1" 試驗材料

1.1" 水泥

采用42.5普通硅酸鹽水泥，由江蘇金峰水泥集團有限公司生產，其物理性能指標見表1，均符合GB 175—2020《通用硅酸鹽水泥》規定[3]。

1.2" 集料

細集料為河砂，產自贛江，表觀密度為2 640 kg/m3，細度模數2.9，含泥量為0.5%，屬于Ⅱ級配區且級配良好。

粗集料選用產自浙江湖州的兩種不同碎石，一種是花崗巖碎石，表觀密度為2 800 kg/m3，壓碎值6.0%，含泥量1.0%，粒徑在2.5～20.0 mm，連續級配;另一種是石灰巖碎石，表觀密度為2 740 kg/m3，壓碎值7.9%，含泥量1.0%，粒徑在2.5～40.0 mm，連續級配。

1.3" 粉煤灰

采用蘇州望亭發電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，其技術指標見表2。

1.4" 外加劑

用于試驗的外加劑是德國進口的減水型早強劑Basf，主要成分為納米硅酸鈣;外加劑類型為液劑，減水率為10%。Basf主要含有水化硅酸鈣和有羥基有機物。

1.5" 級配設計

采用泵送C30、振搗C60混凝土為基礎配合比，以外加劑Basf為研究對象，摻量分別為10%和14%（其成型試件的編號分別為B10、G14），并與相應的基準混凝土C30、C60試件（試件編號分別為B0、G0）進行對比。根據文獻[4-5]及JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》[6]確定C30、C60混凝土的配合比，各組試件混凝土配合比及拌合物性能指標見表3、表4。

1.6" 試驗方法

根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[7]規定，對4種混凝土的抗碳化、抗凍、抗滲及收縮等耐久性能進行測定，以期得到變化規律，指導生產實踐。

2" 試驗結果分析

2.1" 抗碳化性能

混凝土的抗碳化性是耐久性的一個重要方面，未碳化混凝土的pH可達12.6～13.0，這種強堿環境可以有限保護混凝土中鋼筋不被銹蝕[8]，當混凝土堿度降低到pHlt;11.5時，鋼筋的鈍化膜遭到破壞，混凝土耐久性會降低，其主要反應可用下列方程式表示

Ca（OH）2+H2O+CO2→CaCO3+H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+3CO2→3CaCO3·2SiO2·3H2O

3CaO·SiO2+3CO2+γH2O→3CaCO3+SiO2·γH2O

2CaO·SiO2+2CO2+γH2O→2CaCO3+SiO2·γH2O

本文試驗采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件進行碳化實驗，4種混凝土結果見表5、圖1。從表5及圖1中可以得出，不管Basf是否被摻入，C60混凝土在4個齡期時的碳化深度都為零，明顯好于C30混凝土，這是由于C60混凝土水灰比小，混凝土密實度高，二氧化碳不容易進入混凝土內部，C60混凝土中水泥用量遠高于C30混凝土，在水泥水化時生成的氫氧化鈣含量高，在碳化過程保護了水化硅酸鈣等水化產物，而且生成的少量CaCO3堵塞了水泥中的毛細孔，使水泥石變得密實，從而進一步抑制混凝土碳化，所以C60碳化深度小，不容易被碳化。但C30混凝土碳化程度較大，在28 d齡期內B10的碳化深度要比B0高出30%，摻Basf的B10試樣中的氫氧化鈣含量低于B0試樣，隨著碳化齡期增長，氫氧化鈣不斷被反應，水泥石中的堿性不斷變低，水化產物不斷分解，使混凝土碳化破壞，抗碳化性能變差。

同時從圖1中可以看出，隨著碳化齡期的延長，混凝土碳化深度的增長幅度變小，這是因為反應生成的碳酸鈣堵塞在混凝土空隙中，增加了混凝土的密實度，隨著碳酸鈣含量增大，混凝土表面密實度越來越高，阻止了碳化反應的進行，從而使混凝土的碳化深度不斷趨于穩定。

2.2" 抗凍性能

混凝土的抗凍性是評價混凝土耐久性的重要指標之一[9]，其主要影響因素為水灰比、密實度、含氣量及強度。本次試驗采用慢凍法，設定循環次數100次，每個循環冷凍2 h，冷凍時溫度為-15 ℃，試驗結果見表6、圖2。

用于試驗的試件都達到F100抗凍等級，凍融試驗結束后混凝土試件表面出現大量微裂紋，雖然混凝土試件沒有發生明顯破壞，但試件內部出現凍漲破壞，混凝土強度下降。從表6和圖2中可以看出，試件在凍融循環100次以后質量仍然損失很小，說明混凝土表面沒有發生明顯破壞，試件強度在凍融循環50次后下降也不是很大，但在凍融循環50次到100次之間混凝土強度損失急劇增大，C30混凝土的強度損失要比C60大得多，所以C60高強混凝土的抗凍性要好于C30普通混凝土。這是由于C30混凝土的水灰比大，混凝土強度低，水化產物少，密實度差，空隙率大，空隙中填充的水分愈多，在凍融過程中混凝土受到的破壞壓力變大，所以抗凍性能差。從圖2中可以明顯看出，摻Basf的混凝土的強度損失要小，這是因為Basf具有一定的引氣作用，提高了C30、C60混凝土含氣量，緩解了結冰產生的膨脹力。同時，氣泡容納了自由水的遷入，緩解了混凝土的滲透壓力。由于Basf在早期能促進水泥的水化，水泥石更加致密，水泥石中空隙變少，因此，在同類型混凝土中摻入Basf的抗凍性能較好。

2.3" 抗滲性能

混凝土的孔隙率及孔結構是影響其抗滲性的主要因素，在拌和混凝土時所用的水遠遠超過水泥水化所需的水，因此，混凝土中存在著早期蒸發水、水化剩余水和泌水通道等留下的孔縫，加上拌和時帶入的空氣等原生孔縫，這些均會成為混凝土的滲水通道[10-11]。根據規范，試驗6個試件為一組，結果見表7。從表7中可以看出，C60高強混凝土的抗滲等級為大于P12，明顯好于C30普通混凝土，這是因為高強混凝土的水灰比低，混凝土的拌合用水量少，在水泥水化過程中形成的空隙較少，成型的混凝土試塊比較密實，滲水通道少。在混凝土中摻入Basf后抗滲性得到很大提高，其中在C30混凝土摻Basf后混凝土試件的抗滲等級能從P10提高到P12。

在C60中摻入Basf后的滲水高度只有原來的17%左右，究其原因是摻入的外加劑Basf的有效成分為納米硅酸鈣，在混凝土水化過程中納米固體顆粒分散進入混凝土內部空隙中，堵住了混凝土試件中的滲水通道，從而使混凝土試件變得更加密實，同時Basf具有一定的減水引氣作用，能提高混凝土的和易性，使拌合物的離析和泌水性降低，混凝土中連通的大毛細孔減少，提高了抗滲性能。從Basf對水泥水化影響得知，Basf能使混凝土中的水化產物多，氫氧化鈣含量低，在流水侵蝕的作用下水泥中堿度變化小，水化產物轉變較少，使混凝土試件更加穩定，抗滲性相比于基準樣也得到了提高。

2.4" 收縮性能

當混凝土收縮受到限制產生的拉應力超過混凝土自身的抗拉強度時，就會產生裂紋導致混凝土力學性能、抗滲性能下降，鋼筋腐蝕、結構破壞。因此，有必要掌握混凝土的收縮特性。按照耐久性規范要求，收縮試驗采用100 mm×100 mm×515 mm長方體試件，收縮試驗結果見表8及圖3。

從表8和圖3中可以看出，混凝土是在0～10 d齡期時收縮值大幅上升，但到14 d后增長顯著減慢。在不摻Basf的情況下，1 d和3 d齡期普通混凝土的收縮值要比高強混凝土大，這是由于：①普通混凝土水灰比大，拌合用水量大，導致混凝土孔隙中吸附較多的自由水，隨著自由水的蒸發使混凝土收縮變大。②混凝土拌合用水量多也加速了水泥的水化速率，使水泥石的早期化學收縮變大。③粗集料對水泥石未水化完全前的限制作用也影響了收縮值。試驗時成型C60試件用的粗集料為花崗巖碎石，而成型C30試件使用的粗集料為石灰巖碎石，花崗巖的彈性模量要低于石灰巖，所以其抵抗收縮的作用大。

以上原因同時使普通混凝土收縮值大于高強混凝土。而在7 d齡期之后C60混凝土的收縮值卻又明顯高于C30混凝土，這是因為此時水泥大量水化并且C60水泥用量比C30大得多，在早期時C60混凝土水泥水化用水量不夠延緩了水泥水化，推遲了混凝土干縮的發生與發展，但當水泥水化慢慢達到高峰時水泥石大量生成，使混凝土的收縮值變大。同時可以看到，摻Basf的C30混凝土在早期1 d和3 d時的收縮值比基準C30混凝土要小，這是因為Basf在早期能加速水泥的水化，產生了鈣礬石補償了由于水化而造成的化學收縮。到7 d齡期時摻Basf的混凝土的收縮值變大，這是由于Basf大幅加速水泥熟料的水化速度，使混凝土的早期化學收縮變大。同時，生成的鈣礬石不斷分解成單硫型水化硫鋁酸鈣而失去膨脹作用。另外，Basf具有一定減水作用，釋放了包裹在絮凝水泥中的自由水，使混凝土孔隙中的自由水增多，隨著自由水的蒸發使混凝土收縮變大，加上Basf的引氣作用，使混凝土中的氣孔率增高，混凝土試件收縮變大。C60混凝土由于水泥用量比較大，其收縮值主要是因為水化反應而引起的，又因為Basf能促進水泥水化，所以使得摻Basf的C60混凝土在各個齡期時的收縮值都要比不摻的大。

從分析中可以看出，隨著Basf的摻入，不同強度等級的混凝土在不同齡期的收縮值也不同，其中Basf對C60高強混凝土的收縮值影響更大。因此，在實際施工時要合理摻加Basf以控制混凝土的收縮值。

3" 結論

1）C60混凝土的抗碳化能力遠好于C30混凝土，摻Basf的C60混凝土對碳化性能幾乎沒有影響，但對于C30混凝土摻入Basf后可使碳化深度增加。

2）C60混凝土的抗凍性和抗滲性都好于C30混凝土，摻Basf后混凝土試件的抗滲性和抗凍性能得到顯著提高。

3）C60混凝土收縮值大于C30混凝土，摻Basf后混凝土試件的收縮值變大。

參考文獻：

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