增效劑混凝土配合比優化及應用

陳景，劉永道，黃海珂

（中建商品混凝土成都有限公司，四川　成都　610052）

增效劑混凝土配合比優化及應用

陳景，劉永道，黃海珂

（中建商品混凝土成都有限公司，四川成都610052）

本文研究了增效劑對不同種類水泥及粉煤灰摻合料的混凝土工作性能和抗壓強度的影響，優化出了增效劑混凝土的生產配合比并進行中試生產應用。結果表明：增效劑對不同種類水泥、粉煤灰等混凝土原材料的適應性差異較大，選擇合適的膠凝材料體系和增效劑，在保證混凝土工作性能和抗壓強度前提下，可降低水泥用量 30kg/m3以上；采用增效劑進行混凝土生產時，混凝土性能均滿足生產和施工要求，但其對生產質量控制要求較高，必須嚴格控制用水量，保證原材料的質量穩定性。

混凝土增效劑；工作性能；抗壓強度；中試應用

0　前言

混凝土是目前使用量最為廣泛的建筑材料，在建設資源節約型、環境友好型社會背景下，其正向低碳、綠色化發展。若采用更加合理的膠凝材料體系，適當減少單方混凝土水泥用量，降低混凝土生產成本，對商品混凝土企業具有技術和經濟上非常現實的意義。

增效劑是近幾年在建筑市場上推廣使用的一種新型混凝土外加劑。研究認為將增效劑與礦物摻合料或減水劑一起摻入到水泥基材料中，在保持甚至提高水泥基材料各項性能的基礎上可減少水泥的用量，具有顯著節能增效的作用[1-4]。然而，增效劑的推廣應用過程中存在一些問題，有的使用增效劑后混凝土性能變差、強度降低，有的膠凝材料用量降幅不明顯等。因此，針對增效劑使用過程中的存在的問題，進一步合理科學的使用增效劑，本文研究了增效劑對混凝土膠凝材料的適應性，以優化出增效劑混凝土生產配合比，并進行中試生產應用，考察增效劑混凝土的質量控制方法，指導攪拌站進行增效劑混凝土生產。

1　原材料及試驗

1.1主要原材料

P?O42.5R 水泥，基本性能見表 1；I 級粉煤灰，密度2.49g/cm3，細度 6.1%，燒失量 2.1%，需水量比 92%；II 級粉煤灰，細度 13.9%，燒失量 4.6%，需水量比 98%；青砂，細度模數 1.7，MB 值 1.0，篩余 6.7%；機制砂，細度模數 2.7，MB 值 1.2，篩余 9.8%；成都當地產卵碎石，連續級配，最大粒徑 31.5mm，壓碎值 8.0%；公司自產聚羧酸高性能減水劑，固含量 10.5%，減水率 25%；增效劑 I，半透明液體，比重 1.05g/m3，摻量為膠凝材料質量的 0.8%～1.2%；增效劑 II，半透明液體，比重 1.03g/m3，摻量為膠凝材料質量的0.6%～1.0%。

表1　水泥基本性能

1.2試驗方法

不同強度等級的混凝土基準生產配合比如表 2 所示。測試混凝土的工作性能和 1.5h 工作性能及各齡期（7d、28d、56d）抗壓強度。混凝土工作性能具體測試方法按照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》執行；抗壓強度試件尺寸為邊長 100mm 的立方體試塊，具體測試方法按照 GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學性能試驗方法》 執行。

表2　不同強度等級混凝土基準配合比　　　kg/m3

2　試驗結果分析與討論

2.1增效劑對不同種類水泥的混凝土性能的影響

增效劑種類繁多，產品質量參差不齊，與其它混凝土外加劑一樣，可能與水泥等混凝土原材料存在相容性問題。因此，以 C30 混凝土為基準，研究了增效劑對不同種類水泥的混凝土性能的影響。配合比中保證混凝土容重不變，摻增效劑的混凝土中水泥和粉煤灰分別降低 20kg/m3和 10kg/m3，而分別提高碎石和機制砂的用量，增效劑摻量為膠材總量的0.8%。

表3　不同水泥的增效劑混凝土工作性能

從表 3 可以看出，與基準混凝土相比，采用增效劑的混凝土其減水劑摻量均高于基準混凝土，用水量普遍降低10kg/m3，可能會提高生產質量控制難度。從混凝土拌合物工作性來看（表 3），與增效劑 I 相比，增效劑 II 與采用拉法基水泥的混凝土適應性良好，其減水劑摻量略低，混凝土拌合物初始坍落度和擴展度與基準混凝土相當，包裹性較好，并無離析泌水現象，1.5h 坍落度和擴展度損失也與基準混凝土相當，甚至略好于基準混凝土。與上述現象相反的是，在采用亞東水泥的混凝土中，增效劑I的適應性優于其它增效劑，其混凝土拌合物和易性較好。采用蘭豐水泥的混凝土中，不論采用增效劑 I 還是增效劑 II，均表現出不適應性，與基準混凝土相比，外加劑摻量較高，且混凝土拌合物的粘度大，包裹性差。

從混凝土硬化強度來看（圖 1），雖然摻與不摻增效劑的混凝土各齡期抗壓強度均能滿足設計強度等級要求，但增效劑在不同水泥的混凝土中的增效效果存在明顯差異。采用拉法基水泥配制混凝土時，增效劑混凝土早期強度（7d）均與基準混凝土相當，但后期抗壓強度差異明顯，采用增效劑II的混凝土后期強度明顯高于其他混凝土抗壓強度。與之不同的是，采用亞東水泥配制混凝土時，增效劑混凝土 3d 抗壓強度與基準相當，養護 7d 后，增效劑 I 的混凝土抗壓強度略高于基準混凝土，顯著高于增效劑II的混凝土各齡期抗壓強度。

綜合表 3 和圖 1 的試驗結果說明，不同種類增效劑對混凝土原材料的適應性差異較大，在進行增效劑混凝土生產或者原材料發生變動時需進行試配確定增效劑種類和增效效果。

圖1　不同水泥的增效劑混凝土抗壓強度曲線

2.2增效劑對不同水泥用量的混凝土性能的影響

以 C30、C50 混凝土為基準，研究減少水泥用量20kg/m3、30kg/m3、40kg/m3的條件下，不同強度等級增效劑混凝土的工作性能及抗壓強度，增效劑摻量為膠材總量的0.8%，基本工作性能如表 4 所示。

表4　摻增效劑的不同水泥用量的混凝土配合比及基本工作性能

從表 4 中可知，C30 低強度等級的混凝土中，當水泥用量降幅在 30kg/m3以內時，增效劑混凝土的和易性與基準混凝土相當，其坍落度和擴展度并無明顯差異，工作性能良好。隨著水泥用量的進一步降低，當水泥用量降低 40kg/m3時，摻增效劑的混凝土初始工作性能變差，粘聚性和保水性較差，泌水嚴重。與低強度等級混凝土不同的是，C50 高強度等級的混凝土中，隨著水泥用量降低，增效劑混凝土和易性良好，其坍落度和擴展度與基準混凝土相當，即使是水泥用量降低至 40kg/m3，混凝土仍具有較好的工作性，但粘度略大，流速相對略慢。說明，在低強度等級的混凝土中，摻入增效劑并不能無限降低水泥用量，在降低水泥用量的同時需滿足膠凝材料用量不低于完全包裹集料的最低膠凝材料用量，否則混凝土和易性變差，粘度較高，易泌水。

圖 2 為不同水泥降幅的 C30 和 C50 增效劑混凝土抗壓強度曲線。從圖中明顯可知，采用增效劑的 C30 混凝土，隨著水泥用量的降低，其抗壓強度下降，但水泥用量降低范圍在30kg/m3以內時，各齡期混凝土抗壓強度與基準相當，甚至略高于基準的抗壓強度；進一步降低水泥用量，增效劑混凝土抗壓強度降低，特別是后期強度降低更加顯著。與 C30 增效劑混凝土抗壓強度發展類似，在 C50 增效劑混凝土中，隨著水泥用量的降低，混凝土各齡期抗壓強度呈下降趨勢。但水泥用量降幅在 30kg/m3以內時，增效劑混凝土抗壓強度均高于基準混凝土，當水泥用量降低至 40kg/m3時，其各齡期抗壓強度與基準相當。綜合表 4 和圖 2 的試驗結果，在不影響混凝土和易性和施工性能及抗壓強度情況下，并考慮綜合成本，摻入增效劑的低強度混凝土中的水泥降幅宜為 30kg/m3；C50以上高強度等級的混凝土中可略微增加水泥的降低幅度，其水泥降幅可為 40kg/m3。

圖2　不同水泥降幅的 C30、C50增效劑混凝土抗壓強度曲線

2.3增效劑對粉煤灰摻合料混凝土性能的影響

在混凝土生產過程中，粉煤灰是使用量最為廣泛的混凝土摻合料，特別是在低強度等級的混凝土中，大多采用 I 級粉煤灰或者 II 級粉煤灰作為混凝土摻合料使用。因此，以C40 混凝土為基準配合比，研究了增效劑對不同粉煤灰摻合料體系的混凝土性能的影響，具體配合比及基本性能見表 5。

從表 5 中可知，采用 I 級粉煤灰和 I 級粉煤灰與 II 級粉煤灰復摻體系的增效劑混凝土和易性良好，其初始坍落度、擴展度與基準混凝土相當，1.5h 坍落度與擴展度損失略小于基準混凝土。特別是在 I 級粉煤灰與 II 級粉煤灰復合體系的混凝土中，摻增效劑的混凝土包裹性優于基準混凝土，無需摻入青砂即能保證混凝土的工作性能。與純 I 級粉煤灰體系和 I級粉煤灰與 II 級粉煤灰復摻體系相比，在純 II 級粉煤灰體系中，摻入增效劑的混凝土雖然初始擴展度大于基準混凝土，但其拌合物包裹性較差，泌水嚴重。說明，增效劑對粉煤灰摻合料也存在適應性，對 II 級粉煤灰的適應性較差，在制備增效劑混凝土時，增效劑不宜用于 II 級粉煤灰的混凝土體系。

表5　不同粉煤灰摻合料體系的增效劑混凝土配合比及基本性能　　kg/m3

從抗壓強度來看（圖 3）， I 級粉煤灰摻合料體系與 II級粉煤灰摻合料體系的混凝土抗壓強度發展趨勢略有差異，I 級粉煤灰體系的混凝土 7d 抗壓強度略低，后期 56d 抗壓強度高于 II 級粉煤灰體系的混凝土抗壓強度。但從增效劑混凝土抗壓強度發展來看，不同粉煤灰摻合料體系中的增效劑混凝土各齡期抗壓強度均與基準相當。雖然在不同粉煤灰摻合料的混凝土體系中，增效劑混凝土的抗壓強度發展趨勢與基準混凝土無明顯差異，甚至 28d 抗壓強度還略高于基準混凝土，然而綜合考慮 II 級粉煤灰混凝土的工作性能，若生產控制水平不高，在 II 級粉煤灰摻合料體系，謹慎采用增效劑配制混凝土。

圖3　不同粉煤灰體系的增效劑混凝土抗壓強度曲線

3　試驗應用

3.1增效劑混凝土生產配合比確定

通過上述增效劑對不同水泥和粉煤灰摻合料體系的混凝土工作性和抗壓強度的影響研究可知，針對原材料來選擇合適的增效劑可進一步優化配合比：C30 以上可降低水泥用量30kg/m3；采用 I 級粉煤灰體系或者 I 級粉煤灰與 II 級粉煤灰復摻體系，在用水量降低 10～15kg/m3下均可獲得綜合性能良好的增效劑混凝土。因此，根據上述試驗結果，選擇 3 個站點進行增效劑混凝土中試應用。綜合各站原材料情況，通過大量試配，最終確定了各站點的增效劑混凝土配合比，1# 站點不同強度等級的增效劑混凝土配合比中已降低 30kg/m3水泥，2# 和 3# 站點已降低 20kg/m3水泥和 10kg/m3粉煤灰，具體配合比見表 6。

表6　各站點增效劑混凝土生產配合比　　　kg/m3

3.2增效劑混凝土工作性能對比分析

從表 7 中三個站點取樣混凝土的初始坍落度和擴展度及工作性損失來看，與前期試驗結果存在顯著不同，各站點生產的增效劑混凝土工作性差異較為明顯。1# 站點各強度等級增效劑混凝土工作性良好；2# 站點低強度等級的增效劑混凝土和易性略差，略微泌水，高強度等級的混凝土粘度較大；3# 站點各強度等級的增效劑混凝土粘度略高。

但從現場施工性能來看，雖然各個站點生產的增效劑混凝土初始工作性能存在一定的差異，但 1.5h 工作性損失均不大，混凝土到達現場后均能滿足泵送施工要求。值得注意的是，對于粘度較大的增效劑混凝土，為保證其泵送施工質量，降低堵管風險，宜用于低層施工。

表7　不同強度等級增效劑混凝土工作性能

3.3各強度等級增效劑混凝土抗壓強度對比分析

從取樣強度來看，各站點不同強度等級的增效劑混凝土，各齡期抗壓強度均滿足設計要求，但與同期普通混凝土抗壓強度差異明顯。三個站點的 C40 及以下強度等級的增效劑混凝土各齡期抗壓強度均低于普通混凝土的抗壓強度；C40以上增效劑混凝土各齡期的抗壓強度與普通混凝土的抗壓強度相當，甚至高于普通混凝土的抗壓強度。從 7～28d 抗壓強度發展來看，除 C50 增效劑混凝土的強度發展值高于普通混凝土外，其余強度等級的增效劑混凝土的 7～28d 抗壓強度增長值普遍低于普通混凝土的強度增長值。然而，對比增效劑混凝土試配強度與取樣強度發現，增效劑混凝土的各齡期試配強度顯著高于取樣強度。

表8　不同站點增效劑混凝土生產取樣強度分析

分析增效劑混凝土強度下降的原因，可能與生產過程中用水量無法準確控制有關。一般認為普通混凝土的強度受控于水灰比，用水量增加會導致混凝土強度下降[5]。因此，為檢定增效劑混凝土強度變化因素，對增效劑混凝土生產過程中的用水量進行了監控。

表 9 為增效劑混凝土用水量監測數據。從表中可以看出不同強度等級的增效劑混凝土單方用水量最低值為 144kg，與生產配合比上設計用水量相當，但其用水量平均值均在150kg 以上，最高值甚至高達 162.1kg，單方用水量超出設計值 5～17.1kg 不等。分析其用水量增加原因可能包括兩個方面：一方面，生產過程中砂石的含水率波動較大，無法準確測定砂石的含水率，從而增大混凝土的實際用水量；另一方面，增效劑混凝土的粘度高于普通混凝土，一般為降低混凝土的粘度會增大混凝土的用水量。再加上在較低用水量下增效劑混凝土的粘度增加，到施工現場施工時工人為加快施工進度，一般會私自加水。也就是說為保證混凝土的和易性和施工性能，增效劑混凝土的實際用水量普遍高于設計用水量，進而導致混凝土各齡期強度下降，后期強度的發展速率降低。

表9　增效劑所生產混凝土用水量監測

綜合增效劑混凝土的工作性能和抗壓強度等測試結果也進一步說明，增效劑對用水量比較敏感，用水量減小，增效劑混凝土拌合物的粘度增大，工作性略差，增加施工難度；用水量增加，低強度等級的混凝土拌合物易離析泌水，硬化混凝土各齡期強度也會降低，強度增長幅度下降。因此，在生產過程中，采用增效劑進行混凝土生產時，為保證混凝土的工作性能和抗壓強度必須嚴格控制用水量，及時檢測砂石的含水率。

4　結論

（1）不同種類增效劑對生產原材料的適應性差異較大，在進行增效劑混凝土生產時，需根據原材料及其變化進行試配確定增效劑種類。

（2）通過選擇合適的增效劑并進行配合比的優化，在保證混凝土綜合性能與原生產配比相同甚至略有提高的情況下，各強度等級的混凝土中可降低水泥用量 8%～13%。

（3）增效劑混凝土的性能能滿足生產和施工要求，但增效劑對用水量和原材料比較敏感，若采用增效劑進行混凝土生產時，需要較高的生產控制條件，必須嚴格控制用水量和原材料的穩定性，以保證混凝土的工作性能和抗壓強度。

[1] 陳志杰，胡鵬飛，劉衍行．BTL混凝土強效劑的應用研究[J]．混凝土，2013，282(12)： 83-85．

[2] 趙家聲．CTF 混凝土增效劑的應用研究[J]．商品混凝土，2013(7)：48-50．

[3] 葛挺林．用增效劑優化混凝土配合比[J]．商品混凝土，2010( 11)：36-39．

[4] 劉娟紅，文燁．LSY 混凝土增效劑對水泥基材料性能的影響研究[J]．混凝土世界，2012，42(12)：70-74．

[5] 李亞青，郭文虎．談水灰比對混凝土強度的影響[J]．山西建筑，2012(32)：128-130．

［通訊地址］成都市成華區龍潭寺建設村 5 組中建商品混凝土成都有限公司技術中心（610052）

Study on optimization of concrete mix proportion with synergist and application

Chen Jing,Liu Yongdao, Huang Haike
(China Construction Ready Mixed Concrete Chengdu Co., Ltd., Chengdu610052)

In order to use the concrete synergist in scientific and reasonable relatively, effect of concrete synergist on the workability and compressive strength of concrete with different cement type and fly ash admixture system were studied. Results shown that the adaptability of synergist to the different cement type and fly ash admixture system make a great difference. It could be reduce more than 30kg/m3cement when choosing suitable cemetitious materials and synergist. When using synergist for concrete produce, the performance of all the synergist concrete can meet the production and construction requirements. However, it need higher demand on production quality control for synergist concretes. It must strictly control the amount of water and ensure the quality and stability of concrete materials.

concrete synergist; workability; compressive strength; pilot application

陳景（1981-），男，碩士，工程師，主要從事預拌混凝土及混凝土制品的研究。