FDN和聚羧酸系減水劑對混凝土性能的影響研究

曾榕彬，張遠航

(1.重慶市市政設計研究院;2.重慶市交通規(guī)劃勘察設計院)

1 引言

外加劑是現(xiàn)代混凝土的重要組分之一。外加劑按其主要功能不同可以分為引氣劑、減水劑、緩凝劑、促凝劑、高效減水以及其他一些具有特定用途的外加劑。這些外加劑的作用包括改善工作度、提高粘結性能、防止鋼筋銹蝕、提高可泵送性等。高效減水劑是一類特殊的減水劑，具有很強的減水功能。普通減水劑的減水量可達10%～15%，增加摻入量，可以調高減水效果，但會產(chǎn)生一些副作用，包括影響混凝土的凝結、氣體含量、泌水、離析及硬化等性質。高效減水劑與普通減水劑有不同的化學特性，其減水量可達30%。高效減水劑的使用可以使混凝土具有很高的工作度，進而有助于混凝土的澆筑，或是在較低水灰比條件下有適宜的工作度，以便于高強混凝土的澆筑。

2 高效減水劑的作用機理

高效減水劑的主要成分是表面活性劑，它對新拌混凝土所起的作用也主要是表面活性作用。將高效減水劑和水一起加入攪拌，則減水劑的憎水基團會吸附在水泥顆粒表面，親水基團會指向水溶液，從而構成了一層吸附膜;由于離子的吸附使其表面帶有電荷，在帶有相同電荷時，這些顆粒會相互排斥，進而防止了顆粒之間的凝聚、結塊、沉淀，這樣就能釋放顆粒間多余的水，達到減水的目的。除此之外，減水劑對水泥顆粒還有潤濕和潤滑作用。當混凝土中摻入適量的高效減水劑后，只需加較少量的水就能很容易地將混凝土拌和均勻，從而顯著改善混凝土的和易性能，提高混凝土早期和后期強度。

3 室內實驗

3.1 實驗原料

水泥選用普通硅酸鹽水泥P.O32.5;砂，選用河沙，細度模數(shù)為2.65，為中砂;碎石選用人工碎石，10～30 mm碎石和20～40 mm碎石搭配使用;高效減水劑為聚羧酸系減水劑和萘磺酸鹽系減水劑(FDN)。

3.2 混凝土配合比

實驗采用的混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比 %

3.3 實驗方法

(1)坍落度測試。

將拌和好的水泥混凝土分三層裝入坍落筒內，每層裝入高度稍大于筒高的1/3，用搗棒在每一層的橫截面上均勻插搗25次。插搗在全部面積上進行，沿螺旋線由邊緣至中心，插搗底層時插至底部，插搗其他兩層時，應插透本層并插入下層約20～30 mm，插搗需垂直壓下(邊緣部分除外)，不得沖擊。在插搗頂層時，裝入的混凝土應高出坍落筒口，隨插搗過程隨時添加拌合物。當頂層插搗完畢后，將搗棒用鋸和滾的動作，清除掉多余的混凝土，用鏝刀抹平筒口，刮凈筒底周圍的拌合物。而后立即垂直地提起坍落筒，提筒在5～10 s內完成，并使混凝土不受橫向及扭力作用。從開始裝料到提出坍落度筒的整個過程應在150 s內完成。

(2)立方體抗壓強度測試。

試驗根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)中的規(guī)定進行混凝土抗壓強度試驗。采用的是100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件的抗壓強度。

(3)水泥水化熱性能測定。

試驗根據(jù)《水泥水化熱測定方法》(GB 12959-2008)中的規(guī)定進行水化熱測定。

3.4 試驗儀器

有混凝土攪拌機、坍落筒、萬能試驗機、溶解熱測定儀。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 減水劑對新拌混凝土工作度的影響

工作度是新拌混凝土最重要的性質之一，但是仍沒有廣泛接受的方法可用于混凝土工作度的直接測定。一些較為容易的測定方法，如坍落度測定、流動度測定、維勃儀測定等，可以用于混凝土工作度的表征。在此用坍落度來表征混凝土的工作度。

坍落度越大混凝土的流動性就越好，更有利于施工操作。坍落度損失是指混凝土在攪拌好并經(jīng)過一定時間后所測坍落度與其初始坍落度的差值(絕對值)。影響混凝土坍落度的因素很多，如水灰比、水泥和集料不同類型、高效減水劑對混凝土性能的影響特性以及減水劑的種類等。

由圖1可知，兩種減水劑隨著時間的增加會出現(xiàn)不同程度的坍落度損失。前0.5 h內摻FDN的混凝土的坍落度損失為40%，而摻聚羧酸系減水劑的混凝土的坍落度損失僅為14%，這說明聚羧酸系減水劑的保坍性較好。原因是聚羧酸系高效減水劑有不同的活性基團，這些活性基團使水泥顆粒產(chǎn)生分散和流動作用，同時醚鍵中氧與水分子形成較強的氫鍵，并形成一層親水的立體保護膜，對分散保持性有一定的作用。

4.2 減水劑對混凝土立方體抗壓強度的影響

從圖2中可以看出，混凝土的立方體抗壓強度隨著齡期不斷增加，混凝土7 d的強度增加最快。由圖可知，摻入FDN的混凝土與未摻減水劑的混凝土相比，3 d的強度提高1.4%;7 d的強度可提高12%;到14 d時提高18%;28 d時強度則可提高到30%時左右。這說明FDN這種減水劑對混凝土的早期強度影響不大，但是能明顯提高其后期強度。摻入聚羧酸系減水劑的混凝土與未摻減水劑的混凝土相比，早期強度和后期強度均能提高30%以上。以上三種配比中，摻聚羧酸系減水劑的混凝土早期抗壓強度最高，同時28 d的強度也是最高的。這說明相對于FDN來說，聚羧酸系減水劑對混凝土的早期強度和后期強度都很大的提高。

圖1 摻兩種減水劑混凝土坍落度的時變曲線

圖2 摻兩種減水劑混凝土強度隨齡期的變化曲線

4.3 減水劑對水泥水化熱性能的影響

由圖3可知，分別摻FDN與聚羧酸系高效減水劑兩種減水劑后水泥水化的溫峰要比未摻減水劑的溫峰要高，并且摻了減水劑的混凝土水化溫峰出現(xiàn)的時間要比未摻減水劑的混凝土晚，這是因為減水劑分子鏈中的活性集團會與水化生成的離子生成不穩(wěn)定絡合物，從而抑制了C3A、C3S、C2S水化，從而使水化的溫峰出現(xiàn)的較晚。減水劑能抑制水泥的水化，同時也能減小化學收縮。

圖3 摻兩種減水劑混凝土的水化溫度的時變曲線

5 結語

(1)FDN的坍落度損失要比聚羧酸系減水劑的坍落度損失小，所以要提高混凝土的工作度，建議選用聚羧酸系這種減水劑。

(2)摻聚羧酸系高效減水劑的混凝土立方體抗壓強度的早期強度和后期強度均最大;而摻FDN的混凝土的早期強度比較低，早強的效果不顯著，所以要提高混凝土強度，建議選用聚羧酸系減水劑。

(3)在混凝土中加入減水劑能抑制水泥的水化，從而減少化學收縮。

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