淺談硫酸鈉在混凝土中的應(yīng)用

馬永勝，候慶亮，于飛

（1. 哈爾濱佳連混凝土技術(shù)開發(fā)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150076；2. 大元建材科技股份有限公司，河北 滄州 061724）

淺談硫酸鈉在混凝土中的應(yīng)用

馬永勝1，候慶亮1，于飛2

（1. 哈爾濱佳連混凝土技術(shù)開發(fā)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150076；2. 大元建材科技股份有限公司，河北 滄州 061724）

隨著預(yù)拌混凝土的飛速發(fā)展，混凝土外加劑被廣泛的應(yīng)用到混凝土中。本文通過一系列的試驗(yàn)，以及筆者在工程中應(yīng)用硫酸鈉時，遇到的案例、問題，與大家共同探討關(guān)于硫酸鈉在混凝土中應(yīng)用的利弊。

硫酸鈉；強(qiáng)度；工作性；耐久性

0 引言

硫酸鈉常被稱作元明粉，是工程中常用的早強(qiáng)劑，同時又是復(fù)配泵送劑時比較常見的早強(qiáng)組份。本文將硫酸鈉統(tǒng)一稱為“元明粉”。筆者認(rèn)為在混凝土中元明粉的作用不只有早強(qiáng)，并長期將元明粉作為調(diào)節(jié)混凝土外加劑與其他材料相容性的保坍組份。

本文將通過強(qiáng)度對比試驗(yàn)、混凝土坍落度經(jīng)時損失試驗(yàn)、以及一些案例來分析元明粉在不同使用條件下對混凝土各項性能的影響。

1 元明粉對混凝土強(qiáng)度的影響

1.1.1 原材料

（1）水泥，P·O42.5水泥，其性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥復(fù)檢性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，其性能指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰復(fù)檢性能指標(biāo) %

（3）粗骨料：碎石，5～25mm 連續(xù)級配，其性能指標(biāo)見表3。

表3 碎石復(fù)檢性能指標(biāo) %

（4）細(xì)骨料：天然砂，其性能指標(biāo)見表4。

表4 細(xì)骨料復(fù)檢性能指標(biāo)

（5）泵送劑，其性能指標(biāo)見表5。

表5 混凝土泵送劑復(fù)檢性能指標(biāo)

（6）元明粉，其性能指標(biāo)見表6。

表6 元明粉性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

按 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》依次將不同元明粉摻量的混凝土進(jìn)行成型試驗(yàn)。試拌量不小于 25L，每組試樣齡期為 3d、7d、28d、60d。混凝土配合比見表7。

所有混凝土試驗(yàn)使用的原材料為同一廠家、同一批次?；炷僚浜媳瘸鞣蹞搅客猓渌嗤??；炷翗?biāo)記為 A-C30-200（S4)-GB/T14902。

表7 對比試驗(yàn)配合比 k g/m3

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表8 ）

表8 對比試驗(yàn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)

通過表8 可以看出，當(dāng)元明粉摻量為.5%～1.0%時，混凝土的 3d 強(qiáng)度、7d 強(qiáng)度有顯著提高。但發(fā)現(xiàn)當(dāng)元明粉摻量提高到1.5%～2.0% 時，混凝土早期強(qiáng)度的增長趨于平緩。而2.5% 摻量較2.0% 摻量，混凝土強(qiáng)度增長則不明顯。

28d 齡期中當(dāng)元明粉摻量為.5%～1.0% 時，與不摻元明粉的混凝土差異不大，當(dāng)元明粉摻量為1.5%～2.0% 時強(qiáng)度要低于沒摻元明粉的混凝土。當(dāng)摻量提高到2.5% 時較未摻元明粉的混凝土強(qiáng)度下降明顯。

60d 齡期中可以發(fā)現(xiàn)摻加元明粉的混凝土較之沒有摻加元明粉的混凝土，強(qiáng)度均有不同程度的下降，且元明粉摻量越高，強(qiáng)度下降的越明顯。

元明粉加入混凝土后與水泥水化生成的氫氧化鈣反應(yīng)，生成硫酸鈣，硫酸鈣與 C3A 反應(yīng)形成一定量的鈣礬石。并且由于硫酸鈉的加入，Ca(OH)2濃度降低，硅酸三鈣的水化速度增加，所以混凝土的早期強(qiáng)度有所增加，但因?yàn)樵鞣鄣募尤胍约皳搅坎粩嗟奶岣?，混凝土中早期水化的產(chǎn)物生成速度過快，導(dǎo)致混凝土中的膠凝材料漿體結(jié)構(gòu)不均勻，影響混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展。

所以元明粉作為早強(qiáng)劑摻入混凝土?xí)r，0.5%～1.5%的摻量對混凝土早期強(qiáng)度有明顯提高，并且對后期強(qiáng)度影響不大。

2 元明粉對混凝土工作性的影響

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)步驟依據(jù) GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中稠度試驗(yàn)進(jìn)行檢測，記錄混凝土初始坍落度以及 30min、60min 后坍落度的變化，其中混凝土試驗(yàn)中所用原材料與本文強(qiáng)度試驗(yàn)相同，配合比參照表7 ，除元明粉摻量外其它相同。試驗(yàn)溫度20℃、濕度 55%。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表9）

通過表9的數(shù)據(jù)可以看出，隨著元明粉摻量的增加，混凝土的初始坍落度變小，坍落度損失變大。并且當(dāng)元明粉摻量達(dá)到1.5%～2% 時，急劇加大了混凝土的坍落度損失。

表9 不同元明粉摻量坍落度及坍落度損失

摻入元明粉之后，對混凝土的工作性有很大的影響，從混凝土坍落度及坍落度損失來看，元明粉摻量不宜超過1%。

那么是否所有的混凝土在加入元明粉后，對混凝土的工作性都是負(fù)作用呢？筆者認(rèn)為不然。元明粉加入混凝土中除了早強(qiáng)作用之外，還有其他的功效，在調(diào)整外加劑與原材料相容性的時候，有時會遇到一種較難調(diào)整的水泥，水泥中三氧化硫摻量較低，或者水泥中的石膏溶解度有問題，那么往往混凝土的坍落度損失較大，使用常用的緩凝劑不能保證混凝土坍落度經(jīng)時損失，甚至往往在混凝土出機(jī)后5分鐘到10分鐘的時間內(nèi)失去工作性。

下面以同樣的試驗(yàn)方法、同樣的配合比、同樣的試驗(yàn)條件，換用另外一個廠家的水泥進(jìn)行試驗(yàn)，觀察摻入不同摻量元明粉的混凝土初始坍落度與混凝土坍落度損失，結(jié)果見表10。

表10 不同元明粉摻量坍落度及坍落度損失

圖1和2分別為 60min 后坍落度最大和最小的兩組試樣的狀態(tài)對比圖。

圖1 編號2試驗(yàn) 60mim

圖2 編號1試驗(yàn)6mi n

通過表10與圖2可以看到，編號1的混凝土坍落度經(jīng)時損失比較大，60min 后混凝土表面發(fā)澀，失去流態(tài)也就是常說的“灰死了”，表面的漿體較少工作性較差。

而編號2、編號3的混凝土經(jīng)時損失很小，60min后混凝土的流態(tài)依舊很好，漿體表面游離水充足，說明對于此廠家的水泥，在調(diào)整外加劑相容性方面，元明粉起到積極的作用。

當(dāng)元明粉摻量提高到1.5%～2% 時，編號4、編號5的混凝土較編號2、編號3的混凝土的初始坍落度變小，坍落度經(jīng)時損失變大，并且混凝土漿體粘度變大，游離水變少。

這說明當(dāng)元明粉摻量為.5%～1% 時，調(diào)整外加劑與原材料相容性的效果已經(jīng)達(dá)到，而多余的元明粉此時對于混凝土保坍來說起到的是反作用。

3 作用機(jī)理

元明粉作為粉態(tài)外加劑加入混凝土?xí)r，自身會吸附一定量的水，同時元明粉摻量的提高會使得混凝土中的堿含量增加，加速水泥水化，所以隨著元明粉摻量的提高，混凝土的初始坍落度下降，混凝土坍落度經(jīng)時損失變大。

在欠硫化的水泥中則不然，由于水泥中的可溶性SO3不足或者石膏的溶解度不夠，不得不向混凝土里補(bǔ)入一定的硫酸根離子，去抑制氯酸三鈣對外加劑的吸附。

在補(bǔ)硫的時候，元明粉可以用硫代硫酸鹽或其他的硫酸鹽組分替代，但往往發(fā)現(xiàn)有時候用元明粉可以控制混凝土的坍落度損失，但用其他硫酸鹽則不可以，其實(shí)這種情況元明粉的作用就并非只有補(bǔ)硫了，筆者認(rèn)為元明粉在與水泥反應(yīng)后會形成一層鈣膜，而這種鈣膜對水泥中的氯酸三鈣、鐵鋁酸四鈣吸附外加劑有一定的阻礙作用，此時硫酸鈉的形態(tài)必須是粉態(tài)，而且要先于外加劑與水泥接觸。

4 工程中應(yīng)用元明粉時常見問題

4.1 混凝土表面鹽析

混凝土中加入元明粉，如果使用的不恰當(dāng)，混凝土表面很容易出現(xiàn)鹽析，這是因?yàn)樵鞣墼谂c水泥反應(yīng)時，鈉離子不與水化物反應(yīng)，很多都?xì)埩粼诨炷恋谋砻?，所以出現(xiàn)了鹽析，影響混凝土表面的觀感（見圖3～5）。

使元明粉產(chǎn)生鹽析現(xiàn)象的因素有以下幾種：

4.1.1 元明粉摻量

通過多組現(xiàn)場實(shí)例的對比，當(dāng)元明粉摻量為.5%以下時，混凝土鹽析現(xiàn)象較少。當(dāng)元明粉摻量超過1%時，混凝土鹽析的現(xiàn)象比較多，當(dāng)元明粉摻量達(dá)到2%時混凝土鹽析現(xiàn)象很嚴(yán)重。

圖3 剪力墻出現(xiàn)鹽析

圖4 混凝土樓板出現(xiàn)鹽析

圖5 混凝土板結(jié)泌水表面鹽析嚴(yán)重

4.1.2 混凝土和易性差

當(dāng)混凝土拌合物出現(xiàn)板結(jié)、泌水時，混凝土表面更容易出現(xiàn)鹽析的現(xiàn)象，并且裸露的骨料表面會出現(xiàn)白色粉末。當(dāng)混凝土出現(xiàn)泌水時，部分未反應(yīng)的元明粉會上浮到表面，當(dāng)混凝土表面失水后析出。

4.1.3 混凝土失水速度快

通過對多個現(xiàn)場的觀察與比對，濕養(yǎng)護(hù)工作做得比較好的混凝土鹽析現(xiàn)象很少出現(xiàn)，而混凝土不采取原漿覆蓋或過早拆模的混凝土鹽析現(xiàn)象較嚴(yán)重。圖3的混凝土拆模時間為 24h，并且當(dāng)天平均溫度為10℃，混凝土沒有達(dá)到一定的強(qiáng)度過早失水，導(dǎo)致表面出現(xiàn)鹽析現(xiàn)象。

4.2 元明粉結(jié)塊

2016 年綏化市某棚改工程，二層梁板中發(fā)現(xiàn)白色塊狀物體將混凝土表面脹裂，經(jīng)查實(shí)是由于拌合站工人在投放元明粉時將受潮帶有結(jié)塊的元明粉投入混凝土中。帶有結(jié)塊的元明粉在混凝土攪拌過程中并未完全攪拌開，而是以塊狀的形態(tài)出現(xiàn)混凝土中，而元明粉與水泥反應(yīng)后，局部產(chǎn)生較大的體積膨脹，最終將混凝土表面脹裂，影響混凝土質(zhì)量。

有結(jié)塊的粉態(tài)外加劑應(yīng)禁止用于混凝土中，在粉態(tài)外加劑投放之前可進(jìn)行篩分，并且使用粉態(tài)外加劑時應(yīng)延長混凝土的攪拌時間，提高混凝土的均勻性。

4.3 元明粉對混凝土裂縫的影響

在同一配合比、同一批次原材料、同一工程、同一天澆筑、同一施工工藝的前提下，分別采用～2% 不同元明粉摻量的混凝土澆筑混凝土樓板。為排除鋼筋影響混凝土開裂的因素，其中摻量為～1% 時采取隔條覆蓋的養(yǎng)護(hù)方法，即覆蓋一條、空出一條。澆筑日期為 2016年6月，澆筑平均溫度為 25℃，風(fēng)力到達(dá)4～5級。后檢查混凝土開裂情況，見表 11和圖6～11。

表11 不同摻量下混凝土開裂情況

圖6 0.5% 摻量濕養(yǎng)護(hù)混凝土開裂情況

圖7 1% 摻量濕養(yǎng)護(hù)混凝土開裂情況

圖8 2% 摻量濕養(yǎng)護(hù)混凝土開裂情況

圖9 2% 摻量未養(yǎng)護(hù)

圖10 0% 摻量未養(yǎng)護(hù)

圖11 2% 元明粉摻量的混凝土拆除底模

通過對比試驗(yàn)來看，首先在同樣采取原漿覆蓋的混凝土，無論是否摻入元明粉，混凝土都未出現(xiàn)開裂。而在沒有進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù)的混凝土中，其中摻入元明粉的混凝土的裂縫明顯更多，且裂縫寬度更寬。這么來看開裂的原因并不是混凝土加入了元明粉，而是混凝土的早期失水收縮導(dǎo)致的。但不可否認(rèn)的是，在混凝土同樣未養(yǎng)護(hù)的情況下，摻入元明粉的混凝土裂縫更多，裂縫寬度更大，這是因?yàn)樵鞣鄣募尤氪龠M(jìn)了 C3S 的水化，增加了混凝土的失水速度，而混凝土初期自身的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗混凝土失水造成的收縮應(yīng)力，混凝土則出現(xiàn)了開裂。由于混凝土開裂的時間更早，空氣進(jìn)入混凝土內(nèi)部進(jìn)一步加劇了混凝土的干燥收縮，形成了貫穿裂縫。同時元明粉呈堿性，加入混凝土后造成混凝土堿含量的提高，增加了混凝土自身收縮，加快了水泥水化的放熱速度，與外界的溫差較大時，造成了溫度應(yīng)力裂縫。

5 結(jié)論

元明粉在混凝土工程中作為早強(qiáng)劑對混凝土的早期強(qiáng)度有明顯的提高，同時在某種情況下調(diào)整外加劑相容性時，起到了良好積極的作用，但在使用元明粉時應(yīng)注意，為避免對混凝土后期強(qiáng)度的影響，應(yīng)找到最適合的摻量。同時在使用元明粉時，應(yīng)特別注意混凝土的濕養(yǎng)護(hù)，反之若現(xiàn)場不具備混凝土養(yǎng)護(hù)的條件，則需要慎用元明粉。

每一種外加劑對混凝土各方面性能均有利弊。 所以在使用每種外加劑前，更有必要經(jīng)過大量的試驗(yàn)才可進(jìn)行應(yīng)用。只有揚(yáng)長避短才能配制出優(yōu)質(zhì)的混凝土。

馬永勝（1974—），男，碩士，高級工程師。

［通訊地址］哈爾濱佳連混凝土技術(shù)開發(fā)有限公司（150076）