堿對(duì)摻萘系減水劑混凝土的性能影響

杭美艷，魏澤雨，王樹奇

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué),包頭　014010；2.包頭市安順建材責(zé)任有限公司，包頭　014010)

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堿對(duì)摻萘系減水劑混凝土的性能影響

杭美艷1，魏澤雨1，王樹奇2

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué),包頭014010；2.包頭市安順建材責(zé)任有限公司，包頭014010)

本文以五種不同廠家生產(chǎn)的萘系減水劑為研究對(duì)象，研究了堿對(duì)混凝土流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的影響，從液體表面張力角度說(shuō)明了堿對(duì)混凝土性能提高的作用機(jī)理。研究表明，堿對(duì)萘系減水劑混凝土流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度都有提高，但對(duì)不同廠家生產(chǎn)的減水劑作用效果不同，堿對(duì)萘系減水劑作用效果是具有選擇性的。同配比條件下，堿的摻入能降低混凝土綜合成本。

混凝土； 堿； 表面張力； 抗壓強(qiáng)度

1　引　言

外加劑作為混凝土的第五種組分已經(jīng)越來(lái)越受到重視，而減水劑是外加劑中應(yīng)用最廣，使用量最大的一種外加劑。隨著混凝土外加劑的發(fā)展，萘系減水劑因具有高效的減水性能和較強(qiáng)的適應(yīng)性已被廣泛應(yīng)用于混凝土中[1]。本文通過(guò)大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)摻入適量的堿對(duì)萘系減水劑性能有一定的激發(fā)作用，可以明顯改善混凝土的性能。本項(xiàng)研究選擇不同廠家生產(chǎn)的萘系減水劑UNF-5作為母體，將堿與萘系減水劑復(fù)合摻入混凝土中，研究堿對(duì)萘系減水劑混凝土的流動(dòng)性與強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果為萘系減水劑在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用提供一定的理論參考與指導(dǎo)。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

水泥：冀東P·O42.5級(jí)水泥，其主要物理力學(xué)性能見表1；

砂子：河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量6.2%；

石子: 碎石，5～31.5mm連續(xù)級(jí)配，其他性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求；

水：飲用水，符合混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)；

萘系減水劑：由泓樂(lè)、烏海、萬(wàn)山、英泰及屹峰五個(gè)不同廠家生產(chǎn)的萘系高效減水劑，減水劑的含水率，砂漿減水率及堿含量見表2。試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T8077-2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行;

堿：主要成分為碳酸鈉，純度99.0%，含有微量氯化物、鐵離子和硫酸鹽等雜質(zhì)。

表1　水泥主要物理力學(xué)性能

表2　不同廠家萘系減水劑的含水率及砂漿減水率

2.2試驗(yàn)方法

研究保持水膠比、減水劑摻量不變的條件下，對(duì)摻堿與不摻堿混凝土的性能進(jìn)行研究。堿摻量為0.8‰C。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30，基準(zhǔn)配合比見表3。試驗(yàn)采用泓樂(lè)、烏海、萬(wàn)山、英泰和屹峰五種不同廠家生產(chǎn)的UNF-5分別做對(duì)比，減水劑摻量0.6%C。以坍落度和擴(kuò)展度為指標(biāo)評(píng)價(jià)混凝土的流動(dòng)性。首先測(cè)定混凝土的初始坍落度和擴(kuò)展度，然后將混凝土放置于密閉桶中靜置20min再次測(cè)定其坍落度和擴(kuò)展度，最后將混凝土裝模成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)方法按GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

表3　混凝土基準(zhǔn)配合比

3　結(jié)果與討論

3.1堿對(duì)混凝土流動(dòng)性影響

混凝土的流動(dòng)性是衡量混凝土性能的一個(gè)重要指標(biāo)，它不僅由組成混凝土的材料決定，還取決于所用外加劑的性能。本文將減水劑摻堿與不摻堿混凝土攪拌后的出機(jī)狀態(tài)進(jìn)行比較，五種減水劑在摻入堿之后混凝土初始流動(dòng)性都有提高。圖1，圖2為泓樂(lè)減水劑出機(jī)狀態(tài)，可以看出，兩組混凝土粘聚性和保水性無(wú)差異，但摻堿混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度有提高。

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)獲得五種不同萘系減水劑混凝土在摻堿與不摻堿時(shí)初始坍落度和擴(kuò)展度值及20min后流動(dòng)性數(shù)值，如圖3、圖4所示。

圖1　0.6%C減水劑+堿混凝土出機(jī)狀態(tài)Fig.1　State of 0.6%C water reducing agent+alkali concrete

圖2　0.6%C減水劑混凝土出機(jī)狀態(tài)Fig.2　State of 0.6%C water reducing agent concrete

圖3　堿對(duì)萘系減水劑混凝土坍落度的影響

圖4　堿對(duì)萘系減水劑混凝土擴(kuò)展度的影響Fig.4　Effect of alkali on the slump flow of naphthalene series water reducer concrete

試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的水膠比和減水劑摻量下，堿的摻入對(duì)五種減水劑混凝土流動(dòng)性都有提高，初始坍落度提高0～1.5cm，擴(kuò)展度提高1～4cm；20min后，坍落度損失減少了0～4.5cm，擴(kuò)展度損失減少了0～9cm。其中萬(wàn)山減水劑混凝土摻堿后初始坍落度提高最大(1.5cm)，20min后坍落度損失與不摻堿相同；烏海減水劑混凝土摻堿后初始坍落度無(wú)提高，20min后坍落度損失減少的最大(4.5cm)。堿提高了混凝土流動(dòng)性并減少了經(jīng)時(shí)損失，這在一定程度上節(jié)省了減水劑中減水保坍的成分，降低了混凝土成本。堿對(duì)不同減水劑混凝土流動(dòng)性提高有差異，說(shuō)明堿對(duì)減水劑作用效果具有選擇性。

3.2堿對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

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圖5　堿對(duì)萘系減水劑混凝土強(qiáng)度影響Fig.5　Effect of alkali on the strength of naphthalene series water reducer concrete

混凝土抗壓強(qiáng)度是評(píng)定混凝土性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于摻不同萘系減水劑的混凝土，在摻堿與不摻堿條件下測(cè)得的28d和56d的強(qiáng)度值見圖5。

對(duì)于五種不同的UNF-5，堿對(duì)萘系減水劑混凝土強(qiáng)度都有提高，尤其是對(duì)后期強(qiáng)度的提高，提高幅度在1%～6%之間。不同廠家減水劑性能不同，堿對(duì)其激發(fā)效果也不同，摻堿后混凝土56d強(qiáng)度泓樂(lè)提高較小(1%)，萬(wàn)山提高較大(6%)，說(shuō)明堿對(duì)萘系減水劑混凝土強(qiáng)度的激發(fā)是有選擇性的。

3.3摻入堿對(duì)混凝土總堿量影響

為避免堿集料反應(yīng)引起的混凝土結(jié)構(gòu)膨脹破壞，對(duì)混凝土中總堿含量(R2O=Na2O+0.658K2O)有一定的限制。CECS53：93《混凝土堿含量限值標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，對(duì)于潮濕環(huán)境下的重要工程結(jié)構(gòu)，混凝土中堿含量限值為3kg/m3[2]。本文混凝土中堿主要由膠材、水及外加劑帶入。試驗(yàn)中，水泥帶入混凝土中的堿為1.914kg/m3，水帶入0.012kg/m3，外加劑帶入約0.14kg/m3，摻堿帶入0.092kg/m3，總堿量約為2.158kg/m3?？梢钥闯?，與其它成分相比，摻堿帶入的堿量很少。摻入堿在改善混凝土流動(dòng)性和強(qiáng)度的同時(shí)，不存在對(duì)堿集料反應(yīng)的影響。

4　堿對(duì)萘系減水劑混凝土性能提高作用機(jī)理

凡作用于液體表面，使液體表面積縮小的力稱為液體表面張力。表面張力直接影響著固液接觸角和潤(rùn)濕過(guò)程，進(jìn)而影響吸附分散性質(zhì)，是液體的一個(gè)重要物理性質(zhì)。為了研究堿對(duì)混凝土性能提高機(jī)理，分別將五種UNF-5配制成摻堿與不摻堿時(shí)的溶液，溶液中UNF-5的濃度為10g/L，堿溶液濃度為1.4g/L，測(cè)定溶液在20 ℃時(shí)的表面張力，結(jié)果見表4。

表4　不同UNF-5溶液摻堿與不摻堿表面張力

圖6　不同UNF-5溶液摻堿與不摻堿表面張力對(duì)比

圖7　萘系減水劑的分子結(jié)構(gòu)Fig.7　Molecular structure of naphthalene series water reducer

4.1減水劑提高混凝土流動(dòng)性原因

減水劑是一種表面活性劑，表面活性劑分子取代了水表面層的分子，使表面層中表面活性劑分子濃度大于溶液中的濃度，表面張力降低[3]。萘系減水劑具有兩親性結(jié)構(gòu)，一端親水(-SO3Na)另一端親油(-CH2)，其分子結(jié)構(gòu)如圖7。分子極性端進(jìn)入水相，非極性端受到水的排斥，離開水相排向水面，憎水部分伸向空氣。微觀上看，表面層減水劑分子所受的向內(nèi)的拉力比水分子的要小些，即表現(xiàn)出減水劑溶液的表面張力低于水的表面張力。減水劑降低水的表面張力，潤(rùn)濕效果增強(qiáng)[4]，混凝土流動(dòng)性提高。不同減水劑分子量和分子鏈長(zhǎng)度有差異，其溶液表面張力也不同，對(duì)混凝土流動(dòng)性提高程度也不同。

4.2堿對(duì)減水劑作用機(jī)理

摻入堿后減水劑表面張力降低，是因?yàn)樘妓徕c中反應(yīng)離子中和了表面活性劑中部分親水基電荷，降低了相電位[5]。在碳酸鈉中陽(yáng)離子作用下，表面層減水劑分子排列更為緊密，所受向內(nèi)拉力變小，這使減水劑表面張力降低，溶液分散性提高，相應(yīng)的其混凝土流動(dòng)性都有了提高。

5　結(jié)　論

(1)堿的摻入提高了萘系減水劑混凝土的流動(dòng)性減少經(jīng)時(shí)損失，提高了混凝土強(qiáng)度，對(duì)后期強(qiáng)度的提高最為明顯;

(2)堿對(duì)萘系減水混凝土性能的作用效果是有選擇性的，不同廠家生產(chǎn)的減水劑堿對(duì)其混凝土性能提高不同;

(3)同配比條件下，堿的摻入降低了混凝土的綜合成本;

(4)萘系減水劑混凝土中摻入一定量堿，在提高流動(dòng)性和強(qiáng)度的同時(shí)，不存在對(duì)堿集料反應(yīng)的影響。

[1] 水中和,魏小勝,王棟民.現(xiàn)代混凝土科學(xué)技術(shù)[M].北京，科學(xué)出版社，80-81.

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[4] 魏金,丁向群,沈潔,等.聚羧酸系高效減水劑的制備及其性能研究[J].硅酸鹽通報(bào),2012,31(1):42-45．

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EffectofAlkalionthePerformanceofConcreteMixedwithNaphthaleneSeriesWaterReducer

HANG Mei-yan1，WEI Ze-yu1，WANG Shu-qi2

(1.InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnolodgy,Baotou014010,China;2.AnshunBuildingMaterialsLimitedLiabilityCompanyofBaotou,Baotou014010,China)

Thetexttakesthenaphthaleneserieswaterreducerproducedbyfivedifferentmanufacturersforresearchobject,theeffectalkalionitsconcretefluidityandcompressivestrengthisstudied.Fromtheangleofsurfacetensionofliquidandcementhydrationdegreetoexplaintheeffectofalkalionimprovingtheperformanceofconcrete.Theresultsshowthatthealkalibothimprovethefluidityandcompressivestrengthofthenaphthaleneserieswaterreducingagentsconcret,howevertheeffectsaredifferenttonaphthaleneserieswaterreducingagentsfromdifferentmanufacturers.Theeffectalkalionnaphthalenewaterreducingagentsareselective.Underthesameratiocondition,thealkalireducesthecomprehensivecostoftheconcrete.

concrete;alkali;surfacetension;compressivestrength

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013MS0731)

杭美艷(1964-)，女，教授級(jí)高工.主要從事高性能混凝土及固體廢棄物綜合利用方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0123-05