多元復(fù)配早強(qiáng)型聚羧酸減水劑的性能研究

薛軍鵬

（1.福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建 福州 350025）

多元復(fù)配早強(qiáng)型聚羧酸減水劑的性能研究

薛軍鵬1，2

（1.福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建 福州 350025）

分別選用3種無機(jī)早強(qiáng)組分（NS、CS、CN）和2種有機(jī)早強(qiáng)組分（DMEA、TEA）與聚羧酸減水劑（CGM）進(jìn)行二元、三元復(fù)配，對復(fù)配前后的新拌混凝土流動度和硬化混凝土各齡期強(qiáng)度進(jìn)行測試，提出了不同類型的早強(qiáng)組分與聚羧酸減水劑復(fù)配試驗的早強(qiáng)規(guī)律。結(jié)果表明，無機(jī)-有機(jī)-CGM三元復(fù)配比無機(jī)-CGM、有機(jī)-CGM二元復(fù)配體系具有更好的的早期增強(qiáng)效果。

聚羧酸減水劑；早強(qiáng)組分；多元復(fù)配；早期強(qiáng)度

0 引言

聚羧酸系高性能減水劑具有摻量低、減水率高、混凝土拌合物工作性好、保坍能力強(qiáng)、收縮率小、增強(qiáng)潛力大、綠色環(huán)保等突出特點，已成為今后發(fā)展與應(yīng)用的重點，得到國內(nèi)外混凝土外加劑專業(yè)技術(shù)人員的高度重視[1]。我國近30年來在聚羧酸系高性能減水劑的研究和應(yīng)用方面取得不斷的進(jìn)展，應(yīng)用也從重大工程逐漸轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)工程，其用量在不斷增加。但是，聚羧酸系減水劑的獨特分子結(jié)構(gòu)特點會延緩水泥的水化，影響混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展，限制了在預(yù)制構(gòu)件和具有特殊要求的工程（冬季工程、寒冷環(huán)境等）的應(yīng)用。

實現(xiàn)聚羧酸系減水劑的早強(qiáng)功能包括合成和復(fù)配2種技術(shù)途徑，前者采用特殊的單體合成本身具有早強(qiáng)功能的聚羧酸聚合物[2-4]，后者是將常規(guī)的聚羧酸減水劑與早強(qiáng)組分復(fù)配，從而達(dá)到早強(qiáng)的目的[5-7]。前一種方法受制于單體種類的篩選，難度大；后一種方法操作簡便，見效快，更適宜在實際工程中應(yīng)用。本文對常規(guī)的聚羧酸減水劑與不同早強(qiáng)組分的復(fù)配規(guī)律進(jìn)行探索，嘗試通過復(fù)配的方法解決聚羧酸系減水劑的早強(qiáng)問題，促進(jìn)聚羧酸系減水劑的推廣和應(yīng)用。

1 實驗

1.1 主要原材料與儀器設(shè)備

（1）聚羧酸減水劑

醚類聚羧酸減水劑CGM（TPEG-AA-AMPS），固含量45%密度1.080 g/cm3，pH值6～7，自制，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

（2）早強(qiáng)組分

早強(qiáng)組分的篩選遵循以下原則：①早強(qiáng)組分對水泥漿體的工作性能影響??；②考慮到混凝土耐久性問題，盡量避免堿金屬鹽類。試驗優(yōu)選了5種無氯、無硫酸根的早強(qiáng)組分：3種含氮的無機(jī)鹽CS、NS、CN；2種含氮的有機(jī)胺N，N-二甲基乙醇胺（DMEA）、三乙基胺（TEA）。

（3）性能測試材料

水泥：P·O42.5，煉石；河砂：Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.7；石子：5～20 mm，其中5～10 mm占40%，10～20 mm占60%，滿足連續(xù)級配要求。

（4）主要儀器設(shè)備

SJD-60型強(qiáng)制式單臥軸混凝土攪拌機(jī)；TYA-2000型電液式壓力試驗機(jī)；NEL-PER型混凝土滲透性電測儀。

1.2 試驗方法

通過在混凝土中摻加不同摻量和種類的早強(qiáng)組分，觀察測試新拌混凝土的流動性及硬化混凝土的1、3、7、28 d抗壓強(qiáng)度，來探索復(fù)配組分對混凝土拌和物和硬化混凝土性能的影響規(guī)律。對復(fù)配成品的混凝土收縮率比、相對耐久性、電通量等指標(biāo)進(jìn)行測試，評價其對混凝土耐久性能的影響。相關(guān)試驗方法按GB 8076—2008《混凝土外加劑》、GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）=360∶820∶1045，水膠比為0.49，砂率為44%，聚羧酸減水劑CGM的折固摻量均為0.16%。

2 結(jié)果與討論

2.1 無機(jī)鹽與CGM的復(fù)配性能

3種含氮的無機(jī)鹽在不同摻量下，對新拌混凝土的流動性和不同齡期混凝土強(qiáng)度的影響見表1。

表1 無機(jī)鹽CS、NS和CN摻量對混凝土性能的影響

從表1可以看出：

（1）選擇的3種無機(jī)鹽含氮元素，不含硫元素，因此不論是在哪種摻量下，混凝土各齡期強(qiáng)度都有不同程度的提高；另外，在本文選擇的摻量范圍內(nèi)，混凝土拌和物的流動性良好。

（2）NS各摻量下，混凝土1、3、7、28 d強(qiáng)度均比空白組對應(yīng)增大。與只摻加CGM時相比，各摻量下1 d抗壓強(qiáng)度比分別達(dá)到118%、126%、145%、135%。當(dāng)摻量增加到0.075%時，各齡期抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，相對于只摻加CGM時的抗壓強(qiáng)度比分別為145%、123%、125%、120%。當(dāng)繼續(xù)增大NS摻量時，各齡期抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出下降的趨勢。綜合考慮各齡期強(qiáng)度的影響，NS的最佳摻量應(yīng)保持在0.075%。

（3）CS對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響與NS有很大的相似性，這是因為CS與NS是同系列化合物，兩者在早強(qiáng)機(jī)理上有共同之處。NS、CS易溶于水，能夠促進(jìn)水泥顆粒的水化進(jìn)程，在短時間內(nèi)形成較多的水化產(chǎn)物，形成強(qiáng)度發(fā)展骨架，縮短水泥凝結(jié)時間，加快早強(qiáng)強(qiáng)度發(fā)展[7]。但是，CS的1 d、3 d強(qiáng)度發(fā)展比NS快，7 d、28 d強(qiáng)度發(fā)展與其相當(dāng)；另一個不同之處是，達(dá)到相同效果，CS的摻量高于NS的摻量。隨著CS摻量的逐漸增加，其混凝土的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，這說明CS與CGM復(fù)配能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，且存在一個最佳的摻量0.15%，該摻量下各齡期的抗壓強(qiáng)度最高，與空白組的抗壓強(qiáng)度比分別達(dá)到151%、141%、121%、120%。

（4）CN早強(qiáng)組分能降低C3S-H2O系統(tǒng)的pH值，從而加速C3S的水化；另一方面，CN具有鹽效應(yīng)，加大水泥顆粒的溶解度，加快水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程，從而加速水泥及混凝土的硬化速度[7]。從表1可以看出，CN各摻量下，混凝土1 d抗壓強(qiáng)度增長較快，3 d、7 d強(qiáng)度也有穩(wěn)定的增長，28 d強(qiáng)度與空白組基本持平。在CN摻量為0.10%、0.15%、0.20%時，其1 d強(qiáng)度分別是空白組對應(yīng)齡期強(qiáng)度的118%、131%、141%，3 d、7 d強(qiáng)度都達(dá)到空白組的110%左右。當(dāng)摻量超過0.20%時，各齡期抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出下降的趨勢。綜合各齡期抗壓強(qiáng)度來看，CN的摻量宜控制在0.15%～0.20%。

2.2 有機(jī)胺與CGM的復(fù)配性能（見表2）

表2 有機(jī)胺不同摻量對混凝土性能的影響

從表2可以看出，2種有機(jī)胺在較低的摻量下與CGM復(fù)配都表現(xiàn)出明顯的早強(qiáng)效果，特別是TEA與CGM復(fù)配時的增強(qiáng)效果更為顯著。在本文所選的摻量范圍內(nèi)，混凝土拌和物的流動性良好。

（1）DMEA和CGM復(fù)配使用時，整體上能夠使混凝土各齡期強(qiáng)度得到一定程度的平穩(wěn)增長，但這種效果比較有限。因此，在后續(xù)的三元復(fù)配方案中，未選擇DMEA為復(fù)配組分。

（2）TEA在試驗摻量范圍內(nèi)，混凝土各齡期強(qiáng)度都有不同程度的增長。當(dāng)摻量為0.03%～0.05%時，各齡期強(qiáng)度增長速度為1 d＞7 d＞3 d＞28 d；當(dāng)摻量超過0.05%時，各齡期強(qiáng)度增長速度降低。摻量為0.05%時，各齡期抗壓強(qiáng)度增速最快，相對于空白組的抗壓強(qiáng)度比分別達(dá)到137%、117%、129%、 116%，早強(qiáng)效果最佳。

綜上所述，有機(jī)-CGM二元復(fù)配后表現(xiàn)出的強(qiáng)度增長不如無機(jī)-CGM復(fù)配的效果優(yōu)異。有機(jī)胺的早強(qiáng)作用機(jī)理主要是因為，有機(jī)胺分子中的N元素具有孤對電子，很容易以配位鍵同水泥表面水化產(chǎn)物中的Al3+、Fe3+等金屬離子形成易溶于水的絡(luò)合物，在水泥顆粒表面形成許多可溶點，使C3A C4AF的溶解擴(kuò)散速率提高，加快了與石膏之間形成鈣礬石提高早期強(qiáng)度[8]。

2.3 CGM與有機(jī)胺-無機(jī)鹽三元復(fù)配性能

根據(jù)前面二元復(fù)配的最優(yōu)摻量，將CGM與有機(jī)、無機(jī)早強(qiáng)組分進(jìn)行三元復(fù)配，三元復(fù)配對混凝土性能的影響見表3。

表3 CGM-無機(jī)-有機(jī)三元復(fù)配對混凝土性能的影響

由表3可見：

（1）CGM-NS-TEA三元復(fù)配各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度比分別為152%、125%、126%、125%，CGM-CS-TEA三元復(fù)配的分別為163%、131%、123%、122%，CGM-CN-TEA三元復(fù)配的分別為152%、115%、114%、104%。相比二元復(fù)配，聚羧酸減水劑與有機(jī)、無機(jī)早強(qiáng)組分進(jìn)行三元復(fù)配時，各齡期抗壓強(qiáng)度比有了進(jìn)一步的提高，體現(xiàn)出無機(jī)與有機(jī)早強(qiáng)組分復(fù)配時良好的協(xié)同作用。在聚羧酸減水劑的基礎(chǔ)上復(fù)配無機(jī)-有機(jī)早強(qiáng)組分構(gòu)成復(fù)合減水劑，聚羧酸減水劑保證了新拌混凝土良好的流動性，無機(jī)-有機(jī)早強(qiáng)組分從不同方式加速水泥的水化速率，縮短水泥凝結(jié)時間，促進(jìn)混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展。

（2）三元復(fù)配體系使水泥漿的總孔隙率降低，漿體結(jié)構(gòu)密實，抗氯離子滲透和抗凍性得到一定程度改善。

3 結(jié)論

（1）3種含氮的無機(jī)鹽NS、CS、CN與聚羧酸減水劑CGM二元復(fù)配時的最佳摻量分別為0.075%、0.15%、0.20%，2種含氮胺DMEA、TEA與聚羧酸減水劑CGM二元復(fù)配時的最佳摻量分別為0.06%、0.05%，且TEA效果優(yōu)于DEMA。在此摻量下，混凝土拌和物的流動性良好。

（2）無機(jī)-有機(jī)-CGM三元復(fù)配比無機(jī)-CGM、有機(jī)-CGM二元復(fù)配體系表現(xiàn)出更好的增強(qiáng)效果。無機(jī)-有機(jī)-CGM三元復(fù)配的協(xié)同效果，收縮率比較小，漿體結(jié)構(gòu)密實，水泥早期強(qiáng)度有較大的增長，后期強(qiáng)度能持續(xù)增長，抗氯離子滲透和抗凍性得到一定程度改善。

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Study on the properties of multi-combination early strength polycarboxylate superplasticizer

XUE Junpeng1，2
（1.Fujian Academy of Building Research，F(xiàn)uzhou 350025，China；
2.Fujian Green Building Technology Key Laboratory，F(xiàn)uzhou 350025，China）

Inorganic（NS，CS，CN）and organic（DMEA，TEA）accelerants were introduced to combine with polycarboxylate superplasticizer（CGM）in binary and ternary forms.The fluidity of fresh concrete and compressive strength of concrete at different ages were investigated with and without these accelerants，which was used to evaluate the early strength rules.The result indicated that the inorganic-organic-CGM ternary compound system had better combination effect than inorganic-CGM or organic-CGM forms.

polycarboxylate superplasticizer，early strength accelerant，multi-combination，early strength

TU528.042

A

1001-702X（2016）09-0077-03

2016-02-18；

2016-03-24

薛軍鵬，男，1977年生，山西運城人，碩士，高級工程師，主要從事混凝土外加劑及耐久性研究。