增效劑對(duì)中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土性能的影響

張璇，劉娟紅

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京　100083）

增效劑對(duì)中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土性能的影響

張璇，劉娟紅

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

本文研究了 CTF 和 LSY 增效劑對(duì)中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土性能的影響及其作用機(jī)理。通過(guò)水泥凈漿流動(dòng)度、粘度試驗(yàn)，水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)確定 CTF 和 LSY 的最佳摻量為膠凝材料的 0.6%。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列混凝土性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示：CTF 和 LSY 增效劑提高了混凝土的擴(kuò)展度和流動(dòng)性，改善了混凝土的工作性能；提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，在一定程度上改善了混凝土的力學(xué)性能；對(duì)混凝土的耐久性沒(méi)有不利影響。并采用壓汞法觀察混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)：CTF 和 LSY 增效劑很大程度上降低了混凝土內(nèi)部的孔面積和孔隙率。

增效劑；中低強(qiáng)度混凝土；微觀性能

0　前言

我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，對(duì)混凝土的需求量逐年上升，同時(shí)在環(huán)境保護(hù)方面對(duì)建筑行業(yè)提出了更高的要求：減少水泥的使用量，最大限度利用礦物摻合料，提高混凝土的質(zhì)量與性能等。其中改善和調(diào)節(jié)混凝土性能的混凝土外加劑領(lǐng)域開(kāi)啟了大量、全方位、多用途的研究，在減水劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑等各類(lèi)外加劑出現(xiàn)之后，CTF 和 LSY 增效劑作為一種新型水泥混凝土外加劑出現(xiàn)在市場(chǎng)上，應(yīng)用于混凝土中可以有效改善拌合物的粘聚性和粘結(jié)力，降低各組分之間的分離趨勢(shì)，提高均質(zhì)性，改善泌水離析現(xiàn)象，增強(qiáng)混凝土的綜合性能，有著廣泛的研究空間和可以預(yù)期的應(yīng)用前景。劉道勝[1]研究表明，CTF 增效劑使 C30 強(qiáng)度等級(jí)混凝土擴(kuò)展度、坍落度分別增加 50mm、40mm，抗壓強(qiáng)度值提高10.1MPa。常海燕[2]的研究結(jié)果表明 CTF 的使用可以節(jié)約水泥用量，具有客觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，值得在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。目前大量的研究人員對(duì) CTF 增效劑在商品混凝土中的應(yīng)用、在高強(qiáng)混凝土試驗(yàn)中的應(yīng)用展開(kāi)了較多的試驗(yàn)研究與分析[3-9]，對(duì)我們進(jìn)行 CTF 和 LSY 增效劑的深入研究提供了寶貴的建議與資料。

本文使用 CTF 增效劑和 LSY 增效劑，針對(duì) C15～C30 不同中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能完成了較全面的試驗(yàn)研究，探索 CTF 和 LSY 兩種增效劑對(duì)混凝土性能的影響。最后，對(duì)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，探討了宏觀影響背后的微觀機(jī)制，展示了使用增效劑后的混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化。

1　原材料和試驗(yàn)方法

1.1原材料

（1）水泥（C1）：北京金隅股份有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 水泥，主要物理性能指標(biāo)見(jiàn)表 1。

表1　水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

（2）粉煤灰（Fa）：II 級(jí)粉煤灰，細(xì)度 45μm，篩余13.2%，需水量比為 102%，燒失量 5.65%。

（3）礦粉（KF）：首鋼嘉華公司生產(chǎn)的 S95 型磨細(xì)礦渣，密度為 2.8kg/m3，7d 抗壓強(qiáng)度比為 76%，28d 抗壓強(qiáng)度比為 96%。

（4）外加劑：增效劑，CTF 濃度為 6%，LSY 濃度為6%，摻量均為膠凝材料的 0.6%；FDN 萘系減水劑，含固量35%。

（5）砂子（S）：三河市機(jī)制粗砂，5～20mm 連續(xù)級(jí)配，堆積密度 1663kg/m3，表觀密度 2550kg/m3，含泥量6.3%，細(xì)度模數(shù) 3.5。

（6）碎石（G）：三河市機(jī)制石，粒徑 19.0～26.5mm的大石子，表觀密度 2714kg/m3，空隙率 42.84%；粒徑 4.7～9.5mm 的小石子，表觀密度 2706kg/m3，空隙率39.53%。

1.2試驗(yàn)方法

混凝土工作性能按 GB/T 50080－2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，混凝土力學(xué)性能按GB/T 50081－2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，混凝土耐久性能按 GB/T 50082－2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》，硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)是將相同試塊分別放入清水與硫酸鈉中，觀測(cè)混凝土質(zhì)量損失并測(cè)其抗壓強(qiáng)度。

采用壓汞法觀測(cè)混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1CTF 和 LSY 增效劑對(duì)混凝土性能的影響

將摻加 CTF 和 LSY 增效劑的混凝土與不加入增效劑的空白組混凝土進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，研究和探討增效劑對(duì)中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土性能的影響。

試驗(yàn)采用 C10～C30 五種強(qiáng)度等級(jí)混凝土（C10 和 C15配合比一樣，故為同一組），每種等級(jí)混凝土分別做三組對(duì)比試驗(yàn)，一組是對(duì)照組，另外兩組分別摻加 CTF 和 LSY 增效劑。具體試驗(yàn)室配合比見(jiàn)表 2。

表2　混凝土配合比　　　　　　　kg/m3

2.1.1混凝土工作性能

根據(jù)規(guī)范對(duì)攪拌均勻后的混凝土進(jìn)行坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖 1 和圖 2。

圖1　不同等級(jí)強(qiáng)度混凝土的坍落度變化

圖2　不同等級(jí)強(qiáng)度混凝土的擴(kuò)展度變化

圖 1 反映 CTF 和 LSY 增效劑增大了 C10～C15 和 C20 強(qiáng)度等級(jí)混凝土的坍落度，圖 2 表明二者提高了 C10～C30 強(qiáng)度等級(jí)混凝土的擴(kuò)展度，證明 CTF 和 LSY 能很好的改善混凝土的工作性能，使新拌混凝土的坍落度和擴(kuò)展度相對(duì)于空白組而言都有不同程度的增加，坍落度基本都在 210mm 以上，而擴(kuò)展度基本都在 400mm 以上。

這是由于混凝土增效劑是一種以聚合物為主體的表面活性劑，具有一定的分散性能，可以提高水泥顆粒及礦物摻合料的分散性能，提高混凝土拌合物的均質(zhì)性及和易性。所以摻有混凝土增效劑的新拌混凝土的表觀漿體增多，漿體的包裹性明顯變好，抗泌水能力提高，泵送摩擦力減小[3]。

2.1.2混凝土力學(xué)性能

分別測(cè)定上述 12 組混凝土試塊 3d、7d、28d、56d、90d的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表 3。

表3　混凝土的力學(xué)性能

從表 3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，C10～C30 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土試塊摻入增效劑后強(qiáng)度均有不同程度的提高，其中 28d 測(cè)抗壓強(qiáng)度，C10～C15 等級(jí)中的空白組、CTF 組和 LSY 組的強(qiáng)度分別為 14.5MPa、16.2MPa 和 21.6MPa；C20 等級(jí)中的空白組、CTF 組和 LSY 組的強(qiáng)度分別為 28.8MPa、32.4MPa 和34.0MPa；C25 和 C30 等級(jí)中的各組強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)加入增效劑后強(qiáng)度明顯提高的現(xiàn)象。可以證明：CTF 和 LSY 增效劑的添加可以有效提高中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度，就后期強(qiáng)度而言，每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)下的 56d 強(qiáng)度和 90d 強(qiáng)度都在繼續(xù)增長(zhǎng)，漲幅可達(dá)到 50%?；炷猎鲂┩ㄟ^(guò)促進(jìn)較難水化礦物的水化，提高水泥礦物的水化程度，增加凝膠體數(shù)量，提高混凝土的密實(shí)程度，從而提高混凝土各齡期強(qiáng)度[3]。

2.1.3混凝土的耐久性能

通過(guò)測(cè)定在一定濃度的 CO2氣體介質(zhì)中混凝土試件的碳化深度，進(jìn)而評(píng)定混凝土的抗碳化能力。在GB/T 50082－2009 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下碳化 28d 后混凝土的碳化深度見(jiàn)表 4。

對(duì)于中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土 C10～C30，碳化深度隨強(qiáng)度等級(jí)的升高而降低。其中，不同強(qiáng)度等級(jí)下，加入 CTF 和 LSY增效劑的組別比空白組碳化深度降低了 1 到 5 個(gè)單位不等，例如 C10～C15 等級(jí)下，空白組的碳化深度為 20mm，加入CTF 和 LSY 的碳化深度分別為 18mm 和 15mm。可以證明：同一強(qiáng)度等級(jí)下，加入 CTF 和 LSY 增效劑的組別明顯比空白組碳化深度低，即 CTF 和 LSY 增效劑提高了混凝土的抗碳化能力。

表4　混凝土的碳化深度

氯離子的滲透性是反映混凝土孔隙率大小與孔隙結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，是混凝土耐久性的重要指標(biāo)，通過(guò)實(shí)測(cè)氯離子濃度和擴(kuò)散深度的關(guān)系曲線，根據(jù) Fick 定律擬合得到氯離子的擴(kuò)散系數(shù)。試驗(yàn)測(cè)定了混凝土試塊的 28d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)和 90d氯離子擴(kuò)散系數(shù)，混凝土滲透性評(píng)價(jià)見(jiàn)表 5。

表5　混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)及滲透性評(píng)價(jià)

由表 5 可以看出，在氯離子滲透試驗(yàn)中，無(wú)論是養(yǎng)護(hù) 28d 還是 90d 的混凝土試塊，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)都在100～500×10-14m2/s之間，滲透性評(píng)價(jià)均為中等。氯離子擴(kuò)散系數(shù)較為接近，標(biāo)養(yǎng) 90d 的擴(kuò)散系數(shù)小于標(biāo)養(yǎng) 28d 的，這是由于混凝土中的未完全水化的水泥顆粒繼續(xù)水化，使混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，氯離子難以進(jìn)入的結(jié)果。說(shuō)明增效劑對(duì)混凝土氯離子滲透性沒(méi)有不利影響。

我國(guó)大部分地區(qū)普遍存在硫酸鹽腐蝕，對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土進(jìn)行硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)，將標(biāo)養(yǎng) 56d 的試塊分別放入清水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% 的 Na2SO4溶液中浸泡 60d，通過(guò)對(duì)比研究 CTF 和 LSY 增效劑是否會(huì)影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。質(zhì)量損失和強(qiáng)度變化見(jiàn)表 6。

表6 試塊浸泡在水中和 Na2SO4溶液中的質(zhì)量損失和強(qiáng)度對(duì)比

試塊質(zhì)量和強(qiáng)度的變化規(guī)律為：無(wú)論在清水還是硫酸鹽溶液中，試塊質(zhì)量都有小幅增加，主要因?yàn)榛炷林械奈赐耆乃囝w粒繼續(xù)水化，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠產(chǎn)物的等原因。然而由于浸泡的時(shí)間僅為 60d，混凝土試塊還沒(méi)有因表面腐蝕而膨脹脫落。若繼續(xù)浸泡至 120d，混凝土將會(huì)發(fā)生體積膨脹、表面物質(zhì)腐蝕脫落、強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。本試驗(yàn)中，在質(zhì)量基本不變的情況下，硫酸鈉溶液中的混凝土試塊由于受到腐蝕比清水中的試塊的強(qiáng)度略有降低，而在硫酸鈉溶液中加入 CTF 和 LSY 增效劑組別的強(qiáng)度與空白組的強(qiáng)度持平，略有提高，相差不大。故 CTF 和 LSY 增效劑對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能并無(wú)不利影響。

2.2增效劑對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

試驗(yàn)檢測(cè)了 C25 基準(zhǔn)配比及 C25 摻 CTF、LSY 增效劑的三種混凝土 28d 齡期的孔結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 7。

表7　C25混凝土28d壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

摻 CTF 增效劑的 C25 混凝土 28d 齡期時(shí)的總孔面積、平均孔徑、孔隙率均小于 C25 空白對(duì)照組。總孔面積由24.089m2/g 降到 13.597m2/g，平均孔徑減小的不多，孔隙率由15.54% 降到 11.75%。而摻 LSY 混凝土增效劑的 C25 混凝土28d 齡期時(shí)的總孔面積、平均孔徑、孔隙率也都小于 C25 基準(zhǔn)組?？偪酌娣e由 24.089m2/g 降到 15.616m2/g，平均孔徑由18.2nm 降到 15.4nm，孔隙率由 15.54% 降至 11.25%。總而言之，CTF 和 LSY 增效劑很大程度上降低了混凝土內(nèi)部的孔面積和孔隙率。

綜上所述，摻 CTF 和 LSY 增效劑后，混凝土的孔隙率降低，孔隙得到細(xì)化，使硬化漿體的密實(shí)度提高，從而混凝土的強(qiáng)度也得到提高，這是混凝土力學(xué)性能得到改善的根本原因。

3　結(jié)論

（1）在 CTF 和 LSY 摻量為 0.6% 的情況下，CTF 和LSY 增效劑對(duì)混凝土的工作性能都有所改善，坍落度和擴(kuò)展度都比空白組的要大一些，混凝土的和易性更好。

（2）加入增效劑組的混凝土強(qiáng)度均高于空白組的強(qiáng)度，就后期強(qiáng)度而言，加入增效劑后混凝土的 56d、90d 強(qiáng)度仍有所增長(zhǎng)，即增效劑不會(huì)影響混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展。

（3）選用標(biāo)養(yǎng) 28d 的混凝土試塊做碳化試驗(yàn)，碳化深度隨強(qiáng)度等級(jí)升高而降低，同一強(qiáng)度等級(jí)下的三組試塊的碳化深度都處在一個(gè)級(jí)別，加入增效劑的碳化深度略有降低。總體來(lái)看，增效劑不會(huì)影響混凝土的抗碳化性能。

（4）混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)中，采用了標(biāo)養(yǎng) 28d和 90d 的試塊進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：各組之間擴(kuò)散系數(shù)相差不大，滲透性評(píng)價(jià)基本一致，可以證明增效劑對(duì)混凝土氯離子滲透性沒(méi)有不利影響。

（5）在抗硫酸鹽侵蝕的試驗(yàn)中，試塊浸泡時(shí)間為 60d，時(shí)間較短。浸泡前后質(zhì)量變化不大，浸泡硫酸鹽試塊的抗壓強(qiáng)度略低于清水的，但縱向比較的話，加入增效劑組別的抗壓強(qiáng)度和空白組的強(qiáng)度沒(méi)有太大差別，即增效劑不會(huì)影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

（6）孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)表明：加入增效劑后，混凝土的總孔面積、平均孔徑、孔隙率均小于空白組。

[1] 劉道勝．CTF 增效劑在商品混凝土中的應(yīng)用性能研究[J]．重慶大學(xué)，2012．

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［通訊地址］北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)（100083）

張璇，女，北京科技大學(xué)碩士研究生。