增效劑對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的試驗(yàn)研究

王海濤，張峰，賈雷，徐錦富，劉子香

（1. 天津市飛龍砼外加劑有限公司，天津 300400；2. 天津市美城商品混凝土有限公司，天津 300304）

0 前言

隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，作為需求量較大的建筑材料之一，混凝土的使用和發(fā)展備受關(guān)注。在保證混凝土使用質(zhì)量的情況下如何降低其生產(chǎn)成本，是混凝土行業(yè)所面臨的首要任務(wù)。研究表明，混凝土中有超過 20%的水泥不能充分進(jìn)行水化反應(yīng)，只起到填充作用，因而對(duì)于未水化水泥是一種浪費(fèi)，不能充分發(fā)揮其作用。由于常用減水劑與水泥作用機(jī)理的局限性，當(dāng)減水劑摻加到一定量時(shí)，對(duì)混凝土不再發(fā)揮減水作用，導(dǎo)致難以保障其經(jīng)濟(jì)效益。如何在保證經(jīng)濟(jì)效益的前提下，使剩余20% 的水泥發(fā)揮作用，是目前混凝土行業(yè)所面臨的重點(diǎn)難題與考驗(yàn)。

由于京津冀的快速發(fā)展，造成混凝土原材料供應(yīng)緊張且原材料品質(zhì)也有所下降，公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)近幾年針對(duì)京津冀混凝土原材料的現(xiàn)狀做了大量深入研究，研發(fā)出 JFL-W310 型混凝土增效劑，該產(chǎn)品是一種區(qū)別于混凝土減水劑的新型混凝土外加劑，通過超強(qiáng)穩(wěn)泡官能團(tuán)及懸浮顆?；鶊F(tuán)合成技術(shù)，并根據(jù)京津冀現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的材料，不斷優(yōu)化產(chǎn)品體系，其中多種有機(jī)和無機(jī)離子的協(xié)同增溶作用通過對(duì)水泥顆粒的優(yōu)先和持續(xù)的吸附，減少了水泥顆粒對(duì)聚羧酸減水劑的吸附，并維持了液相中減水劑的濃度，并有效地控制了混凝土的坍落度損失和保證了混凝土力學(xué)性能。其形態(tài)多為無色、淺黃或淺褐色半透明液體，且不含氯離子、無堿，少量減水和引氣，其主要特點(diǎn)是在同水膠比大坍落情況下能有效改善和提升混凝土的工作性能，緩解高層泵送困難的問題，并且在同水膠比下促進(jìn)水泥顆粒的充分水化，達(dá)到相同強(qiáng)度時(shí)能減少 10%～15% 的水泥用量。該產(chǎn)品通過天津建材協(xié)會(huì)組織的專家組審察及權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)，且公司通過提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持和服務(wù)，使該產(chǎn)品成功應(yīng)用在天津及周邊城市工民建、市政路橋及城市地鐵軌道交通工程中，大大提升了當(dāng)?shù)鼗炷疗髽I(yè)在國(guó)內(nèi)混凝土市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，有效地節(jié)約了社會(huì)資源。

1 原材料情況及混凝土試驗(yàn)用配合比

1.1 原材料選用情況

選用京津冀地區(qū)市場(chǎng)占有率高且有代表性的三家水泥：冀東 P·O42.5 水泥、金隅振興 P·O42.5 水泥、唐山圣龍 P·O42.5 水泥。

礦粉：天鋼 S95 級(jí)礦粉。

粉煤灰：天津軍電Ⅱ級(jí)粉煤灰。

天津飛龍 JFL-2C 型聚羧酸高性能減水劑（緩凝型）。

天津飛龍 JFL-W310 混凝土增效劑。

碎石：連續(xù)級(jí)配 5～25mm 碎石。

河砂：細(xì)度模數(shù) 2.6，Ⅱ 區(qū)中砂，綏中砂。

水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方案

基準(zhǔn)配合比與加增效劑每方降低 20kg 水泥及在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上直接加入增效劑后（見表 1），對(duì)新拌混凝土的工作性（見表 2）及硬化混凝土的力學(xué)性能（見表 3）、耐久性能（見表 4）的綜合考察。

混凝土拌合物性能對(duì)比試驗(yàn)按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行檢測(cè)；力學(xué)性能按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)設(shè)計(jì)的摻加和不摻加增效劑的基準(zhǔn)配合比進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)；耐久性能按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》快速評(píng)價(jià)混凝土抵抗氯離子滲透的能力。

耐久性檢測(cè)部分設(shè)備見圖 1 和圖 2。圖 1 為 PDR 快速凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)，圖 2 為 FDW-Ⅱ-8 電通量智能測(cè)定儀。

表 1 采用不同水泥加增效劑與基準(zhǔn)混凝土試驗(yàn)配合比

表 2 基準(zhǔn)配合比與摻增效劑混凝土拌合物性能

圖 1 凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)

圖 2 電通量智能測(cè)定儀

2 混凝土工作性能、力學(xué)性能及耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1 混凝土拌合物性能

新拌混凝土工作性的好壞直接影響到工程中下一道工序的開展，只有混凝土拌合物滿足了工作性能滿足要求，混凝土的后期力學(xué)性能、耐久性能才能得以保障。結(jié)合商品混凝土攪拌站工地路程的實(shí)際情況，本文加增效劑后對(duì)混凝土工作性能的判定主要為新拌混凝土出機(jī)的和易性、粘聚性、保水性，并通過坍落度、擴(kuò)展度的經(jīng)時(shí)損失保留值等具體檢測(cè)數(shù)值來進(jìn)行綜合評(píng)判，試驗(yàn)結(jié)果見表 2。

由表 2 可以看出，針對(duì)三種不同廠家的水泥，加增效劑后每方降低 20kg 水泥后，混凝土出機(jī)工作性能與基準(zhǔn)相差不大，在保持基準(zhǔn)配合比膠材總量不變的情況下，對(duì)混凝土的出機(jī)工作性改善較為明顯，表現(xiàn)為混凝土增加了流速的同時(shí)，混凝土的和易性、粘聚性也有所改善，1.5h 經(jīng)時(shí)損失坍落度保留值改善較為明顯；出機(jī)含氣量略微有所提高，針對(duì)部分水泥相較于基準(zhǔn)配合比含氣量損失變??；混凝土凝結(jié)時(shí)間因不同水泥自身水化熱的不同加增效劑后與基準(zhǔn)配合比相比無明顯變化；增加增效劑增加流動(dòng)性的同時(shí)泌水率沒有太大變化。

2.2 混凝土力學(xué)性能

混凝土力學(xué)性能檢測(cè)從混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量等檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行考察；混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以混凝土抗壓強(qiáng)度（混凝土強(qiáng)度等級(jí)）為依據(jù)，其他的力學(xué)性能指標(biāo)如劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量等，是根據(jù)混凝土抗壓強(qiáng)度按照結(jié)構(gòu)性能評(píng)定過程中，特別是對(duì)火災(zāi)后結(jié)構(gòu)混凝土的性能評(píng)定有時(shí)需要這些參數(shù)的實(shí)測(cè)值，本文主要從以上幾方面檢測(cè)指標(biāo)綜合進(jìn)行評(píng)判摻入增效劑后對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表 3。

由表 3 數(shù)據(jù)可以看出，增效劑摻量為膠凝材料0.6% 時(shí)，每方降低 20kg 水泥后與基準(zhǔn)配合比相比力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)相差不大；同膠材試驗(yàn)結(jié)果表明，增加增效劑后混凝土與基準(zhǔn)配合比相比，其 3d、7d 早期強(qiáng)度略有所提高，提高幅度不大，28d、56d 后期強(qiáng)度同條件下提高近 2.5～4.5MPa；其他力學(xué)性能軸壓強(qiáng)度和靜彈性模量指標(biāo)無明顯差距。早期及后期抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖 3 所示。

表 3 摻加增效劑混凝土力學(xué)性能

一般，混凝土拉壓比隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高而逐漸減小，特別是普通混凝土的拉壓比降幅隨著強(qiáng)度等級(jí)升高而加大。通過本輪力學(xué)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加了增效劑后拉壓比相比總體上有小幅度提高，近 1.2%～1.9%，分析其原因，可能是由于增效劑含有較強(qiáng)的極性基團(tuán)，可以使混凝土內(nèi)部的微電場(chǎng)分布更加均勻，增加了膠凝材料與骨料間的粘結(jié)力，使混凝土受壓和受拉破壞形態(tài)上有輕微改善，保持了混凝土的整體穩(wěn)定性，表現(xiàn)出良好的延展性，有利于改善混凝土的劈拉抗拉性能；同時(shí)因增效劑的聚合度大，也使混凝土的抗裂性能提高，從而提高了拉壓比。結(jié)果如圖 4 所示。

圖 3 加增效劑與基準(zhǔn)配合比強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果

圖 4 后期拉壓比試驗(yàn)結(jié)果圖

2.3 混凝土耐久性

混凝土的抗?jié)B性被認(rèn)為是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)。采用 ASTM C1202 快速試驗(yàn)方法測(cè)得的電量反映了混凝土的抗離子的滲透性能。

京津冀地處華北地區(qū)，特別是天津地區(qū)工程類別中又以水工、港工、路橋較為突出，因此，根據(jù)不同環(huán)境作用等級(jí)的要求通過對(duì)混凝土配比的優(yōu)化設(shè)計(jì)和混凝土原材料的選擇來提高混凝土凍融耐久性的指標(biāo)尤為重要；混凝土所處環(huán)境凡是有正負(fù)溫交替、混凝土內(nèi)部含有較多水的情況，混凝土都會(huì)發(fā)生凍融循環(huán)，以至疲勞破壞。因此，混凝土的抗凍融性能是混凝土耐久性的最具代表性的指標(biāo)，為此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在混凝土凍融性能上，從宏觀到亞微觀（氣泡參數(shù)等）均做了大量的研究，制定了混凝土建筑物在不同環(huán)境運(yùn)行條件下的抗凍耐久性設(shè)計(jì)要求。

海岸工程和近海工程，由于受到海水和鹽霧的物理和化學(xué)作用，鋼筋混凝土遭受腐蝕破壞的嚴(yán)重程度一般要比內(nèi)地的建筑物嚴(yán)重，化學(xué)作用主要包括海水中的硫酸鹽、鎂鹽及氯鹽等腐蝕性介質(zhì)對(duì)混凝土的侵蝕；物理作用包括反復(fù)干濕作用的鹽結(jié)晶壓力等。以天津大港地區(qū)為例，其鹽土土壤中含有多種硫酸鹽，硫酸根離子（SO42-）含量為 0.28%，其對(duì)混凝土的腐蝕屬于硫酸鹽腐蝕；鹽土土壤中氯離子含量為 2.62%，容易使鋼筋出現(xiàn)“坑蝕”現(xiàn)象，另外土壤中還存在其他的腐蝕介質(zhì)。本文結(jié)合天津地區(qū)的特殊環(huán)境作用條件，從電通量、凍融循環(huán)、抗硫酸鹽耐蝕等幾項(xiàng)指標(biāo)來綜合評(píng)價(jià)增加增效劑后對(duì)混凝土耐久性的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表 4。

表 4 摻加增效劑混凝土耐久性能

按照混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)的規(guī)范要求，硫酸鹽侵蝕時(shí)間 t 時(shí)間后，當(dāng)試件抗折強(qiáng)度低于初始抗折強(qiáng)度80% 時(shí)，可以認(rèn)定該混凝土的耐久性喪失。

由表 4 檢測(cè)數(shù)據(jù)得出，加入增效劑后混凝土 56d電通量均有所下降（圖 5），電通量檢測(cè)指標(biāo)均小于800C，滿足環(huán)境作用等級(jí) E 級(jí) 100 年使用年限級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)要求；由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，在使用聚羧酸高性能減水劑的基礎(chǔ)上加入增效劑后兩者具有協(xié)同效應(yīng)，混凝土耐蝕系數(shù)也有所提高，均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)＞0.8% 的要求；因混凝土增效劑自身不含堿和氯離子，最終混凝土的總堿量和氯離子含量與基準(zhǔn)相比沒有明顯變化，JFL- W301增效劑產(chǎn)品在地鐵工程應(yīng)用中混凝土氯離子含量現(xiàn)場(chǎng)抽檢均能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖 5 增效劑對(duì)不同水泥電通量試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)論

結(jié)合 JFL-W310 混凝土增效劑在工程中的應(yīng)用并通過對(duì)該產(chǎn)品對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）增效劑的使用能提升新拌混凝土性能，改善和易性，減少泌水，泵送摩阻小，可應(yīng)用于現(xiàn)代建筑的高層及超高層泵送。

（2）最大限度地激發(fā)減水劑及分散膠凝材料，可以使混凝土內(nèi)部的微電場(chǎng)分布更加均勻，增加了膠凝材料與骨料間的粘結(jié)力，使混凝土受壓和受拉破壞形態(tài)上有輕微改善，改善了混凝土的力學(xué)性能。

（3）因增效劑有輕微的引氣作用，對(duì)混凝土含氣量的提高及氣泡參數(shù)的改變，提高了混凝土的抗凍融能力；密實(shí)性增強(qiáng)，提高混凝土抗?jié)B性。

（4）節(jié)能減排降耗。結(jié)合混凝土原材料的品質(zhì)和各站管理和實(shí)際控制能力情況，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試配可減少水泥使用量 10%～15%，可保持或超過基準(zhǔn)強(qiáng)度；綠色環(huán)保產(chǎn)品，無毒、無污染，屬綠色環(huán)保建材。