FDN和聚羧酸系減水劑對(duì)混凝土性能的影響研究

曾榕彬，張遠(yuǎn)航

(1.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院;2.重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)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(jié)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(qiáng)的減水功能。普通減水劑的減水量可達(dá)10%～15%，增加摻入量，可以調(diào)高減水效果，但會(huì)產(chǎn)生一些副作用，包括影響混凝土的凝結(jié)、氣體含量、泌水、離析及硬化等性質(zhì)。高效減水劑與普通減水劑有不同的化學(xué)特性，其減水量可達(dá)30%。高效減水劑的使用可以使混凝土具有很高的工作度，進(jìn)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(qiáng)混凝土的澆筑。

2 高效減水劑的作用機(jī)理

高效減水劑的主要成分是表面活性劑，它對(duì)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(tuán)會(huì)吸附在水泥顆粒表面，親水基團(tuán)會(huì)指向水溶液，從而構(gòu)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(shí)，這些顆粒會(huì)相互排斥，進(jìn)而防止了顆粒之間的凝聚、結(jié)塊、沉淀，這樣就能釋放顆粒間多余的水，達(dá)到減水的目的。除此之外，減水劑對(duì)水泥顆粒還有潤(rùn)濕和潤(rùn)滑作用。當(dāng)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(qiáng)度。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原料

水泥選用普通硅酸鹽水泥P.O32.5;砂，選用河沙，細(xì)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(shí)驗(yàn)采用的混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比 %

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)坍落度測(cè)試。

將拌和好的水泥混凝土分三層裝入坍落筒內(nèi)，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(jìn)行，沿螺旋線由邊緣至中心，插搗底層時(shí)插至底部，插搗其他兩層時(shí)，應(yīng)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(shí)，裝入的混凝土應(yīng)高出坍落筒口，隨插搗過程隨時(shí)添加拌合物。當(dāng)頂層插搗完畢后，將搗棒用鋸和滾的動(dòng)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(nèi)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(gè)過程應(yīng)在150 s內(nèi)完成。

(2)立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)中的規(guī)定進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用的是100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件的抗壓強(qiáng)度。

(3)水泥水化熱性能測(cè)定。

試驗(yàn)根據(jù)《水泥水化熱測(cè)定方法》(GB 12959-2008)中的規(guī)定進(jìn)行水化熱測(cè)定。

3.4 試驗(yàn)儀器

有混凝土攪拌機(jī)、坍落筒、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、溶解熱測(cè)定儀。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 減水劑對(duì)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(zhì)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(cè)定。一些較為容易的測(cè)定方法，如坍落度測(cè)定、流動(dòng)度測(cè)定、維勃儀測(cè)定等，可以用于混凝土工作度的表征。在此用坍落度來(lái)表征混凝土的工作度。

坍落度越大混凝土的流動(dòng)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(shí)間后所測(cè)坍落度與其初始坍落度的差值(絕對(duì)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(duì)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(shí)間的增加會(huì)出現(xiàn)不同程度的坍落度損失。前0.5 h內(nèi)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(shuō)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(tuán)，這些活性基團(tuán)使水泥顆粒產(chǎn)生分散和流動(dòng)作用，同時(shí)醚鍵中氧與水分子形成較強(qiáng)的氫鍵，并形成一層親水的立體保護(hù)膜，對(duì)分散保持性有一定的作用。

4.2 減水劑對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2中可以看出，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度隨著齡期不斷增加，混凝土7 d的強(qiáng)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(qiáng)度提高1.4%;7 d的強(qiáng)度可提高12%;到14 d時(shí)提高18%;28 d時(shí)強(qiáng)度則可提高到30%時(shí)左右。這說(shuō)明FDN這種減水劑對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度影響不大，但是能明顯提高其后期強(qiáng)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(qiáng)度和后期強(qiáng)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(qiáng)度最高，同時(shí)28 d的強(qiáng)度也是最高的。這說(shuō)明相對(duì)于FDN來(lái)說(shuō)，聚羧酸系減水劑對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都很大的提高。

圖1 摻兩種減水劑混凝土坍落度的時(shí)變曲線

圖2 摻兩種減水劑混凝土強(qiáng)度隨齡期的變化曲線

4.3 減水劑對(duì)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(shí)間要比未摻減水劑的混凝土晚，這是因?yàn)闇p水劑分子鏈中的活性集團(tuán)會(huì)與水化生成的離子生成不穩(wěn)定絡(luò)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(shí)也能減小化學(xué)收縮。

圖3 摻兩種減水劑混凝土的水化溫度的時(shí)變曲線

5 結(jié)語(yǔ)

(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(qiáng)度的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均最大;而摻FDN的混凝土的早期強(qiáng)度比較低，早強(qiáng)的效果不顯著，所以要提高混凝土強(qiáng)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(xué)收縮。

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