減膠劑對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. 廣西華潤裝配式建筑有限公司 廣西 南寧 530000；

2. 華潤水泥技術研發(fā)（廣西）有限公司 廣西 南寧 530000

評價混凝土好壞主要考慮強度、工作性、耐久性及經(jīng)濟性四方面內容。目前，混凝土減膠劑在全國各地的預拌混凝土攪拌站應用廣泛，許多科研工作者也對減膠劑對混凝土的強度、耐久性、工作性及經(jīng)濟性的影響進行了不少研究。

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，強度能滿足設計要求，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)濟性[1-3]。但眾多研究中對減膠劑在水泥混凝土中的水化影響研究甚少。本試驗在對比摻與不摻減膠劑對混凝土力學性、工作性及耐久性的影響的基礎上，探究了減膠劑對膠凝材料體系水化的影響。

1 試驗原材料及性能指標

1）水泥：采用華潤紅水河牌P·O 42.5水泥，其性能指標如表1所示。

表1 水泥性能指標

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

表2 粉煤灰性能指標

3）礦粉：為廣西源盛S95?；郀t礦渣粉。

4）骨料：細骨料為碎石機制砂，細度模數(shù)為3.0，屬于Ⅱ類中砂；粗骨料為5～31.5 mm連續(xù)級配碎石，表觀密度2 710 kg/m3，針片狀含量6%，壓碎值指標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，其性能指標見表3。

表3 減膠劑性能指標

2 試驗方法

膠凝材料的標準稠度用水量、凝結時間按GB/T 1346ü 2001《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢測方法》進行測定，膠砂強度按GB/T 17671ü 1999《水泥膠砂強度試驗》進行測定，混凝土工作性、力學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方法標準》、JC/T 1083ü 2008《水泥與減水劑相容性試驗方法》、GB/T 50081－2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》及混凝土耐久性能按GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行測定。

漿體電阻率測定：用水泥砂漿攪拌機攪拌，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，然后在5～10 s內小心地將稱好的2 000f 2 g膠凝材料加入水中，防止水和水泥濺出；攪拌方法按照標準GB/T 1346ü 2001進行。拌和結束后，立即將拌制好的水泥凈漿裝入試模內，振動刮平，蓋上箱蓋，防止水分蒸發(fā)。接著啟動程序，開始測定電阻率至48 h結束。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

為了探究摻加減膠劑對混凝土工作性、強度、耐久性及經(jīng)濟的影響，試驗采用表4中的配合比進行混凝土試驗，其中減膠劑摻量分別為膠凝材料質量的0和0.5%。同時，考慮摻加減膠劑后保持混凝土強度等級的一致性和經(jīng)濟性，增加了一對比配比，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，減膠劑量為膠材質量的0.5%，減水劑的摻量維持不變。

表4 混凝土試驗配合比單位：kg/m3

3.1.1 減膠劑對混凝土工作性和力學性能的影響

根據(jù)規(guī)范，進行了出機混凝土坍落度和擴展度、含氣量及混凝土28 d抗壓強度試驗，試驗結果如表5所示。

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

表5 混凝土工作性和力學性能試驗結果

3.1.2 減膠劑對混凝土耐久性能的影響

為了研究減膠劑對混凝土耐久性的影響，開展了碳化、抗水滲透及電通量試驗，試驗結果如表6所示。

表6 混凝土耐久性能試驗結果

從表6可以看出，單純增加增效劑的配合比，混凝土各碳化齡期的碳化深度有所下降，其中，28 d碳化深度也較基準樣低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樣稍好。從抗水滲透試驗來看，單純增加了減膠劑的混凝土樣，其抗?jié)B等級較基準樣高；降低膠材量的試樣與基準樣抗?jié)B等級相同。關于電通量，單純增加減膠劑后，電通量下降了280 C；降低膠材量的試樣的電通量較基準樣稍低。因此，從整體結果看，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 減膠劑對混凝土經(jīng)濟性的影響

從表4～表6可以看出，減膠劑能提高混凝土的工作性、力學性和耐久性，若在增加減膠劑后保持原有混凝土性能相當，可在一定程度降低膠凝材料的用量。如表4中的Z-2與原來的基準樣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，若按照水泥價格為400元/t算，單方混凝土可降低4元，這對于混凝土生產(chǎn)商具有顯著的經(jīng)濟效益。

3.2 試驗結果分析

相關文獻表明[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構更加致密，強度提高，且致密的結構使二氧化碳難以進入混凝土內部，因此抗碳化能力提高，同時，混凝土由于具有更致密的結構，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激發(fā)作用的影響，值得進一步分析。

目前，許多文獻及減膠劑生產(chǎn)廠家認為混凝土減膠劑的增強原理為：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水泥混凝土水化激發(fā)效果的影響，設計如下試驗。

3.2.1 減膠劑對膠凝材料體系水化過程的影響

按照表4中混凝土各原材料的比例（除去粗細骨料，減水劑只按膠凝材料的0.8%摻加，防止凈漿流動度過大）進行2 d漿體電阻率測定，試驗結果如圖1所示。

圖1 摻與不摻減膠劑對漿體水化過程電阻率的影響示意

結合圖1對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)最低點的時間延長，且電阻率最低值較基準樣低，說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，曲線Z-1在1 150 min處出現(xiàn)電阻率下降的現(xiàn)象，1 200 min處的電阻率達到極小值，隨后往上增加，說明摻加減膠劑后，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時溶出離子濃度達到極大值，隨水化時間的增加，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，使強度不斷提高。

圖2為測試完漿體電阻率第2天脫模后進行的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。可能是由于減膠劑激發(fā)體系的離子濃度提高，致使水化反應向產(chǎn)物方向發(fā)展快，形成更多的碳鋁酸鈣，使混凝土結構更加密實，強度更高，抗碳化能力提高。

可見，減膠劑對水泥、礦粉、粉煤灰三元膠凝材料體系確實起到激發(fā)效果，促使體系前期溶出更多離子。為進一步探究并驗證減膠劑對哪種原材料起主要激發(fā)作用，設計如下試驗。

3.2.2 減膠劑對不同原材料種類激發(fā)效果的影響

試驗不采用減水劑，減膠劑摻量為膠凝材料質量的0～1%，遞增間隔為0.2%。試驗方法按照GB/T 17671ü 1999《水泥膠砂強度試驗》進行。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度之差與不摻加減膠劑的試件膠砂強度的百分比。試驗結果如表8所示。

表8 減膠劑激發(fā)提高指數(shù)試驗結果

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，摻粉煤灰的膠砂激發(fā)提高指數(shù)最高可達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試驗結果相符合。同時，溶出的離子不斷反應，形成更多的水化產(chǎn)物，使水泥混凝土結構更密實。

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

4 結語

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

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生成更多碳鋁酸鈣等水化產(chǎn)物，使水泥混凝土結構更加密實。

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