摻聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土耐久性的研究

滕可祖　王文龍

[摘要]近幾年來，隨著原先建成的基礎(chǔ)設(shè)施工程在一些環(huán)境下出現(xiàn)過早損壞，人們逐漸認(rèn)識(shí)到：過早破壞的原因不是由于強(qiáng)度不足，而是由于混凝土耐久性不良。從建筑物的“百年大計(jì)”來講，混凝土的耐久性應(yīng)比強(qiáng)度更為重要。本課題是基于企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，從解決普通混凝土力學(xué)性能和耐久性能差這一情況著手，在混凝土中同摻高性能聚羧酸減水劑和磨細(xì)礦渣粉，使新拌混凝土更均勻密實(shí)，硬化混凝土的骨料與凝膠粘結(jié)更加牢固，從而使混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)提高，最終實(shí)現(xiàn)混凝土的高性能化。對(duì)混凝土進(jìn)行力學(xué)性能、抗?jié)B性、抗侵蝕性、抗凍性試驗(yàn)，并將新配制高性能混凝土與基準(zhǔn)混凝土的耐久性進(jìn)行了全面分析。研究表明，磨細(xì)礦渣粉的使用既減少混凝土中的水泥用量，降低混凝土生產(chǎn)成本，又變廢為寶、化害為利，更大發(fā)揮高性能混凝土的優(yōu)勢(shì)，改善混凝土的工作性、耐久性和物理力學(xué)性能。取得更大的環(huán)保與技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，值得大量推廣。

[關(guān)鍵詞]聚羧酸減水劑；礦渣粉；高性能混凝土；耐久性

1.試驗(yàn)優(yōu)選配合比

為使試驗(yàn)結(jié)果更加切合生產(chǎn)實(shí)際，本文所用原材料均從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)獲取。

1.1原材料

（1）水泥 采用勝利P042.5水泥，其強(qiáng)度指標(biāo)見表1。

（2）礦渣粉 采用中鐵產(chǎn)的礦渣粉，其化學(xué)成分見表2。

（3）骨料

a.砂子采用機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.0，比重2.58，含泥量2%。

b.石子采用自產(chǎn)5mm～25mm碎石，比重2.58，含泥量2%，壓碎值11%。

（4）外加劑 采用瑞士西卡公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑（本廠一直應(yīng)用的）。

1.2高性能混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

本文配制復(fù)合摻加聚羧酸減水劑和礦渣粉的混凝土，通過測(cè)試其力學(xué)性能，確定礦渣粉在混凝土中的最佳摻量和最優(yōu)配比，進(jìn)而為進(jìn)一步通過摻人礦渣粉來配制高性能混凝土積累經(jīng)驗(yàn)，使其更好地運(yùn)用于工程實(shí)踐。復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土配合比試驗(yàn)情況見表3。

1.3試驗(yàn)結(jié)果分析

從強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果看，無論是早期強(qiáng)度還是后期強(qiáng)度，礦渣粉摻量為25%混凝土高于不摻礦渣粉的混凝土相應(yīng)齡期的強(qiáng)度。摻礦渣粉混凝土的早期強(qiáng)度隨著礦渣粉摻量的增加而降低，在礦渣粉摻量為25%時(shí)，強(qiáng)度最高，但是從塌落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果看，所有配比的混凝土均可以滿足管道需要的流動(dòng)性和粘聚性。在此試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以礦渣粉摻量為25%混凝土為基準(zhǔn)，改變聚羧酸減水劑的摻加量后進(jìn)行了大量的力學(xué)性能試驗(yàn)（分別為總膠凝材料用量的1.7%和2.2%），試驗(yàn)結(jié)果均不十分理想。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：水泥用量、水膠比及灰渣比始終是影響礦渣粉混凝土坍落度和強(qiáng)度的重要因素，砂率對(duì)混凝土的坍落度和7d強(qiáng)度影響較大，28d以后，由于礦渣粉的活性發(fā)揮主要作用，砂率對(duì)其的影響不是很大。礦渣粉微細(xì)顆粒的填充作用使集料周圍的空隙減小，使水泥漿本體結(jié)構(gòu)和界面區(qū)結(jié)構(gòu)致密，高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯提高。

1.4確定用于混凝土耐久性試驗(yàn)的配合比

通過以上試驗(yàn)，綜合考慮混凝土力學(xué)性能和流動(dòng)性相互制約因素，提出礦渣粉和聚羧酸減水劑的最佳摻量為礦渣粉摻量為25%，聚羧酸減水劑最佳摻量為2%，在此基礎(chǔ)上最終確定用于混凝土耐久性試驗(yàn)的配合比見表4。

在上述混凝土配合比中，C50表示基準(zhǔn)高強(qiáng)混凝土，H50表示高性能混凝土，C50水泥用量與H50總膠結(jié)料用量相等，聚羧酸減水劑的摻加以總膠凝材料用量為基準(zhǔn)。摻聚羧酸減水劑和活性摻和料是改進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)和性能的常用措施，它們的主要作用是改進(jìn)混凝土中水泥漿體的結(jié)構(gòu)和性能，受成型及應(yīng)用條件影響，聚羧酸減水劑和活性摻和料的摻量有嚴(yán)格限制，在實(shí)際工程中，它們的摻量一般不可能達(dá)到明顯改進(jìn)界面結(jié)構(gòu)所需摻量。

2.耐久性試驗(yàn)

2.1力學(xué)性能試驗(yàn)

混凝土抗壓強(qiáng)度始終是非常重要的指標(biāo)，而又是最容易準(zhǔn)確測(cè)量的參數(shù)，因此，本研究選用不同齡期（3 d，7 d，28 d，90 d）的抗壓強(qiáng)度作為混凝土力學(xué)性能的考核指標(biāo)。

2.1.1試驗(yàn)結(jié)果

混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

2.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

從強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果看，無論是早期強(qiáng)度還是后期強(qiáng)度，摻礦渣粉混凝土均高于不摻礦渣粉的混凝土相應(yīng)齡期的強(qiáng)度。由此可見，單從力學(xué)性能角度來看，摻礦渣粉混凝土的耐久性要高于不摻礦渣粉的混凝土的耐久性。摻人礦渣粉能較好地提高混凝土強(qiáng)度，其機(jī)理是礦渣粉在二次水化反應(yīng)中吸收大量的CH晶體，使混凝土中尤其是在界面區(qū)的CH晶粒變小變少，改善了界面粘結(jié)強(qiáng)度，由于CH被大量吸收掉，從而促進(jìn)了水化反應(yīng)速度，使摻礦渣粉混凝土的早期強(qiáng)度少受或不受影響，而后期強(qiáng)度也因礦渣粉的不斷水化使強(qiáng)度增長(zhǎng)較多。

2.1.3工程應(yīng)用

在混凝土中摻人礦渣粉具有降低混凝土水化熱的作用，高強(qiáng)混凝土通常使用硅酸鹽水泥或普通水泥，且水泥用量大，水化放熱速度快，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差超過30℃時(shí)，混凝土有開裂的危險(xiǎn)，摻入礦渣粉對(duì)控制混凝土溫升有顯著作用。此外，在混凝土中摻入聚羧酸減水劑與礦粉粉兩者相結(jié)合可使混凝土獲得高流動(dòng)性、高強(qiáng)度，還具有減少新拌混凝土用水量，改善混凝土耐久性的作用。

2.2抗凍性試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)結(jié)果

復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土與普通基準(zhǔn)混凝土的凍融試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6可見，經(jīng)過100次凍融循環(huán)之后，H50混凝土強(qiáng)度損失率很小，C50混凝土的強(qiáng)度損失率較大，經(jīng)200次凍融循環(huán)后，C50混凝土強(qiáng)度損失率明顯增大，而H50混凝土的強(qiáng)度損失率依然很小，經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，C50混凝土的強(qiáng)度損失率增大更為明顯，而H50混凝土的強(qiáng)度損失僅與C50經(jīng)過100次凍融循環(huán)之后的強(qiáng)度損失率相當(dāng)；經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，H50混凝土的質(zhì)量損失率為2.75，而C50混凝土的損失率為10.99。

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過對(duì)兩種混凝土的凍融試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較看來，在凍融循環(huán)過程中，H50混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失率均顯著低于基準(zhǔn)混凝土C50，且H50與C50各項(xiàng)損失率的差距在凍融后期更為明顯，這說明H50混凝土耐久性劣化速度小于C50混凝土。以上凍融試驗(yàn)說明，高性能混凝土采用凍融循環(huán)試驗(yàn)的方法來評(píng)價(jià)其抗凍性，周期太長(zhǎng)。由此可見，在經(jīng)過100次，200次，300次凍融循環(huán)，復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土試樣與普通基準(zhǔn)混凝土相比，其重量損失和強(qiáng)度損失均大為減少。由此足以證明復(fù)合摻礦渣粉和聚羧酸減水劑的混凝土具有較高的抗凍融耐久性。

2.2.3結(jié)論

相比于C50基準(zhǔn)混凝土，復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土可視其為具有高抗凍性的高性能混凝土。

2.3抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)

2.3.1試驗(yàn)結(jié)果

抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果見表7。

2.3.2結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明兩種類型混凝土試件隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，經(jīng)5%Na2SO4溶液侵蝕后，復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土試樣與普通基準(zhǔn)混凝土試件都發(fā)生了膨脹，抗折、抗壓強(qiáng)度均明顯降低，90d測(cè)試5%NazSO4溶液侵蝕后的基準(zhǔn)混凝土膨脹率為0.95%，復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣混凝土試樣膨脹率為0.21%，比基準(zhǔn)混凝土膨脹率小4倍，即復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣混凝土抗硫酸鹽侵蝕性比基準(zhǔn)混凝土提高4倍，90d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度損失率比基準(zhǔn)混凝土降低2倍。試驗(yàn)結(jié)果說明，在本試驗(yàn)?zāi)M條件下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣混凝土試件比普通基準(zhǔn)混凝土試件更耐腐蝕，復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣混凝土試樣比普通基準(zhǔn)混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕性能有明顯改善。

2.3.3結(jié)語

（1）基準(zhǔn)混凝土和復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土均選用了聚羧酸減水劑，使混凝土在等水膠比前提下工作性大大改善，混凝土成型更加密實(shí)；聚羧酸減水劑的減水分散作用使混凝土中孑L結(jié)構(gòu)得到改善，大孔減少，小孔增多，混凝土結(jié)構(gòu)更為致密；磨細(xì)礦渣粉的摻入能有效的改善混凝土的各項(xiàng)性能參數(shù)，提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。

（2）在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中，復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣粉混凝土的耐久性能指標(biāo)優(yōu)于普通基準(zhǔn)混凝土的耐久性能指標(biāo)。

3.課題研究結(jié)論

通過本課題的研究，可以得到以下結(jié)論和建議：（1）水膠比對(duì)混凝土性能始終是一項(xiàng)重要的影響因素。但是，在一定范圍內(nèi)，摻合料摻量對(duì)于耐久性的影響更加顯著，因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該多重視摻和料的有利作用，使其在混凝土中發(fā)揮更大的作用。（2）礦渣粉、聚羧酸減水劑和較低的水膠比能夠改善混凝土的各項(xiàng)性能參數(shù)，提高混凝土的耐久性能。（3）在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中，摻加礦渣粉的混凝土耐久性能指標(biāo)較好，說明礦渣粉對(duì)于抵制惡劣環(huán)境中的硫酸鹽侵蝕有較大的潛力。（4）采用礦渣粉取代部分水泥配制高性能混凝土，可明顯降低水泥用量，混凝土可在3 h內(nèi)保持良好的工作性能，并能降低水泥水化熱，減少收縮，避免溫度應(yīng)力及裂縫，有利于抑制堿集料反應(yīng)，提高混凝土的耐久性和抗腐蝕性能等。（5）復(fù)合摻加聚羧酸減水劑礦渣混凝土不離析，不泌水，有穩(wěn)定的表觀密度，硬化后混凝土的收縮、變形較小，溫度變形系數(shù)較小，不產(chǎn)生不均勻的變形，無非荷載作用下的有害裂縫。（6）研究摻礦渣粉的高性能混凝土，對(duì)發(fā)展綠色環(huán)保建材，實(shí)現(xiàn)水泥混凝土工業(yè)資源優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。本文通過對(duì)摻超細(xì)礦渣的高性能混凝土進(jìn)行初步試驗(yàn)研究，其成果對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工和混凝土生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。