減膠劑對(duì)水泥混凝土性能及膠凝材料水化作用的影響

李 巍 王高峰 曾 榮 吳有武 黃民劍 勞里林

1. 廣西華潤(rùn)裝配式建筑有限公司 廣西 南寧 530000；

2. 華潤(rùn)水泥技術(shù)研發(fā)（廣西）有限公司 廣西 南寧 530000

評(píng)價(jià)混凝土好壞主要考慮強(qiáng)度、工作性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性四方面內(nèi)容。目前，混凝土減膠劑在全國(guó)各地的預(yù)拌混凝土攪拌站應(yīng)用廣泛，許多科研工作者也對(duì)減膠劑對(duì)混凝土的強(qiáng)度、耐久性、工作性及經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行了不少研究。

從使用效果看，混凝土摻加減膠劑并按要求降低水泥用量后，強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求，工作性能有所改善，混凝土耐久性影響不大或者有提高，也取得良好的經(jīng)濟(jì)性[1-3]。但眾多研究中對(duì)減膠劑在水泥混凝土中的水化影響研究甚少。本試驗(yàn)在對(duì)比摻與不摻減膠劑對(duì)混凝土力學(xué)性、工作性及耐久性的影響的基礎(chǔ)上，探究了減膠劑對(duì)膠凝材料體系水化的影響。

1 試驗(yàn)原材料及性能指標(biāo)

1）水泥：采用華潤(rùn)紅水河牌P·O 42.5水泥，其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥性能指標(biāo)

2）粉煤灰：粉煤灰取自廣西某電廠，其性能指標(biāo)見表2。通過(guò)粉煤灰XRD圖可知，該粉煤灰主要含石英和莫來(lái)石晶相，同時(shí)含大量玻璃相。

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

3）礦粉：為廣西源盛S95?；郀t礦渣粉。

4）骨料：細(xì)骨料為碎石機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為3.0，屬于Ⅱ類中砂；粗骨料為5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度2 710 kg/m3，針片狀含量6%，壓碎值指標(biāo)10%。

5）減水劑：廣西紅墻新材料有限公司產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為22.3%。

6）混凝土減膠劑：取自某減膠劑生產(chǎn)公司，其性能指標(biāo)見表3。

表3 減膠劑性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間按GB/T 1346ü 2001《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢測(cè)方法》進(jìn)行測(cè)定，膠砂強(qiáng)度按GB/T 17671ü 1999《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)》進(jìn)行測(cè)定，混凝土工作性、力學(xué)性及抗碳化性能分別按照GB/T 50080－2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、JC/T 1083ü 2008《水泥與減水劑相容性試驗(yàn)方法》、GB/T 50081－2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及混凝土耐久性能按GB/T 50082－2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定。

漿體電阻率測(cè)定：用水泥砂漿攪拌機(jī)攪拌，攪拌鍋和攪拌葉先用濕布擦拭，將拌和水和外加劑倒入攪拌鍋內(nèi)，然后在5～10 s內(nèi)小心地將稱好的2 000f 2 g膠凝材料加入水中，防止水和水泥濺出；攪拌方法按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1346ü 2001進(jìn)行。拌和結(jié)束后，立即將拌制好的水泥凈漿裝入試模內(nèi)，振動(dòng)刮平，蓋上箱蓋，防止水分蒸發(fā)。接著啟動(dòng)程序，開始測(cè)定電阻率至48 h結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

為了探究摻加減膠劑對(duì)混凝土工作性、強(qiáng)度、耐久性及經(jīng)濟(jì)的影響，試驗(yàn)采用表4中的配合比進(jìn)行混凝土試驗(yàn)，其中減膠劑摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0和0.5%。同時(shí)，考慮摻加減膠劑后保持混凝土強(qiáng)度等級(jí)的一致性和經(jīng)濟(jì)性，增加了一對(duì)比配比，即保持混凝土用水量不變，水膠比增加0.03，同比例降低混凝土膠凝材料的量，減膠劑量為膠材質(zhì)量的0.5%，減水劑的摻量維持不變。

表4 混凝土試驗(yàn)配合比單位：kg/m3

3.1.1 減膠劑對(duì)混凝土工作性和力學(xué)性能的影響

根據(jù)規(guī)范，進(jìn)行了出機(jī)混凝土坍落度和擴(kuò)展度、含氣量及混凝土28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

從表5中可見，與基準(zhǔn)樣相比，單純摻加0.5%的減膠劑后，混凝土的坍落度、擴(kuò)展度及含氣量較基準(zhǔn)樣均有所提高；與基準(zhǔn)樣相比，降低了膠凝材料用量后，混凝土的工作性變化不大。單純?cè)黾訙p膠劑后，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)樣增加了約5 MPa；降低膠凝材料的配比，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度仍然與基準(zhǔn)樣相當(dāng)。

表5 混凝土工作性和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 減膠劑對(duì)混凝土耐久性能的影響

為了研究減膠劑對(duì)混凝土耐久性的影響，開展了碳化、抗水滲透及電通量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 混凝土耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

從表6可以看出，單純?cè)黾釉鲂┑呐浜媳龋炷粮魈蓟g期的碳化深度有所下降，其中，28 d碳化深度也較基準(zhǔn)樣低2.1 mm（24.4%）；減少了混凝土膠凝材料的配合比，各齡期的碳化性能也較基準(zhǔn)樣稍好。從抗水滲透試驗(yàn)來(lái)看，單純?cè)黾恿藴p膠劑的混凝土樣，其抗?jié)B等級(jí)較基準(zhǔn)樣高；降低膠材量的試樣與基準(zhǔn)樣抗?jié)B等級(jí)相同。關(guān)于電通量，單純?cè)黾訙p膠劑后，電通量下降了280 C；降低膠材量的試樣的電通量較基準(zhǔn)樣稍低。因此，從整體結(jié)果看，減膠劑的加入能提高混凝土的抗碳化和抗?jié)B透性能。

3.1.3 減膠劑對(duì)混凝土經(jīng)濟(jì)性的影響

從表4～表6可以看出，減膠劑能提高混凝土的工作性、力學(xué)性和耐久性，若在增加減膠劑后保持原有混凝土性能相當(dāng)，可在一定程度降低膠凝材料的用量。如表4中的Z-2與原來(lái)的基準(zhǔn)樣Z-0相比，單方混凝土的膠凝材料可降低21 kg，其中單方水泥用量降低了10 kg，若按照水泥價(jià)格為400元/t算，單方混凝土可降低4元，這對(duì)于混凝土生產(chǎn)商具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

相關(guān)文獻(xiàn)表明[4-6]，由于混凝土減膠劑是一種表面活性劑，具有一定的分散性能，使膠凝材料顆粒在拌和時(shí)更加分散及均勻，因此，摻加了減膠劑后，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度等有所提高，從而提高了混凝土的和易性。另外，由于減膠劑能使水泥基膠凝材料更加分散，拌和成形后的混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，強(qiáng)度提高，且致密的結(jié)構(gòu)使二氧化碳難以進(jìn)入混凝土內(nèi)部，因此抗碳化能力提高，同時(shí)，混凝土由于具有更致密的結(jié)構(gòu)，使其具有更高的抗水滲透性能和更低的電通量。但混凝土性能的提高，除了由于其分散性致使混凝土更致密外，是否也受水泥的化學(xué)激發(fā)作用的影響，值得進(jìn)一步分析。

目前，許多文獻(xiàn)及減膠劑生產(chǎn)廠家認(rèn)為混凝土減膠劑的增強(qiáng)原理為：高效分散水泥顆粒及高效激發(fā)減水劑[7-8]。為了探索摻加減膠劑后對(duì)水泥混凝土水化激發(fā)效果的影響，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)。

3.2.1 減膠劑對(duì)膠凝材料體系水化過(guò)程的影響

按照表4中混凝土各原材料的比例（除去粗細(xì)骨料，減水劑只按膠凝材料的0.8%摻加，防止凈漿流動(dòng)度過(guò)大）進(jìn)行2 d漿體電阻率測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 摻與不摻減膠劑對(duì)漿體水化過(guò)程電阻率的影響示意

結(jié)合圖1對(duì)比膠凝材料不摻加減膠劑（Z-0）和摻加減膠劑（Z-1）曲線的變化可知，Z-1曲線出現(xiàn)最低點(diǎn)的時(shí)間延長(zhǎng)，且電阻率最低值較基準(zhǔn)樣低，說(shuō)明膠凝材料摻加減膠劑后，體系早期電阻率低，溶出的離子更多；同時(shí)，曲線Z-1在1 150 min處出現(xiàn)電阻率下降的現(xiàn)象，1 200 min處的電阻率達(dá)到極小值，隨后往上增加，說(shuō)明摻加減膠劑后，膠凝材料于1 150 min左右開始溶出更多離子，使體系電阻率下降，到1 200 min時(shí)溶出離子濃度達(dá)到極大值，隨水化時(shí)間的增加，體系電阻率不斷增加，溶出的離子不斷生成更多的水化產(chǎn)物，使強(qiáng)度不斷提高。

圖2為測(cè)試完漿體電阻率第2天脫模后進(jìn)行的XRD分析圖譜（即為漿體3 d的XRD分析）。

圖2 摻與不摻減膠劑漿體XRD測(cè)試圖

由圖2可知，Z-0與Z-1水化產(chǎn)物相同，但Z-1氫氧化鈣含量較低，碳鋁酸鈣含量較高?？赡苁怯捎跍p膠劑激發(fā)體系的離子濃度提高，致使水化反應(yīng)向產(chǎn)物方向發(fā)展快，形成更多的碳鋁酸鈣，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，強(qiáng)度更高，抗碳化能力提高。

可見，減膠劑對(duì)水泥、礦粉、粉煤灰三元膠凝材料體系確實(shí)起到激發(fā)效果，促使體系前期溶出更多離子。為進(jìn)一步探究并驗(yàn)證減膠劑對(duì)哪種原材料起主要激發(fā)作用，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)。

3.2.2 減膠劑對(duì)不同原材料種類激發(fā)效果的影響

試驗(yàn)不采用減水劑，減膠劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0～1%，遞增間隔為0.2%。試驗(yàn)方法按照GB/T 17671ü 1999《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)》進(jìn)行。除減膠劑外，其他原材料的膠砂配合比如表7所示。

表7 基準(zhǔn)樣膠砂配合比

定義減膠劑激發(fā)提高指數(shù)為：摻加一定摻量減膠劑的膠砂試件和不摻加減膠劑的膠砂試件強(qiáng)度之差與不摻加減膠劑的試件膠砂強(qiáng)度的百分比。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 減膠劑激發(fā)提高指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

從表8可見，減膠劑在不含減水劑的情況下仍然具有良好的激發(fā)作用。同時(shí)，摻粉煤灰的膠砂激發(fā)提高指數(shù)最高可達(dá)21.6%，摻礦粉的膠砂激發(fā)提高指數(shù)最低，甚至最高可降低5.3%。

因此，減膠劑促進(jìn)了粉煤灰玻璃體早期不斷溶出，體系溶解更多的離子，電阻率降低，這與圖1試驗(yàn)結(jié)果相符合。同時(shí)，溶出的離子不斷反應(yīng)，形成更多的水化產(chǎn)物，使水泥混凝土結(jié)構(gòu)更密實(shí)。

綜上，減膠劑所具有的分散性不僅能提高混凝土的致密性，其化學(xué)激發(fā)作用也提高了混凝土的密實(shí)度，其雙重作用使混凝土具有更好的工作性、力學(xué)性和耐久性，同時(shí)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

1）減膠劑在混凝土中具有較強(qiáng)的分散作用，能提高混凝土的工作性，增加混凝土拌和物的密實(shí)度，提高混凝土的強(qiáng)度和抗碳化性能。

2）摻加減膠劑后，粉煤灰玻璃體溶解速度加快，體系電阻率降低，溶出的離子互相反應(yīng)生成更多碳鋁酸鈣等水化產(chǎn)物，使水泥混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。

3）減膠劑在不摻減水劑的情況下對(duì)水泥混凝土仍然具有較強(qiáng)的激發(fā)作用，且對(duì)粉煤灰的激發(fā)效果最明顯，對(duì)礦粉幾乎無(wú)激發(fā)效果。