復摻外加劑體系對低水膠比混凝土強度及耐久性影響試驗研究

杜迎東,王起才,張戎令, 惠兵, 鄭建鋒, 劉少龍

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

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復摻外加劑體系對低水膠比混凝土強度及耐久性影響試驗研究

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 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070;2.中鐵二十一局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710065)

摘要:對低水膠比(mW/mB=0.3)復摻外加劑體系(膨脹劑、減水劑、引氣劑)拌制的混凝土進行強度及耐久性正交試驗，分析了不同摻量對新拌混凝土工作性、混凝土強度及耐久性的影響規律，基于電通量法和快速氯離子遷移系數法(RCM法)評定混凝土的耐久性，給出各外加劑的最優摻量。結果表明：外加劑復摻體系所引起的電通量及氯離子遷移系數變化趨勢相近，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%時混凝土耐久性最好；3種外加劑對混凝土的強度增長均有促進的作用，其中減水劑對混凝土早期強度和后期強度影響最明顯；隨著引氣劑摻量的增加，強度先降低后增加；膨脹劑摻量對混凝土強度影響無固定規律。鑒于試驗選用地材及配合比等的局限性，本研究僅為后續類似研究提供參考。

關鍵詞：復摻外加劑；最優摻量；強度及耐久性

隨著國家可持續發展戰略的實施，人們對混凝土強度及耐久性的重視程度越來越高，混凝土的抗壓強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個方面[6-8]：一是引起破壞的作用力或破壞力，另一個是材料本身對破壞力的抵抗力，2種對抗力的結果決定了混凝土的耐久性。近年來，國內外很多工程在未達到混凝土設計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，通常摻入適當比例的外加劑，外加劑的摻入可以改善混凝土的孔結構進而改善其耐久性[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下的混凝土的密實性得以提高，進而其耐久性得以提高[14]，混凝土的體積膨脹與其強度發展也是相互關聯的，即水化產物形成的骨架對膨脹產生“內約束作用”，只有膨脹產物和其他水化產物匹配增長，膨脹和強度協調發展，才能促進膨脹劑的膨脹效能的發揮[15]，因此一般摻入適當的外加劑，如膨脹劑、減水劑、引氣劑形成復摻外加劑體系來滿足其強度耐久性要求。密實性是評定混凝土耐久性的一個指標，目前被廣泛認可的評定混凝土耐久性(密實性)的方法有電通量法和快速氯離子遷移系數法(RCM法)[16-17]。為既能有效評定混凝土的耐久性，又能縮短試驗時間、降低人為因素的影響，許多學者對影響混凝土耐久性的因素做了系統的研究，張戎令[14]通過膨脹劑、減水劑、引氣劑復摻外加劑體系不同種類、不同摻量研究其對高性能混凝土強度、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自密實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，混凝土的電通量及氯離子滲透系數的相關性，于本田[18]研究礦物摻合料摻量，砂的粗細程度，石子表面特征，環境條件，養護方法對混凝土抗氯離子滲透性能的影響，本文在文獻[12]的基礎上，研究復摻外加劑體系對混凝土強度和耐久性的影響，以期找到合適的配合比，用于指導配制。

1試驗準備

1.1材料

水泥：采用甘肅祁連山水泥集團股份有限公司生產的PO42.5普通硅酸鹽水泥；礦粉：采用蘭州中泰信達建材有限公司生產的S95礦粉；粉煤灰：采用蘭州萬科源商貿有限公司生產的I級粉煤灰；砂：采用蘭州地區天然河砂，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，細度模數為2.5；石子：采用蘭州地區碎石，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抗壓強度提高155%；引氣劑：采用上海馨揚實業發展有限公司生產的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。材料實測性能指標見表1。

1.2試驗方案

根據材料試驗指標進行混凝土配合比設計，見表2。試驗以一固定低水膠比(0.30)為例，配制出強度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種外加劑復摻情形下的混凝土強度及耐久性變化規律，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%。試驗中將其他2種外加劑摻量固定，改變另一外加劑摻量，設計正交試驗[19]分析這一外加劑摻量不同時及與另外兩種加劑摻量復摻時，對高性能混凝土強度耐久性能性能的影響，由此確定復摻外加劑體系中各外加劑合理摻量。對混凝土耐久性的評價采用電通量法和快速氯離子遷移系數法(RCM法)。

表1　材料實測性能指標

表2　混凝土配合比設計

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

試驗在室內進行，采用SJD-30L單軸臥式強制式攪拌機，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攪拌120 s。

1.4耐久性評定方法

依據文獻[20]進行混凝土電通量及氯離子遷移系數試驗。

1.4.1電通量法

采用ASTM C2012直流電量法測試混凝土電通量值，將尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標準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)把試件在標準養護室養護至28 d，取出試件后，擦干表面水分，進行真空保水；2)真空保水結束后，從保水機中取出試件，擦干表面水分，將試件安裝在夾具內；3)將2夾具螺絲擰緊，保證密封性，將質量濃度為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I0，之后每隔3 min記錄幾次電流值，共通電6 h。混凝土電通量評價指標見表3。

1.4.2快速氯離子遷移系數法

在試驗室澆筑150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，試驗前4 d從標準養護室中取出試塊進行鉆心取樣，鉆成直徑100±1 mm，高50±2 mm的圓柱形試件，再放入標準養護室中水養至試驗齡期。將裝有試件的橡膠套安裝到試驗槽中，安裝陽極板，在橡膠套內注入約300 ml的0.3 mol/L的NaOH溶液，陰極口中注入約12 L的質量濃度為10%的NaCl溶液，使液面與橡膠套內的NaOH溶液的液面齊平，試驗時試件兩端外加30 V電壓，通電完畢，取出試件，用壓力機將其劈裂成兩半，并在劈開的試件表面噴涂0.1 mol/L的AgNO3溶液，隨后測量氯離子的滲入深度，以此計算氯離子遷移系數。表4為混凝土氯離子遷移系數評價指標。

表3　混凝土電通量評價指標

表4　混凝土氯離子遷移系數評價指標

表5　新拌混凝土實測工作性能

2試驗結果及分析

2.1新拌混凝土實測工作性能

表5為新拌混凝土實測工作性能，包括坍落度和1 h坍落度和擴展度。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、提高混凝土流動性，復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展度提高較大，但其對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復摻外加劑體系對混凝土強度的影響

圖1為不同外加劑摻量下混凝土強度變化規律。

顯然從圖1(a)可以看出：引氣劑含量有最優摻量0.4%，此時P=8%，J=1.5%，引氣劑其他含量的抗壓強度明顯比此摻量低，混凝土強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，隨著減水劑摻量的增大，抗壓強度增大，說明抗壓強度對減水劑有比較強度依賴性；從圖1(c)可以看出，膨脹劑對混凝土強度的影響規律比較復雜，規律并不明顯。此外，圖1(a)和圖1(c)混凝土初期強度比較高，圖1(a)中混凝土3 d和7 d之間強度增長較快，7 d～28 d強度增長較為緩慢，圖1(b)摻量下混凝土后期抗壓強度增長速率較快。

通過以上復摻外加劑體系對混凝土抗壓強度影響分析可以得出：由于膨脹劑最優摻量的不確定性，當以抗壓強度作為評價指標，膨脹劑摻量對引氣劑、減水劑相容性存在不利影響，在實際配制中，引氣劑、減水劑、膨脹劑的合理摻量應以試驗進行確定，同時不同種類，不同批次的外加劑應進行化學試驗，找出預先確定的最優摻量在材料試驗指標發生變化時是否最優。

2.3復摻外加劑體系對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法(RCM)法評定混凝土的耐久性，分別測試混凝土28 d電通量和56 d氯離子遷移系數。試驗結果見表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氯離子遷移系數對比圖2　不同外加劑摻量混凝土電通量及氯離子遷移系數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氯離子遷移系數的對比。

由圖2(a)可知，電通量整體測試值偏小，這是由于外加劑的摻入可改善混凝土的孔結構和孔徑大小，使得混凝土內部空隙直徑變小、空隙率降低，從而提高耐久性。從圖2可以看出，3種外加劑復摻時單一外加劑摻量變化時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，引氣劑有最優摻量0.4%，此時28 d電通量值為625 C，P=8%，Y=0.4%時，減水劑有最優摻量1.5%，此時28 d電通量值為778 C，J=1.5%，Y=0.4%時，膨脹劑有最優摻量8%，此時28 d電通量值為581 C，J=1.5%，Y=0.4%時，電通量相比其他2種復摻體系較小，此時混凝土耐久性最好，這種外加劑摻量下的膠凝材料是3種復摻體系中顆粒最細、孔結構最優的。

2.4復摻外加劑體系機理分析

在水泥漿攪拌過程中，摻入適當摻量的減水劑，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，水泥顆粒之間產生排斥作用，這種排斥作用使水泥漿的絮凝結構被破壞，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物，改善水泥漿強度和工作性；膨脹劑的摻入產生適度膨脹，可對混凝土收縮產生補償作用，這種補償作用實際對水泥漿內部產生一定壓應力，膨脹劑的摻入還有填充毛細孔的作用，從而使得混凝土更加密實；引氣劑的摻入使混凝土內部產生一定量微小而密閉的氣泡，可以產生一定潤滑作用，改善混凝土工作性，但是，引氣劑摻入過多會導致大量氣泡產生，使得混凝土受力面變小，導致強度降低，因而必須控制引氣劑摻量。3種外加劑形成的優質的復摻體系，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性，又可以優勢互補，從而可以提高混凝土強度及耐久性。

2.5耐久性指標間的線性相關性

從圖3可知，28 d電通量和56 d氯離子遷移系數有較好的線性相關性。

圖3　不同耐久性指標之間相關性Fig.3 Correlation between different durability index

目前，電通量法和快速氯離子遷移系數法(RCM法)是國內外評定混凝土密實性能的2種主要方法，密實性能是評價耐久性的重要指標，電通量法和RCM法各有各的適用性，為了優化試驗步驟，以便在合適的條件下選取合適的評定方法，分別以28 d電通量試驗值為自變量、56 d快速氯離子遷移系數試驗值為因變量，對混凝土電通量和快速氯離子遷移系數二者關系進行了曲線擬合。

28 d電通量試驗值和56 d快速氯離子遷移系數試驗值擬合結果為：

Dc=0.033 5Qc+36.774其中：Dc為56 d氯離子遷移系數，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氯離子遷移系數的相關系數的平方為0.964 2，說明二者相關性較好，在條件受限時，可酌情使用操作較簡便的試驗指標替代。

3結論

1)3種外加劑對混凝土強度增長均有促進作用，減水劑對混凝土早期強度和后期強度影響最明顯，隨著引氣劑摻量的增加強度先降低后增加，膨脹劑摻量對混凝土強度影響較復雜，無固定規律。

2)3種外加劑復摻體系單一外加劑摻量變化時所引起的電通量變化趨勢相近，引起的28 d氯離子遷移系數變化相似，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%時混凝土耐久性是所有外加劑復摻體系中最好的。據此，減水劑最優摻量為1.5%，引氣劑最優摻量為0.4%，膨脹劑最優摻量為8%。

3)混凝土28 d電通量與56 d氯離子遷移系數二者線性相關較為明顯，所反映出的混凝土耐久性水平相當，此后在相似情況下評定混凝土耐久性時可以選測其中一種。

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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：TU528

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0654-08

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

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51268032)；長江學者和創新團隊發展計劃資助項目(IRT1139)；鐵道部科技研究開發計劃項目(2012G011-A)

收稿日期：2015-08-05