混凝土減膠劑的性能與機(jī)理研究

左彥峰，郭群，錢峰，馬旺坤，王曉芳

（1. 建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100024；2.安徽京工建新型建筑材料有限公司，合肥 231633；3.烏蘭察布市集林區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，烏蘭察布 012000）

混凝土減膠劑的性能與機(jī)理研究

左彥峰1，郭群1，錢峰2，馬旺坤1，王曉芳3

（1. 建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100024；2.安徽京工建新型建筑材料有限公司，合肥 231633；3.烏蘭察布市集林區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，烏蘭察布 012000）

本文通過(guò)膠砂試驗(yàn)、砂漿流動(dòng)度以及混凝土試驗(yàn)，得出以下結(jié)論，混凝土減膠劑的摻量范圍為 0.15%～0.35%，可有效降低 10% 左右的水泥用量，其與萘系和聚羧酸系減水劑相容性良好，該劑幾乎沒(méi)有減水率，具有一定引氣和緩凝效果、對(duì)混凝土早期和后期抗壓強(qiáng)度均有較大的提高，幾乎不含氯離子等混凝土有害成分。同時(shí)，本文采用 XRD、DSC/TG 以及 MIP 等方法對(duì)該外加劑的機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為，減膠劑對(duì)水化產(chǎn)物的類型不產(chǎn)生影響，促進(jìn)了早期結(jié)晶程度不高的 CH 的形成，改善了硬化漿體的孔結(jié)構(gòu)，降低了中間孔數(shù)量，提高漿體抗?jié)B性；增加了凝膠孔數(shù)量，提高了 CSH 凝膠的數(shù)量?；炷翜p膠劑在工程中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果。

混凝土；減膠劑；水泥；外加劑；機(jī)理

0 前言

近年來(lái)，我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展迅速，建筑規(guī)模前所未有。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012 年我國(guó)水泥產(chǎn)量為 22 億噸，按 400kg/m3折算，約折合混凝土 55 億方，居世界第一。此外，建筑要求對(duì)混凝土這種建筑材料性能的要求也越來(lái)越高，例如要求高工作性、高強(qiáng)度、高耐久性等。

我國(guó)在經(jīng)濟(jì)上存在城鄉(xiāng)差異和東西差距巨大的特點(diǎn)，這也意味著建筑市場(chǎng)的巨大潛力，同時(shí)也表明水泥、混凝土的巨大需求。水泥產(chǎn)業(yè)的是一個(gè)高能耗、高資源消耗和高污染性產(chǎn)業(yè)。為保證建筑業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展，有必要通過(guò)各種方法，在保證混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、耐久性的前提下，有效降低單方混凝土中水泥的用量[3-4]。

工程實(shí)踐表明，混凝土減膠劑（JGJ）可以有效降低單方混凝土水泥的用量，而不降低混凝土的各項(xiàng)性能。本文對(duì)混凝土減膠劑的性能與機(jī)理進(jìn)行了研究和探討。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：基準(zhǔn)水泥。

粉煤灰：Ⅱ 級(jí)，華能。磨細(xì)礦渣：S95，首鋼。

外加劑：混凝土減膠劑（液體），聚羧酸系減水劑（自產(chǎn)，含固量 20%），萘系減水劑（粉劑，建愷）。

砂：二區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù) 2.7。

石子：最大粒徑 25mm。

水：潔凈自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）混凝土試驗(yàn)

采用 GB8076—2008《混凝土外加劑》技術(shù)指標(biāo)測(cè)定減膠劑的減水率、含氣量、泌水率比、凝結(jié)時(shí)間、28d 收縮率比、相對(duì)耐久性（200 次）、抗壓強(qiáng)度比。試驗(yàn)溫度為(20±2)℃。

（2）氯離子含量和總堿含量

按照 GB/T8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）膠砂強(qiáng)度

按照 GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（ISO法）規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

（4）砂漿流動(dòng)度

采用工程實(shí)際用 C30 混凝土中的砂漿配比，見(jiàn)表1。

表1 砂漿配合比 kg/m3

（5） 微觀試驗(yàn)樣品的制備

在水泥凈漿攪拌機(jī)中攪拌水泥漿體，攪拌 3min，水灰比為 0.50，將之置入 (60×60×60)mm3試模中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至 3d、14d、28d。取出試樣，去除試塊表面的水泥表皮，采用內(nèi)芯作為待測(cè)樣品。并置入無(wú)水乙醇中，終止水化，待測(cè)。

（6）XRD

采用 D8 ADVANCE（德國(guó)布魯克）X 射線衍射儀對(duì)試樣對(duì)試樣在 5～70°進(jìn)行掃描，步長(zhǎng)為 0.02°，加速電壓為40kV，電流 40mA，銅靶。

（7）DSC/TG

采用 NETZSCH STA—449C 綜合熱分析儀對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)定。升溫速率為 20℃/min, 保護(hù)氣體為 N2。升溫程序?yàn)椋瑥?5℃ 以 20℃/min 升溫至 50℃，保溫 30min，以除去殘留的自由水；然后開始熱分析試驗(yàn)，以同樣的升溫速率升至 1000℃左右。

（8）MIP

美國(guó)產(chǎn) Micromeritics AutoPore III 水銀測(cè)孔儀。 汞壓力范圍為 0～55000psia。樣品破碎為 2.5～5mm，干燥后測(cè)定。

2 混凝土減膠劑的性能研究

2.1減 膠劑摻量對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響

采用了膠砂強(qiáng)度的方法對(duì)減膠劑的摻量范圍進(jìn)行確定。見(jiàn)圖 1。從圖 1 中可知，隨著減膠劑摻量的增加膠砂強(qiáng)度先增加而后有所降低。其摻量范圍在 0.15%～0.35% 較為適宜。

圖 1 減膠劑摻量對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

2.2 減膠劑與減水劑的相容性研究

減水劑及其應(yīng)用技術(shù)已成為當(dāng)代混凝土技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，也是高性能混凝土必不可少的組分之一。本部分采用膠砂流動(dòng)度的方法對(duì)減膠劑與萘系和聚羧酸系減水劑的相容性進(jìn)行了研究。

（1）減膠劑與萘系減水劑的相容性

萘系減水劑是目前我國(guó)用量最大的減水劑，在民用建筑行業(yè)中，萘系減水劑是主要的選用外加劑劑種。摻減膠劑與萘系減水劑的砂漿流動(dòng)度見(jiàn)圖 2，萘系減水劑摻量為 0.8%。

從圖 2 中可以得知，隨減膠劑摻量的增加，初始流動(dòng)度略有增加，但摻量增至 0.3% 以后流動(dòng)度有所下降，可能是由于該減膠劑與萘系減水劑競(jìng)爭(zhēng)吸附，使萘系減水劑分子的吸附率下降所致；流動(dòng)度的經(jīng)時(shí)保持能力有所增加，特別是摻量增至 0.1% 以后，保持能力得到顯著提高。

圖 2 減膠劑摻量對(duì)萘系減水劑砂漿流動(dòng)度的影響

（2） 減膠劑與聚羧酸系減水劑的相容性

聚羧酸系減水劑是一種相對(duì)萘系減水劑性能更優(yōu)異的減水劑。該外加劑在近年來(lái)國(guó)家的重大、重點(diǎn)工程得到大量的應(yīng)用，目前在我國(guó)民用建筑中也開始了成規(guī)模應(yīng)用，其年產(chǎn)量增加十分迅速，2011 年產(chǎn)量達(dá) 239.11 萬(wàn)噸，約占合成類減水劑的 30% 以上。摻減膠劑的聚羧酸系減水劑砂漿流動(dòng)度見(jiàn)圖 3。聚羧酸系減水劑折固摻量為 0.2%。從圖 3 中可以得知，隨減膠劑摻量的增加，砂漿流動(dòng)度略有增加，但變化不大，也即，減膠劑對(duì)摻聚羧酸系減水劑流動(dòng)性影響不大。

圖 3 減膠劑摻量對(duì)聚羧酸系減水劑砂漿流動(dòng)度的影

2.3 減膠劑的各項(xiàng)混凝土性能

采用 GB8076—2008 以及 GB8077—2012 的方法對(duì)減膠劑的各項(xiàng)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 減膠劑的各項(xiàng)性能

從表2 可以得知，減膠劑幾乎沒(méi)有減水率，具有一定引氣和緩凝效果，對(duì)混凝土早期和后期抗壓強(qiáng)度均有較大的提高，幾乎不含氯離子等混凝土有害成分。

3 混凝土減膠劑的機(jī)理研究

混凝土減膠劑作為一種新型的材料，摻入水泥混凝土中后對(duì)水泥的水化產(chǎn)物的影響如何？對(duì)孔結(jié)構(gòu)的影響怎樣？這對(duì)混凝土的力學(xué)性能以及耐久性十分重要。

3.1 減膠劑對(duì)水泥水化產(chǎn)物的影響

（1）XRD

空白試驗(yàn)與摻減膠劑（JGJ）試樣的 XRD 結(jié)果見(jiàn)圖 4。從圖 4 中可以得知，從峰的類型來(lái)看，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的晶體產(chǎn)物，但在 3d 時(shí)，空白試樣 CH 峰強(qiáng)度明顯高于 JGJ 試樣，這表明，空白試樣 CH 的數(shù)量和結(jié)晶情況可能比 JGJ 的高。

圖 4 減膠劑的X射線衍射

（2）DSC/TG

空白試驗(yàn)與摻減膠劑（JGJ）試樣的 DSC 結(jié)果見(jiàn)圖 5。從圖 5 中可以得知，從材料的吸熱分解情況來(lái)看，各個(gè)試樣的吸熱峰基本相同，也即，未發(fā)現(xiàn)新的產(chǎn)物。

從熱失重角度分析，可以得知各樣品中 CH 和總結(jié)合水的量。見(jiàn)圖 6 和圖 7。

圖 5 減膠劑的 DSC

圖 6 各個(gè)試樣中 CH 的含量

圖 7 各個(gè)試樣中的總結(jié)合水量

圖 8 減膠劑試樣的孔結(jié)構(gòu)分析

4 混凝土減膠劑的工程應(yīng)用

內(nèi)蒙某攪拌站采用了混凝土減膠劑進(jìn)行了混凝土的生產(chǎn)。水泥采用北疆牌 P·O42.5，28d 強(qiáng)度約為 45MPa，泵送劑為北京產(chǎn)萘系高效減水劑，減水率約為 20%，河砂為中粗砂，石為連續(xù)級(jí)配未破碎河卵石?；炷辽a(chǎn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 內(nèi)蒙某攪拌站摻減膠劑的生產(chǎn)結(jié)果 kg/m3

從表3 中可以得知，減少大量水泥后，混凝土強(qiáng)度沒(méi)有任何降低，保守計(jì)算，每立方米至少可以減少 25 公斤水泥。該外加劑在多個(gè)工程中得到了應(yīng)用，完全滿足工程設(shè)計(jì)的要求，取得了良好的效果。

5 總結(jié)

（1）減膠劑摻量在 0.15%～0.35% 能提高砂漿抗壓強(qiáng)度。

（2）減膠劑與萘系和聚羧酸系減水劑復(fù)合使用時(shí)，工作性和力學(xué)性能不產(chǎn)生不良影響。

（3）混凝土減膠劑幾乎沒(méi)有減水率、具有一定引氣和緩凝效果、對(duì)混凝土早期和后期抗壓強(qiáng)度均有較大的提高，幾乎不含氯離子等混凝土有害成分。

（4）減膠劑可在減少 10% 左右的水泥用量情況下，對(duì)混凝土的各齡期力學(xué)性能不產(chǎn)生不利的影響。

（5）減膠劑促進(jìn)了水泥各齡期的水化，但對(duì)水化產(chǎn)物的類型不產(chǎn)生影響，促進(jìn)了早期結(jié)晶程度不高的 CH 的形成。

（6）減膠劑改善了硬化漿體的孔結(jié)構(gòu)，增加了8000nm 孔數(shù)量，降低了大于 8000nm 孔的數(shù)量；降低了中間孔（10～50nm）數(shù)量，提高漿體抗?jié)B性；增加了凝膠孔（2～10nm）數(shù)量，提高了 CSH 凝膠的數(shù)量。

[1] 吳中偉，廉慧珍. 高性能混凝土[M]，中國(guó)鐵道出版社，2000.

[2] 孫偉，繆昌文. 現(xiàn)代混凝土理論與技術(shù)[M]，科學(xué)出版社，2012.

[3] 王子明. 混凝土高效減水劑[M]，化工出版社，2011．

[4] http://data.stats.gov.cn/

［通訊地址］北京市朝陽(yáng)區(qū)管莊路建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所（100024）

左彥峰（1979—），男，工學(xué)博士，副研究員，主要從事混凝土外加劑的研究。