復(fù)合減膠型減水劑成本節(jié)約的應(yīng)用

方帥

摘 要：當(dāng)下建筑業(yè)為了滿足更高的混凝土性能要求而日益增加混凝土膠材用量，由此也帶來(lái)了不少新問(wèn)題。減膠劑的出現(xiàn)大大緩解了這一問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)探索明確減膠型減水劑的使用可降低膠材用量、提升混凝土工作性能的同時(shí)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益，其應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：減膠劑;減膠型減水劑;經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號(hào)：TU528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-6903（2022）08-0090-03

0 引言

隨著國(guó)家建設(shè)的蓬勃發(fā)展，建筑行業(yè)對(duì)混凝土的要求逐步提高，不只在混凝土性能方面，基于生態(tài)文明及環(huán)境保護(hù)的高標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混凝土質(zhì)量控制更是提出了嚴(yán)要求[1]。為了滿足日益提高的混凝土工作性能要求，現(xiàn)今施工采用的混凝土配合比膠材用量普遍大于350 kg/m?。高膠材帶來(lái)混凝土優(yōu)秀工作性能的同時(shí)也帶來(lái)了新問(wèn)題，比如大體積混凝土易開(kāi)裂，特別是在水膠比較低的情況下，開(kāi)裂現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。同時(shí)在國(guó)家大力打造資源節(jié)約型社會(huì)的當(dāng)下，高膠材易造成大量的資源浪費(fèi)，并且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的破壞。因此，為了保證建筑行業(yè)的可持續(xù)性健康發(fā)展，提高資源利用率，減膠劑應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)其應(yīng)用效果及實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益的探索研究意義重大。

1 混凝土減膠劑和減水劑概述

1.1 減膠劑概述

混凝土應(yīng)用減膠劑的方式被廣泛地應(yīng)用在當(dāng)前的建筑工程中，減膠劑的使用有相應(yīng)的行為標(biāo)準(zhǔn)：JC/t2469-2018《混凝土減膠劑》[2]。具體進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，一類全新的配料摻拌混合的方式就是混凝土中摻拌減膠劑，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的比例開(kāi)展適配實(shí)驗(yàn)。通過(guò)具體研究，這類摻拌方法能夠更好地保證混凝土具體應(yīng)用中各種性能的穩(wěn)定性，且能有效減少混凝土中的水泥摻混數(shù)量，使混凝土實(shí)際應(yīng)用中材料的利用率得以有效提高。然而，在具體的推廣中，因?yàn)榈赜蛐缘纫蛩卮嬖?，從而?dǎo)致實(shí)際應(yīng)用于推廣中會(huì)有各類狀況出現(xiàn)[3]。比如，工作性能降低、膠凝材料降低以及力學(xué)性能降低等，從而使得實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)試劑沒(méi)有良好的作用。所以想要將減膠劑的應(yīng)用性能進(jìn)行提高，需要持續(xù)進(jìn)行研究，逐一解決各地在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，使其能有效、合理地應(yīng)用于各種建筑中，以實(shí)現(xiàn)減膠劑推廣效果的有效提高。

1.2 減水劑概述

減水劑作為一類混凝土的外加劑，可在將混凝土塌落度維持不變的狀況下，降低拌合用水量。多數(shù)是陰離子表面活性劑，涵蓋了萘磺酸鹽、木質(zhì)素磺酸鹽等甲醛聚合物，摻入混凝土拌合料后，可以分散水泥顆粒，改善其和易性，降低單位用水量，提高混凝土拌合物的流動(dòng)性，節(jié)約或減少水泥用量。

1.2.1 減水劑對(duì)硬化水泥石結(jié)構(gòu)的影響

因減水劑具有一定的分散作用，所以可讓水泥粒子大多時(shí)候保持隔離狀態(tài)，從而在水化初期使水泥粒子的反應(yīng)面積增大，減水劑分散作用越好且效果就越顯著，此階段水泥水化反應(yīng)以溶解-水化-結(jié)晶過(guò)程方式開(kāi)展。除表面積以后，也有鹽效應(yīng)、形成不穩(wěn)定絡(luò)合物等，都會(huì)加大溶解密度，可提升水泥溶劑過(guò)程，進(jìn)而增加水化物。盡管減水劑成膜會(huì)影響其反應(yīng)，然而影響卻不大，它的綜合效果會(huì)使初期水化反應(yīng)速度提升。

水泥當(dāng)完成終凝之后，會(huì)出現(xiàn)幾何形狀。初始階段形成的主要是發(fā)育欠佳的微晶凝聚體，抑或叫作水化物凝膠。這部分尺寸不大的微晶，會(huì)在水泥熟料的顆粒表面上無(wú)規(guī)則地沉積。持續(xù)水化讓這部分微晶呈現(xiàn)輻射形狀不斷向外部生長(zhǎng)，進(jìn)而形成纖維狀晶體，其末端尖細(xì)且有分岔。這部分纖維狀晶體在水泥粒子周?chē)L(zhǎng)，并有很多大小不相等的孔隙形成，中間有水分包裹。繼續(xù)水化會(huì)讓纖維狀晶體不斷向外伸長(zhǎng)，讓水泥粒子互相搭接最終能夠形成三度空間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，持續(xù)水化讓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷密實(shí)而提高強(qiáng)度。

減水劑可以延緩膠凝體向結(jié)晶體的轉(zhuǎn)化過(guò)程，這是因?yàn)闇p水劑會(huì)讓溶解度增加，并提高了溶解速度。在初始階段加入減水劑后，亞穩(wěn)狀態(tài)下有更多的微晶聚集體，表面的一層減水劑膜阻礙和延遲了從微晶到結(jié)晶狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。基于熱力學(xué)穩(wěn)定視角，小顆粒有很大的表面積，且表面自由能Z值高，熱力學(xué)狀態(tài)不穩(wěn)，微晶凝聚體會(huì)自動(dòng)溶解并重新在晶體表面沉積，使其進(jìn)入減水劑，從而減少固液界面的生長(zhǎng)，添加的界面能使變化過(guò)程的自由能變化（-△Z）變小，從而削弱凝膠體的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

在反應(yīng)變化過(guò)程中，水化產(chǎn)物不斷在水泥顆粒表面積聚。前階段的速度越快，產(chǎn)物就會(huì)越多，那么最后在水泥顆粒上覆蓋的水化物就會(huì)越多，然而，其還尚未構(gòu)成對(duì)反應(yīng)速度的主控因素。這個(gè)階段中，水化反應(yīng)主要依舊是溶解反應(yīng)過(guò)程，且液體也已基本接近飽和，控制反應(yīng)速度的離子擴(kuò)散速度接近常熟，幾種作用的綜合作用讓水化反應(yīng)速率保持不變。加入減水劑所形成的絡(luò)合物會(huì)使反應(yīng)物參與反應(yīng)能力受到影響;所形成的膜也會(huì)影響水化反應(yīng);減水劑對(duì)水分子的締合作用會(huì)阻礙水分子運(yùn)動(dòng)，前一階段水化產(chǎn)物的數(shù)量會(huì)直接影響到此階段的速度，所以，通過(guò)減水劑的加入后，可減慢此階段水泥水化反應(yīng)的速度。

水化反應(yīng)的中后期，當(dāng)水化產(chǎn)物到達(dá)一定的厚度以后，水分子通過(guò)水化產(chǎn)物層的擴(kuò)散速率將是控制水化反應(yīng)的關(guān)鍵因素，水化反應(yīng)通過(guò)固相反應(yīng)式開(kāi)展。通過(guò)減水劑的加入，讓毛細(xì)孔中的水成了一定減水劑濃度溶液，基于滲透壓對(duì)擴(kuò)散的發(fā)作用，會(huì)影響到水分子不斷向水化產(chǎn)物層擴(kuò)散，進(jìn)而減少毛細(xì)孔的孔徑，進(jìn)而使孔中水分內(nèi)聚力增加， 從而束縛水分子，加之絡(luò)合與成膜等作用，減水劑會(huì)減慢水泥中后期的水化反應(yīng)速度。

從孔結(jié)構(gòu)來(lái)看，減水劑的主要用途之一是降低用水量，會(huì)讓硬化水泥石中的毛細(xì)孔徑逐漸變小，孔隙體積減小。由于分散和結(jié)晶抑制，在不降低耗水量的情況下，盡管總孔隙體積沒(méi)有太大改變，但會(huì)讓毛細(xì)孔徑逐漸變小，這會(huì)有效促進(jìn)水泥強(qiáng)度的顯著提升。

2 試驗(yàn)探索

基于中鐵五局貴南高鐵引入南寧樞紐工程已成熟使用的C40、C35、C30三個(gè)配合比，分別對(duì)其進(jìn)行基準(zhǔn)和摻入減膠劑的對(duì)比組進(jìn)行試拌，同時(shí)對(duì)各組的混凝土和易性及強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確認(rèn)減膠劑成本節(jié)約效果[4]。

2.1 原材料情況

本次試驗(yàn)所用基準(zhǔn)減水劑為山西金萬(wàn)康生產(chǎn)JWK-1緩凝型減水劑，對(duì)比減水劑為采用山西金萬(wàn)康生產(chǎn)的減膠劑與基準(zhǔn)減水劑進(jìn)行復(fù)配所得的減膠型復(fù)合減水劑，復(fù)配時(shí)按照基準(zhǔn)減水劑原摻量及減膠劑廠家推薦摻量按比例摻配。水泥采用廣西登高集團(tuán)生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，摻合料為國(guó)電南寧發(fā)電有限責(zé)任公司II級(jí)粉煤灰，集料為武鳴區(qū)雙武礦石場(chǎng)機(jī)制砂及5～31.5 mm碎石，質(zhì)量指標(biāo)滿足TB10424-2018 鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[5]，混凝土減膠劑滿足JC/T2469-2018驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)所用C30、C35、C40基準(zhǔn)及對(duì)比配合比情況如表1所示。

本次探索首先進(jìn)行了試驗(yàn)室室內(nèi)試拌，對(duì)比混凝土進(jìn)行了基準(zhǔn)減水劑及減膠劑的雙摻試驗(yàn)，在廠家推薦的減膠10%基礎(chǔ)上，進(jìn)行了5%、10%減膠性能對(duì)比，通過(guò)室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)的比對(duì)分析，初步確認(rèn)了減膠劑的應(yīng)用效果[6]。在此基礎(chǔ)上，將基準(zhǔn)減水劑與減膠劑按照摻量比例進(jìn)行復(fù)配成為減膠型減水劑，將該復(fù)配減水劑應(yīng)用于拌和樓試生產(chǎn)并應(yīng)用于試驗(yàn)段澆筑，對(duì)各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析以驗(yàn)證減膠型減水劑的實(shí)際應(yīng)用效果。

具體試驗(yàn)方法為按照配合比，將各項(xiàng)原材料通過(guò)HJW-60型強(qiáng)制攪拌機(jī)攪拌180 s后，測(cè)試拌和物性能后成型150×150×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓試件，室溫養(yǎng)護(hù)24 h后脫模置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至各齡期后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，依據(jù)最終結(jié)果進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用效益分析

3.1 室內(nèi)雙摻試驗(yàn)

試驗(yàn)中的每個(gè)配合比均進(jìn)行了三組試驗(yàn)：A組為基準(zhǔn)配合比;B組為對(duì)比試驗(yàn)一，膠材降低5%，采用基準(zhǔn)減水劑與減膠劑雙摻;C組為對(duì)比試驗(yàn)二，膠材降低10%，采用基準(zhǔn)減水劑與減膠劑雙摻。

通過(guò)試拌混凝土性能測(cè)定可以發(fā)現(xiàn)，各配合比試拌性能均能滿足施工要求，坍落度在180～220 mm[7]。試驗(yàn)過(guò)程中基準(zhǔn)配合比及對(duì)比配合比均未出現(xiàn)泌水、沉底等現(xiàn)象，混凝土包裹性良好，流動(dòng)性較基準(zhǔn)混凝土有顯著提升。在出機(jī)坍落度基本一致的情況下，各配合比保坍性能良好，基準(zhǔn)配合比與對(duì)比配合比1 h坍落度經(jīng)時(shí)變化量均小于10 mm。

3.2 減膠型復(fù)合減水劑實(shí)際應(yīng)用

在室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將基準(zhǔn)減水劑與減膠劑按照摻量比例5：3進(jìn)行復(fù)配成為減膠型減水劑，使用相同的原材料，將該復(fù)配減水劑應(yīng)用于拌和樓試生產(chǎn)并應(yīng)用于試驗(yàn)段澆筑，對(duì)三個(gè)配合比分別進(jìn)行基準(zhǔn)及減膠10%對(duì)比試驗(yàn)段，對(duì)澆筑數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)如表2。

采用減膠型減水劑生產(chǎn)的減膠混凝土，在達(dá)到施工要求的坍落度時(shí)，其保水性、粘聚性良好，未出現(xiàn)泌水、沉底現(xiàn)場(chǎng)，流動(dòng)性良好，其和易性較基準(zhǔn)混凝土有一定改善，能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工需求。通過(guò)減膠型減水劑的試驗(yàn)段澆筑強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合減水劑采用攪拌樓生產(chǎn)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中能起到與室內(nèi)試驗(yàn)同等的強(qiáng)度提升效果。

同時(shí)，通過(guò)觀察由相同坍落度、相同澆筑及振搗工藝成型的基準(zhǔn)混凝土及對(duì)比混凝土大體積試驗(yàn)塊可以發(fā)現(xiàn)，自然養(yǎng)護(hù)條件下，對(duì)比混凝土試驗(yàn)塊裂紋數(shù)量明顯減少，平均裂縫寬度變小，說(shuō)明降低膠材后大體積混凝土水化熱降低，同時(shí)由減膠劑作用機(jī)理帶來(lái)的保水效用，降低了混凝土收縮率，在上述正面影響下，大體積混凝土開(kāi)裂問(wèn)題得到了有效緩解。

由此可知，減膠劑應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工可以改善混凝土和易性、提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，減少膠材用量，降低混凝土收縮率，有效緩解大體積混凝土開(kāi)裂問(wèn)題。

3.3 減膠劑應(yīng)用效益分析

通過(guò)上述試驗(yàn)可以確定在減膠劑推薦摻量下減膠10%時(shí)，混凝土各項(xiàng)性能表現(xiàn)優(yōu)異。結(jié)合當(dāng)下原材料價(jià)格，P.O 42.5水泥450元/t，粉煤灰210元/t，減水劑3500元/t，1.0%摻量，減膠劑1400元/t，0.6%摻量，復(fù)配后減水劑加減膠劑4000元/噸。使用減膠劑后每方C40、C35、C30混凝土原材料成本分別可以降低15.6元、14.5元、12.4元;復(fù)配后每方C40、C35、C30進(jìn)一步便宜1.7元、1.5元、1.3元。關(guān)鍵是復(fù)配后減水劑施工方便，減少計(jì)量誤差，該經(jīng)濟(jì)效益隨著混凝土等級(jí)的提高而提高，在運(yùn)輸困難的地方單方價(jià)值節(jié)約更高。另一方面，減膠劑的應(yīng)用使得混凝土使用相對(duì)較低的膠材，獲得更高的構(gòu)件性能，一定程度上提高了資源利用率，具有巨大的推廣價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，減膠劑的應(yīng)用使得混凝土可以在滿足施工需求的條件下，降低膠材用量，提高混凝土的密實(shí)度，改善混凝土包裹性，提高其流動(dòng)度，極大地改善混凝土和易性，同時(shí)能顯著提高混凝土后期強(qiáng)度，降低混凝土水化熱及收縮率，有效緩解大體積混凝土開(kāi)裂的問(wèn)題。關(guān)鍵是，減膠劑可降低混凝土原材料成本，為建筑行業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)提高資源利用率，有效助力建筑業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 許大川，朱金華，蒲東，等.DZ-MG減膠劑對(duì)混凝土工作性和力學(xué)性能的影響[J].四川建材，2021，47（2）：9-10.

[2] 段文川，李媛，梁冬，等.裝配式結(jié)構(gòu)后澆節(jié)點(diǎn)快硬無(wú)收縮混凝土的配制[J].重慶建筑，2019，18（11）：50-53.

[3] 寇佳亮，陳俊豪，張浩博.常溫養(yǎng)護(hù)條件下活性粉末混凝土力學(xué)性能正交試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2019，49（6）：92-97.

[4] 王維成，王悅，張道明，等.摻入納米SiO_2對(duì)再生混凝土性能影響的研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，38（1）：44-51.

[5] 郁亞蕓，李佳容.聚羧酸減水劑與水泥混凝土適應(yīng)性問(wèn)題綜述[J].綠色環(huán)保建材，2018（4）：12+14.

[6] 張世城，陳建國(guó)，蔣亞清，等.聚羧酸減水劑在粘土中的插層行為及影響研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào)，2018，37（3）：903-910.

[7] 程耀烜.減水劑對(duì)水泥混凝土的路用性能影響[J].建設(shè)科技， 2017（17）：116-118.

[8] 任超.高效減水劑對(duì)礦渣微粉水泥混凝土性能的影響[J].山西建筑，2016，42（2）：114-115.