高效減水劑對混凝土力學(xué)性能影響的研究

宋文浚

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

1 高效減水劑發(fā)展及特性

混凝土外加劑是在混凝土、水泥凈槳或砂漿拌和時、拌和前或額外拌和中摻入，用以改善混凝土性能的化學(xué)物質(zhì)[1]。其中，混凝土減水劑是工程上應(yīng)用最廣的外加劑之一。

高效減水劑是指在混凝土和易性及水泥用量不變的條件下，能減少拌和用水量、提高混凝土強度；或在和易性及強度不變的條件下，節(jié)約水泥用量的外加劑[1]。與普通減水劑相比，減水及增強作用都較強。高效減水劑對水泥有強烈分散作用，能大大提高水泥拌和物流動性和混凝土坍落度，同時大幅度降低用水量，顯著改善混凝土性能。而有的高效減水劑會加速混凝土坍落度損失，摻量過大會泌水。高效減水劑基本不改變混凝土凝結(jié)時間，摻量大時稍有緩凝作用，但并不延緩混凝土早期強度的增長。能大幅度降低用水量從而顯著提高混凝土各齡期強度。在保持強度恒定時，能節(jié)約水泥10%甚至更多。氯離子含量微少，對鋼筋不產(chǎn)生銹蝕作用。能增強混凝土的抗?jié)B、抗凍融及耐腐蝕性，提高了混凝土的耐久性[2]。

高效減水劑又稱高性能減水劑，在20世紀(jì)50年代，木質(zhì)素減水劑和具有同等效果的各種減水劑已經(jīng)發(fā)展起來，木質(zhì)素減水劑存在減水率低、緩凝和引氣等缺點，但它的生產(chǎn)可充分利用生產(chǎn)木漿和造紙等工業(yè)的液體廢料，對降低工業(yè)污染、保護環(huán)境和實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略十分有益。1962年以萘磺酸甲醛縮合物為主要成分的萘系減水劑（NSF）研制并成功使用，其特點是減水率較高，不引氣，與水泥適應(yīng)性好，價格相對便宜，與各種外加劑復(fù)合性能好。缺點是坍落度經(jīng)時損失較大,混凝土有些發(fā)黏。適用于制備高強混凝土或大流動混凝土，目前生產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛。到了上世紀(jì)80年代日本和德國就開始研制聚羧酸系減水劑（簡稱PC系列減水劑），90年代成功生產(chǎn)并推廣應(yīng)用，聚羧酸系高效減水劑從減水效果到技術(shù)性能都有了質(zhì)的飛躍，是目前國內(nèi)外化學(xué)外加劑研究與開發(fā)的重點[3]。與其他高效減水劑相比，PC系列減水劑主要有以下突出的優(yōu)點：分散性能好；保坍性好，90 min內(nèi)坍落度基本無損失；在相同流動度下，延緩凝結(jié)時間較少；分子結(jié)構(gòu)自由度大，外加劑制造技術(shù)上可控制的參數(shù)多，高性能化的潛力大；合成中不使用甲醛，因而對環(huán)境不造成污染，是一種綠色環(huán)保產(chǎn)品。但聚羧酸系減水劑與其他外加劑的相容性不太穩(wěn)定，故對PC系列減水劑的合成、作用機理和應(yīng)用等方面的研究還有待進一步深入進行[3]。

目前萘系高效減水劑和聚羧酸系高效減水劑是工程應(yīng)用的主導(dǎo)，所以本文通過實驗詳細介紹了聚羧酸系高效減水劑與萘系高效減水劑對混凝土力學(xué)性能的影響。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗原材料選用

試驗選用的原材料包括水泥、砂、碎石、粉煤灰、高效減水劑等，詳見試驗選用原材料一覽表（見表1）。

表1 試驗選用原材料一覽表

水泥主要技術(shù)性能指標(biāo)詳見表2。各項檢測結(jié)果表明，符合標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007的要求，滿足試驗研究的使用要求。

表2 水泥主要技術(shù)性能指標(biāo)

砂：人工砂、中砂，細度模數(shù)為2.7，表觀密度2780 kg/m3，不含泥，孔隙率38%。

石：人工碎石，5～20 mm。

摻和料粉煤灰為II級灰，具體技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 粉煤灰理化性能試驗結(jié)果

依據(jù)水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程DL/T5100-1999，兩廠家生產(chǎn)的高效減水劑都合格。

2.2 試驗方法

本試驗混凝土的基本指標(biāo)按C35F150W8的要求設(shè)計，實驗依據(jù)：《混凝土外加劑》(GB8076—2008)標(biāo)準(zhǔn)要求，水泥膠砂流動度控制在170～180之間，PC-1和NSF-1的設(shè)計摻量分別為1.0%～2.7%和0.5%～2.0%之間。混凝土抗壓程度測試參照GB/T500081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試件每組三塊，養(yǎng)護溫度為（20±3）℃，濕度大于等于90%，養(yǎng)護到規(guī)定齡期后進行抗壓試驗。參照GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，測定硬化后混凝土的抗?jié)B性、抗凍性。凍融試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，試件每組三塊。試驗采用的混凝土基本配合比見表4

表4 混凝土基本配合比

按照基本配合比，采用不同高效減水劑摻量進行多次試配，混凝土分別摻加聚羧酸高效減水劑編號為PO-PC-1和萘系高效減水劑編號為PO-NSF-1，其減水率隨摻量變化如圖1所示。

圖1 減水率隨減水劑摻量變化曲線

由圖1可見，摻量為0.5%時兩種高效減水劑都有了明顯的減水效果，隨著摻量的增加減水率繼續(xù)增加，當(dāng)摻量增加到1.6%后減水效果增長趨勢變緩，聚羧酸系減水劑的減水率優(yōu)于萘系減水劑的減水率。最終確定混凝土配合比及混凝土試驗參數(shù)如表5所示。

表5 混凝土配合比試驗參數(shù)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 減水劑對混凝土坍落度的影響

坍落度是混凝土流動性及和易性的重要指標(biāo)之一。坍落度越大,混凝土的流動性越好。坍落度損失是混凝土在攪拌好并經(jīng)過一定時間后所測坍落度與其初始坍落度的差值。在表4配合比下的混凝土坍落度損失見圖2。

圖2 不同減水劑下混凝土坍落度隨時間變化曲線

由圖2可知,30 min內(nèi)萘系減水劑混凝土的坍落度經(jīng)時損失為44%,聚羧酸系減水劑混凝土坍落度最大經(jīng)時損失不足29%。這表明聚羧酸系減水劑的保坍性優(yōu)于萘系減水劑。

3.2 減水劑對混凝土抗壓強度的影響

對在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的各組混凝土試件分別測定3 d、7 d和28 d的抗壓強度，結(jié)果如表5。

表5 混凝土各齡期的抗壓強度

由表5可得出摻高效減水劑后的混凝土在各齡期的抗壓強度值均高于基本配合比混凝土，且摻聚羧酸系減水劑的混凝土各齡期抗壓強度高于摻萘系減水劑的混凝土。

3.3 減水劑對混凝土抗?jié)B和抗凍性的影響

1）抗?jié)B性

在抗?jié)B性試驗中，試件在規(guī)定壓力下沒有出現(xiàn)滲水，劈開試件，測其內(nèi)部滲水高度，以評價其抗?jié)B能力?，F(xiàn)測得各組混凝土試件平均滲透高度如圖3所示。

圖3 摻不同減水劑混凝土的滲透高度

由圖3可見，摻減水劑的混凝土滲透高度低于基本配合比混凝土的滲透高度。這是因為摻加減水劑后混凝土的水灰比減小了，使混凝土內(nèi)部孔隙率下降，提高了混凝土的抗?jié)B性。因此，兩種高效減水劑都可以提高混凝土的耐久性，且聚羧酸系減水劑的效果好。

2）抗凍性

各組混凝土試件的凍融循環(huán)試驗結(jié)果見表6所示。

表6 混凝土抗凍實驗結(jié)果

從表6可見，摻加高效減水劑的混凝土相對動彈性模量均比基本配合比混凝土相對動彈性模量損失少，說明兩種高效減水劑都可以在很大程度上提高混凝土的抗凍性，兩者的效果差不多。

4 結(jié)語

1）聚羧酸系減水劑的減水效果優(yōu)于萘系減水劑。

2）兩種高效減水劑都可以增加混凝土的流動性，羧酸系減水劑的保坍性優(yōu)于萘系減水劑。

3）摻加聚羧酸系減水劑或萘系減水劑后，混凝土各齡期的抗壓強度值都有提高。

4）兩種高效減水劑都能提高混凝土的抗?jié)B性、抗凍性。提高抗凍性方面效果差不多，抗?jié)B性能聚羧酸系減水劑效果較好。

［1］陳建奎.混凝土外加劑原理與應(yīng)用.（第二版）［M］.北京：中國計劃出版社，2004：6-7.

［2］張志檜.高效減水劑在水泥混凝土中的應(yīng)用.［J］.山西建筑，2009（35）：137-138.

［3］施惠生.孫振平.鄧愷.混凝土外加劑實用技術(shù)大全［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2008：60，79-80.