復(fù)摻外加劑體系對(duì)低水膠比混凝土強(qiáng)度及耐久性影響試驗(yàn)研究

杜迎東,王起才,張戎令, 惠兵, 鄭建鋒, 劉少龍

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.中鐵二十一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710065)

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復(fù)摻外加劑體系對(duì)低水膠比混凝土強(qiáng)度及耐久性影響試驗(yàn)研究

杜迎東1,王起才1,張戎令1, 惠兵2, 鄭建鋒2, 劉少龍2

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.中鐵二十一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710065)

摘要:對(duì)低水膠比(mW/mB=0.3)復(fù)摻外加劑體系(膨脹劑、減水劑、引氣劑)拌制的混凝土進(jìn)行強(qiáng)度及耐久性正交試驗(yàn)，分析了不同摻量對(duì)新拌混凝土工作性、混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響規(guī)律，基于電通量法和快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)評(píng)定混凝土的耐久性，給出各外加劑的最優(yōu)摻量。結(jié)果表明：外加劑復(fù)摻體系所引起的電通量及氯離子遷移系數(shù)變化趨勢(shì)相近，耐久性變化均隨著外加劑摻量的增加先變好后變差，在此配合比下，JS=1.5%，YQ=0.4%，PZ=8%時(shí)混凝土耐久性最好；3種外加劑對(duì)混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)均有促進(jìn)的作用，其中減水劑對(duì)混凝土早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度影響最明顯；隨著引氣劑摻量的增加，強(qiáng)度先降低后增加；膨脹劑摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度影響無固定規(guī)律。鑒于試驗(yàn)選用地材及配合比等的局限性，本研究?jī)H為后續(xù)類似研究提供參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)摻外加劑；最優(yōu)摻量；強(qiáng)度及耐久性

隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，人們對(duì)混凝土強(qiáng)度及耐久性的重視程度越來越高，混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量等宏觀性能受其水灰比、膠凝材料性能、外加劑性能和集料性能等多方面因素影響[1-5]，混凝土的耐久性涉及2個(gè)方面[6-8]：一是引起破壞的作用力或破壞力，另一個(gè)是材料本身對(duì)破壞力的抵抗力，2種對(duì)抗力的結(jié)果決定了混凝土的耐久性。近年來，國內(nèi)外很多工程在未達(dá)到混凝土設(shè)計(jì)使用年限便宣告破壞，其很大程度是由于混凝土耐久性差所致[9-11]。為改善混凝土耐久性，通常摻入適當(dāng)比例的外加劑，外加劑的摻入可以改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)而改善其耐久性[12-13]。摻入膨脹劑不僅可以明顯改善混凝土的收縮，而且由于微膨脹作用使得處于限制狀態(tài)下的混凝土的密實(shí)性得以提高，進(jìn)而其耐久性得以提高[14]，混凝土的體積膨脹與其強(qiáng)度發(fā)展也是相互關(guān)聯(lián)的，即水化產(chǎn)物形成的骨架對(duì)膨脹產(chǎn)生“內(nèi)約束作用”，只有膨脹產(chǎn)物和其他水化產(chǎn)物匹配增長(zhǎng)，膨脹和強(qiáng)度協(xié)調(diào)發(fā)展，才能促進(jìn)膨脹劑的膨脹效能的發(fā)揮[15]，因此一般摻入適當(dāng)?shù)耐饧觿缗蛎泟?、減水劑、引氣劑形成復(fù)摻外加劑體系來滿足其強(qiáng)度耐久性要求。密實(shí)性是評(píng)定混凝土耐久性的一個(gè)指標(biāo)，目前被廣泛認(rèn)可的評(píng)定混凝土耐久性(密實(shí)性)的方法有電通量法和快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)[16-17]。為既能有效評(píng)定混凝土的耐久性，又能縮短試驗(yàn)時(shí)間、降低人為因素的影響，許多學(xué)者對(duì)影響混凝土耐久性的因素做了系統(tǒng)的研究，張戎令[14]通過膨脹劑、減水劑、引氣劑復(fù)摻外加劑體系不同種類、不同摻量研究其對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度、彈性模量及收縮性能的影響，馮仲偉[16]研究粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉、硅灰等礦物摻合料對(duì)自密實(shí)混凝土耐久性的影響，馮仲偉[17]研究水灰比、單位立方米水泥用量以及礦渣粉摻量變化時(shí)，混凝土的電通量及氯離子滲透系數(shù)的相關(guān)性，于本田[18]研究礦物摻合料摻量，砂的粗細(xì)程度，石子表面特征，環(huán)境條件，養(yǎng)護(hù)方法對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響，本文在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，研究復(fù)摻外加劑體系對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響，以期找到合適的配合比，用于指導(dǎo)配制。

1試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1材料

水泥：采用甘肅祁連山水泥集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥；礦粉：采用蘭州中泰信達(dá)建材有限公司生產(chǎn)的S95礦粉；粉煤灰：采用蘭州萬科源商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰；砂：采用蘭州地區(qū)天然河砂，表觀密度2 650 kg/m3，松散堆積密度1 550 kg/m3，緊密堆積密度1 640 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.5；石子：采用蘭州地區(qū)碎石，粒徑5～31.5 mm；減水劑：采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的緩凝型聚羧酸減水劑，減水率為26.5%，泌水率6.2%，含氣量2.8%，28d抗壓強(qiáng)度提高155%；引氣劑：采用上海馨揚(yáng)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JDU-1型高性能混凝土引氣劑，減水率7.8%，泌水率50%，含氣量6%，28 d抗壓強(qiáng)度提高95%；膨脹劑：采用河南建龍混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的MPC聚合物纖維膨脹劑，氧化鎂含量3.6%，總堿含量0.59%，氯離子含量0.008%，比表面積310 m2/kg。材料實(shí)測(cè)性能指標(biāo)見表1。

1.2試驗(yàn)方案

根據(jù)材料試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，見表2。試驗(yàn)以一固定低水膠比(0.30)為例，配制出強(qiáng)度C55混凝土，研究在這一配合比下，在膨脹劑、減水劑和引氣劑3種外加劑復(fù)摻情形下的混凝土強(qiáng)度及耐久性變化規(guī)律，膨脹劑摻量分別為6%，7%，8%，9%和10%，減水劑摻量分別為1.2%，1.4%，1.6%，1.8%和2.0%，引氣劑摻量為0.2%，0.3%，0.4%，0.5%和0.6%。試驗(yàn)中將其他2種外加劑摻量固定，改變另一外加劑摻量，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)[19]分析這一外加劑摻量不同時(shí)及與另外兩種加劑摻量復(fù)摻時(shí)，對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度耐久性能性能的影響，由此確定復(fù)摻外加劑體系中各外加劑合理摻量。對(duì)混凝土耐久性的評(píng)價(jià)采用電通量法和快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)。

表1　材料實(shí)測(cè)性能指標(biāo)

表2　混凝土配合比設(shè)計(jì)

注：表中PZ代表膨脹劑，JS代表減水劑，YQ代表引氣劑。

1.3混凝土攪拌工藝

試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，采用SJD-30L單軸臥式強(qiáng)制式攪拌機(jī)，依次投入石子和砂拌合30 s，使砂石均勻混合，然后投入膠凝材料攪拌30 s，使砂和石子被膠凝材料充分包圍，最后將減水劑和水的混合液加入攪拌機(jī)攪拌120 s。

1.4耐久性評(píng)定方法

依據(jù)文獻(xiàn)[20]進(jìn)行混凝土電通量及氯離子遷移系數(shù)試驗(yàn)。

1.4.1電通量法

采用ASTM C2012直流電量法測(cè)試混凝土電通量值，將尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件鉆心取樣，制成直徑100±1 mm，高50±2 mm的圓柱形試塊，試樣方法如下：1)把試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d，取出試件后，擦干表面水分，進(jìn)行真空保水；2)真空保水結(jié)束后，從保水機(jī)中取出試件，擦干表面水分，將試件安裝在夾具內(nèi)；3)將2夾具螺絲擰緊，保證密封性，將質(zhì)量濃度為3%的NaCl溶液和濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液分別諸如陰極和陽極夾具中；4)接通60 V直流電源，記錄電流初始讀數(shù)I0，之后每隔3 min記錄幾次電流值，共通電6 h?；炷岭娡吭u(píng)價(jià)指標(biāo)見表3。

1.4.2快速氯離子遷移系數(shù)法

在試驗(yàn)室澆筑150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，試驗(yàn)前4 d從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中取出試塊進(jìn)行鉆心取樣，鉆成直徑100±1 mm，高50±2 mm的圓柱形試件，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中水養(yǎng)至試驗(yàn)齡期。將裝有試件的橡膠套安裝到試驗(yàn)槽中，安裝陽極板，在橡膠套內(nèi)注入約300 ml的0.3 mol/L的NaOH溶液，陰極口中注入約12 L的質(zhì)量濃度為10%的NaCl溶液，使液面與橡膠套內(nèi)的NaOH溶液的液面齊平，試驗(yàn)時(shí)試件兩端外加30 V電壓，通電完畢，取出試件，用壓力機(jī)將其劈裂成兩半，并在劈開的試件表面噴涂0.1 mol/L的AgNO3溶液，隨后測(cè)量氯離子的滲入深度，以此計(jì)算氯離子遷移系數(shù)。表4為混凝土氯離子遷移系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3　混凝土電通量評(píng)價(jià)指標(biāo)

表4　混凝土氯離子遷移系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

表5　新拌混凝土實(shí)測(cè)工作性能

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1新拌混凝土實(shí)測(cè)工作性能

表5為新拌混凝土實(shí)測(cè)工作性能，包括坍落度和1 h坍落度和擴(kuò)展度。從表5可以看出，減水劑的摻入使得新拌混凝土的初始坍落度增加、提高混凝土流動(dòng)性，復(fù)摻外加劑體系中摻入減水劑的1～5組及11～15組1 h坍落度較大，其保坍性較好；隨著膨脹劑摻量的增加使得新拌混凝土擴(kuò)展度提高較大，但其對(duì)混凝土坍落度的改善無明顯影響；隨著引氣劑摻量的增加，坍落度隨之增加。

2.2復(fù)摻外加劑體系對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

圖1為不同外加劑摻量下混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律。

顯然從圖1(a)可以看出：引氣劑含量有最優(yōu)摻量0.4%，此時(shí)P=8%，J=1.5%，引氣劑其他含量的抗壓強(qiáng)度明顯比此摻量低，混凝土強(qiáng)度并未隨引氣劑摻量增加而增加；從圖1(b)可以看出，在P=8%，Y=0.4%時(shí)，隨著減水劑摻量的增大，抗壓強(qiáng)度增大，說明抗壓強(qiáng)度對(duì)減水劑有比較強(qiáng)度依賴性；從圖1(c)可以看出，膨脹劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律比較復(fù)雜，規(guī)律并不明顯。此外，圖1(a)和圖1(c)混凝土初期強(qiáng)度比較高，圖1(a)中混凝土3 d和7 d之間強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，7 d～28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢，圖1(b)摻量下混凝土后期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較快。

通過以上復(fù)摻外加劑體系對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響分析可以得出：由于膨脹劑最優(yōu)摻量的不確定性，當(dāng)以抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，膨脹劑摻量對(duì)引氣劑、減水劑相容性存在不利影響，在實(shí)際配制中，引氣劑、減水劑、膨脹劑的合理摻量應(yīng)以試驗(yàn)進(jìn)行確定，同時(shí)不同種類，不同批次的外加劑應(yīng)進(jìn)行化學(xué)試驗(yàn)，找出預(yù)先確定的最優(yōu)摻量在材料試驗(yàn)指標(biāo)發(fā)生變化時(shí)是否最優(yōu)。

2.3復(fù)摻外加劑體系對(duì)混凝土耐久性的影響

在膨脹劑、減水劑和引氣劑中，保持其余2種外加劑摻量一定，改變另外一種外加劑摻量，分析其摻量變化對(duì)混凝土混凝土耐久性的影響，采用電通量法和快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM)法評(píng)定混凝土的耐久性，分別測(cè)試混凝土28 d電通量和56 d氯離子遷移系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

(a)P=8%，J=1.5%，Y分別為0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%；(b)P=8%，Y=0.4%，J分別為1.2%，1.4%，1.5%，1.6%，1.8%；(c)J=1.5%，Y=0.4%，P分別為6%，7%，8%，9%，10%圖1　不同外加劑摻量下混凝土強(qiáng)度變化Fig.1 Strength changes with different admixture content of concrete

(a)3組配合比混凝土28 d電通量；(b)56 d氯離子遷移系數(shù)對(duì)比圖2　不同外加劑摻量混凝土電通量及氯離子遷移系數(shù)Fig.2 Strength changes with different admixture content of concrete

圖2(a)和圖2(b)分別為3組配合比混凝土28 d電通量及56 d氯離子遷移系數(shù)的對(duì)比。

由圖2(a)可知，電通量整體測(cè)試值偏小，這是由于外加劑的摻入可改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)和孔徑大小，使得混凝土內(nèi)部空隙直徑變小、空隙率降低，從而提高耐久性。從圖2可以看出，3種外加劑復(fù)摻時(shí)單一外加劑摻量變化時(shí)所引起的電通量變化，引起的28 d電通量和56 d氯離子遷移系數(shù)變化相近，耐久性的變化均隨著外加劑的摻量先變好后變差。J=1.5%，Y=0.4%，P=8%時(shí)混凝土耐久性能是所有外加劑配合比中最好的。P=8%，J=1.5%時(shí)，引氣劑有最優(yōu)摻量0.4%，此時(shí)28 d電通量值為625 C，P=8%，Y=0.4%時(shí)，減水劑有最優(yōu)摻量1.5%，此時(shí)28 d電通量值為778 C，J=1.5%，Y=0.4%時(shí)，膨脹劑有最優(yōu)摻量8%，此時(shí)28 d電通量值為581 C，J=1.5%，Y=0.4%時(shí)，電通量相比其他2種復(fù)摻體系較小，此時(shí)混凝土耐久性最好，這種外加劑摻量下的膠凝材料是3種復(fù)摻體系中顆粒最細(xì)、孔結(jié)構(gòu)最優(yōu)的。

2.4復(fù)摻外加劑體系機(jī)理分析

在水泥漿攪拌過程中，摻入適當(dāng)摻量的減水劑，可使減水劑分子定向附著于水泥顆粒表面，使水泥顆粒表面帶同種電荷，水泥顆粒之間產(chǎn)生排斥作用，這種排斥作用使水泥漿的絮凝結(jié)構(gòu)被破壞，被水泥顆粒包裹著的水被釋放出來，從而加速水泥水化形成致密水化產(chǎn)物，改善水泥漿強(qiáng)度和工作性；膨脹劑的摻入產(chǎn)生適度膨脹，可對(duì)混凝土收縮產(chǎn)生補(bǔ)償作用，這種補(bǔ)償作用實(shí)際對(duì)水泥漿內(nèi)部產(chǎn)生一定壓應(yīng)力，膨脹劑的摻入還有填充毛細(xì)孔的作用，從而使得混凝土更加密實(shí)；引氣劑的摻入使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一定量微小而密閉的氣泡，可以產(chǎn)生一定潤滑作用，改善混凝土工作性，但是，引氣劑摻入過多會(huì)導(dǎo)致大量氣泡產(chǎn)生，使得混凝土受力面變小，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，因而必須控制引氣劑摻量。3種外加劑形成的優(yōu)質(zhì)的復(fù)摻體系，例如減水劑摻量1.5%，膨脹劑摻量8%，引氣劑摻量0.4%，既可以提高混凝土流動(dòng)性，又可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而可以提高混凝土強(qiáng)度及耐久性。

2.5耐久性指標(biāo)間的線性相關(guān)性

從圖3可知，28 d電通量和56 d氯離子遷移系數(shù)有較好的線性相關(guān)性。

圖3　不同耐久性指標(biāo)之間相關(guān)性Fig.3 Correlation between different durability index

目前，電通量法和快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)是國內(nèi)外評(píng)定混凝土密實(shí)性能的2種主要方法，密實(shí)性能是評(píng)價(jià)耐久性的重要指標(biāo)，電通量法和RCM法各有各的適用性，為了優(yōu)化試驗(yàn)步驟，以便在合適的條件下選取合適的評(píng)定方法，分別以28 d電通量試驗(yàn)值為自變量、56 d快速氯離子遷移系數(shù)試驗(yàn)值為因變量，對(duì)混凝土電通量和快速氯離子遷移系數(shù)二者關(guān)系進(jìn)行了曲線擬合。

28 d電通量試驗(yàn)值和56 d快速氯離子遷移系數(shù)試驗(yàn)值擬合結(jié)果為：

Dc=0.033 5Qc+36.774其中：Dc為56 d氯離子遷移系數(shù)，10～14 m2/s；Qc為28 d電通量，C。

由圖3可知，28 d電通量與56 d氯離子遷移系數(shù)的相關(guān)系數(shù)的平方為0.964 2，說明二者相關(guān)性較好，在條件受限時(shí)，可酌情使用操作較簡(jiǎn)便的試驗(yàn)指標(biāo)替代。

3結(jié)論

1)3種外加劑對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)均有促進(jìn)作用，減水劑對(duì)混凝土早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度影響最明顯，隨著引氣劑摻量的增加強(qiáng)度先降低后增加，膨脹劑摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較復(fù)雜，無固定規(guī)律。

2)3種外加劑復(fù)摻體系單一外加劑摻量變化時(shí)所引起的電通量變化趨勢(shì)相近，引起的28 d氯離子遷移系數(shù)變化相似，耐久性變化都是隨著外加劑的摻量先變好后變差。J=1.5%，Y=0.4%，P=8%時(shí)混凝土耐久性是所有外加劑復(fù)摻體系中最好的。據(jù)此，減水劑最優(yōu)摻量為1.5%，引氣劑最優(yōu)摻量為0.4%，膨脹劑最優(yōu)摻量為8%。

3)混凝土28 d電通量與56 d氯離子遷移系數(shù)二者線性相關(guān)較為明顯，所反映出的混凝土耐久性水平相當(dāng)，此后在相似情況下評(píng)定混凝土耐久性時(shí)可以選測(cè)其中一種。

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Experience study on impact of strength and durability of compound admixture system of low water-binder ratio concreteDU Yingdong1, WANG Qicai1, ZHANG Rongling1, HUI Bing2, ZHENG Jianfeng2, LIU Shaolong2

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2. China Railway Twenty-one Bureau Group Fourth Engineering Co.Ltd., Xi’an 710065,China)

Abstract：The orthogonal experiment of strength and durability of one low water-binder ratio(mW/mB=0.3) concrete was done in the circumstance of different dosage of compound admixture system(expansive agent,water reducing agent, air-entraining agent). The influences of workability of concrete, concrete strength and durability changed with different dosage were analyzed. The durability of the concrete was assessed based on the electric flux method and the rapid chloride ion migration coefficient method (RCM method), and the optimal dosage of different admixtures was obtained. Results show that the change regulation of electric flux and the rapid chloride ion migration coefficient is familiar. The durability of change both increases with the increase of dosage of admixture variation, good first and then bad, under the mixture ratio, the dosage of J = 1.5%,Y= 0.4%,P= 8% has the best performance on the permeability in concrete; Three kinds of admixture have a promoting role on the strength growth of concrete, including water reducing agent is most evident influence on the early and the late strength of concrete; With the dosage increase of air-entraining agent, the strength decreases and then increases; The dosage of expansive agent has no fixed effect on concrete strength. The incorporation of mineral admixtures is advantageous to the durability of the concrete. Given the selection of mixture ratio and ground material limitations, this study only provide reference for subsequent similar studies.

Key words：compound admixtures; the optimal dosage; strength and durability

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)04-0654-08

通訊作者：王起才(1962-)，男，河北晉州人，教授，博士，從事橋梁工程結(jié)構(gòu)與新材料的研究與開發(fā)；E-mail：1398451253@qq.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51268032)；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1139)；鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012G011-A)

收稿日期：2015-08-05