增效劑在混凝土中的作用機理

張梓鑫，顧瑞，朱亞杰

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430070）

增效劑在混凝土中的作用機理

張梓鑫，顧瑞，朱亞杰

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430070）

通過在混凝土中摻入增效劑，研究其對混凝土工作及力學(xué)性能的影響，通過宏觀及微觀試驗方法研究了增效劑作用機理。試驗結(jié)果表明：摻入增效劑后降低粉料（水泥）用量，混凝土的工作性變化不大，7d 強度略有降低，28d 強度高于基礎(chǔ)空白樣；增效劑對混凝土中粉料體系的增效作用主要源于對粉煤灰的激發(fā)效果（28d 活性系數(shù)提高 17.8%），水泥及礦粉受增效劑影響較??；增效劑能促進(jìn)粉煤灰玻璃體活性物質(zhì)在早期溶出，從而激發(fā)粉煤灰的早期活性，提高混凝土強度。

混凝土；增效劑；機理；活性激發(fā)

0　前言

混凝土作為當(dāng)今使用量最大的人造石材，被廣泛應(yīng)用于道路、橋梁、隧道和房屋等領(lǐng)域，其生產(chǎn)方式也由現(xiàn)場攪拌逐步發(fā)展為商品預(yù)拌。水泥工業(yè)是能源和資源消耗型工業(yè)，同時也是 CO2排放的工業(yè)大戶，每生產(chǎn) 1t 的水泥熟料需要排放 1t 的 CO2氣體[1-2]。水泥工業(yè)的 CO2排放量占人類生產(chǎn)活動的碳排放的 5%～10%[3]。因此，降低商品混凝土中水泥的使用量，是實現(xiàn)混凝土向綠色環(huán)保方向發(fā)展的有效途徑之一，但單方面的降低水泥用量會導(dǎo)致混凝土工作性不良和強度降低等諸多問題。

為解決這一問題，近年來混凝土增效劑得到廣泛應(yīng)用。由于增效劑生產(chǎn)廠家采取了嚴(yán)格的保密措施，產(chǎn)品成分不明確，對商品混凝土生產(chǎn)企業(yè)及建筑工程監(jiān)督單位造成較大的質(zhì)量監(jiān)控風(fēng)險。

研究增效劑的作用及其機理，能指導(dǎo)混凝土生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)原材料及工程需求規(guī)范使用增效劑，并為增效劑的后期改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1　原材料基本性能及指標(biāo)

1.1原材料

（1）水泥：采用華新 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)見表 1 所示。

表1　水泥物理性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：選用陽邏電廠Ⅰ級粉煤灰，其性能指標(biāo)見表 2 所示。

表2　粉煤灰性能指標(biāo)

（3）礦粉：選用武新 S95 級礦粉。

（4）細(xì)骨料：選用細(xì)度模數(shù) 2.5 的岳陽砂。

（5）粗骨料：選用 5～31.5mm 的陽新碎石。

（6）外加劑：選用中建商品混凝土公司聚羧酸高效減水劑，其減水率為 23%。同時選用北京某公司生產(chǎn)的增效劑(BTC)，其性能見表 3 所示。

表3　增效劑性能指標(biāo)

2　試驗結(jié)果及分析

2.1增效劑對混凝土工作性能及強度影響

采用 C40 等級混凝土配合比進(jìn)行試驗。根據(jù)增效劑使用說明，增效劑采用 0.6% 的摻量，水泥用量降低 30kg/m3，同時用水量降低 10kg/m3，將所減少的粉料用量全部回補到粗骨料上。各組混凝土的工作性能和強度如表 4 所示。

表4　增效劑對混凝土工作性能及強度影響

由表 4 可知，當(dāng)減少水泥用量并摻入增效劑后混凝土的工作性能無變化，7d 強度略有降低，28d 強度高于基礎(chǔ)空白樣，強度增幅為 9.5%。

2.2增效劑對粉料活性激發(fā)效果影響

混凝土強度的形成主要源于膠凝材料的水化反應(yīng)?；炷林芯哂心z凝作用的粉料包含水泥、粉煤灰、礦粉，通過膠砂強度試驗對比分析增效劑對粉料體系的增效作用。

粉料體系活性激發(fā)效果檢測方法參照 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》及 GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》中活性指數(shù)試驗方法?；钚约ぐl(fā)指數(shù)按公式 (1) 計算。

式中：A——活性激發(fā)指數(shù)，%；

R28——試驗?zāi)z砂 28d 強度，MPa；

R028——對比膠砂 2d 強度，MPa。

膠砂配比及試驗結(jié)果如表 5 所示。

表5　膠砂配比及活性激發(fā)指數(shù)

從表 5 中數(shù)據(jù)可知，增效劑對混凝土中粉料體系的增效作用主要源于對粉煤灰的激發(fā)效果（28d 活性提高 17.8%）。水泥及礦粉受到增效劑影響較小，其強度的微弱提高主要是由于增效劑中減水成分提高了漿體的流動性，進(jìn)而提高了漿體的密實度。

粉煤灰的化學(xué)活性（火山灰效應(yīng)）是指粉煤灰中的活性氧化硅、氧化鋁與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成具有膠凝作用的水化產(chǎn)物從而增強混凝土強度的性質(zhì)[4]。當(dāng)通常情況下，由于包裹粉煤灰的玻璃體是保持高溫液態(tài)結(jié)構(gòu)排列方式的介穩(wěn)結(jié)構(gòu)，在常溫常壓下其結(jié)構(gòu)仍然很穩(wěn)定，表現(xiàn)出較高的化學(xué)穩(wěn)定性，在自然環(huán)境下要經(jīng)過一個月或更長時間的激發(fā)，才能發(fā)揮其活性[5]。

通過化學(xué)激發(fā)劑及改性劑來激發(fā)粉煤灰的潛在活性是目前常用方法[6]，在增效劑中引入復(fù)合激發(fā)劑成分顯著提高了混凝土中粉煤灰的早期活化反應(yīng)。

2.3增效劑對粉煤灰活性激發(fā)微觀分析

為進(jìn)一步驗證并探究增效劑對粉煤灰活性激發(fā)效應(yīng)的影響，制作了水泥——粉煤灰體系凈漿試件 ，粉煤灰摻量為 30%（質(zhì)量百分比）。試件分為空白樣（FA-0）及試驗樣（FA-BTC），其中對比樣摻入 0.6% 增效劑。

將兩組樣品分別水養(yǎng) 7d、28d 后破碎，將破碎樣浸泡于無水乙醇中終止其水化。分別取浸泡后樣品 60℃ 干燥至恒重，在掃描電鏡下（SEM）觀察斷面區(qū)域粉煤灰顆粒形貌。結(jié)果如圖 1 所示。

圖1　粉煤灰顆粒 SEM 圖

從圖 1(a)、(b) 中可看出，7d 時粉煤灰顆粒均被 Ca(OH)2包裹。其中沒摻增效劑的空白樣（FA-0）中粉煤灰表面較光滑，與水泥之間沒有形成較好的水化黏結(jié)產(chǎn)物。而摻增效劑的試驗樣（FA-BTC）中粉煤灰顆粒表面出現(xiàn)了輕微的腐蝕。

從圖 1(c)、(d) 中可看出，28d 時空白樣（FA-0）中粉煤灰仍然沒有明顯水化反應(yīng)痕跡，而試驗樣（FA-BTC）中粉煤灰顆粒表面在增效劑的激發(fā)下生成了許多短而纖細(xì)的水化產(chǎn)物。粉煤灰與水泥的水化產(chǎn)物相互膠結(jié)在一起提高了二者間界面強度，增加了漿體的密實度。

以上現(xiàn)象說明增效劑能促進(jìn)粉煤灰玻璃體活性物質(zhì)在早期溶出，從而激發(fā)粉煤灰的早期活性，提高混凝土強度。

3　結(jié)論

在混凝土粉料體系中摻入增效劑，通過宏觀及微觀方法探討增效劑對混凝土的作用機理，得出以下結(jié)論：

（1）摻入增效劑后降低粉料（水泥）用量，混凝土的工作性變化不大，7d 強度略有降低，28d 強度高于基礎(chǔ)空白樣，強度增幅為 9.5%。

（2）增效劑對混凝土中粉料體系的增效作用主要源于對粉煤灰的激發(fā)效果（28d 活性提高 17.8%）。水泥及礦粉受到增效劑影響較小，其強度的微弱提高主要是由于增效劑中減水成分提高了漿體的流動性，進(jìn)而提高了漿體的密實度。

（3）增效劑能促進(jìn)粉煤灰玻璃體活性物質(zhì)在早期溶出，從而激發(fā)粉煤灰的早期活性，提高混凝土強度。

[1] 吳中偉，高性能混凝土——綠色混凝土[J]．混凝土與水泥制品，2000(1): 3-6．

[2] P.K.Mehta. Concrete technology for sustainable development[J]. Concrete International, 1999, 21(11): 47-53.

[3] 沈衛(wèi)國，姜艦，潘洪，等．拋填骨料砼是實現(xiàn)水泥砼低碳排放的途徑之一[J]．新世紀(jì)水泥導(dǎo)報，2009,03:30-34．

[4] Qian Jueshi, Shi Caijun, Wang Zhi. Activation of blended cements containing fly ash[J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(8):1121～1127.

[5] 朱蓓蓉，楊全兵．粉煤灰火山灰反應(yīng)性及其反應(yīng)動力學(xué)[J].硅酸鹽學(xué)報，2004,07:892-896．

[6] 欒曉風(fēng)，潘志華，王冬冬．粉煤灰水泥體系中粉煤灰活性的化學(xué)激發(fā)[J]．硅酸鹽通報，2010, 04: 757-761+783．

［通訊地址］湖北省武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)高科大廈 13 樓（430074）

張梓鑫（1986—），男，助理工程師。