聚羧酸減水劑摻量對混凝土性能影響研究

■丁明強

(新疆興亞工程建設有限公司，烏魯木齊 831100)

0 引言

近年來，隨著水泥混凝土的高速發展，建筑工程中對混凝土的品質和性能要求隨之提高， 普通混凝土逐漸無法滿足建筑設計要求[1-2]。聚羧酸減水劑因具有減水率高、適應性強、增強效果好等優點，逐漸成為混凝土新型高性能外加劑中極具代表之一[3-4]。 聚羧酸減水劑不僅起到低摻量高減水效果，更能提高混凝土的保坍性能，因此深入研究聚羧酸減水劑對高性能混凝土的發展具有重要意義。

目前，關于高性能混凝土工程展開了大量研究，其研究成果形成了許多規范和典籍。如馬士賓等[5]關于基于響應面的路用高性能水泥混凝土配合比進行優化研究，研究發現隨著粉煤灰和砂率的增加， 高性能混凝土28d 抗折強度出現先升高后降低的趨勢；當砂率為0.34 左右的范圍時，粉煤灰的摻量在38～42kg/m3范圍內可以得到較高的抗折強度；隨著減水劑的增加，28d 抗折強度響應值緩慢增大。 張志豪等[6]關于自密實型超高性能混凝土(UHPC)的優化設計與性能展開研究，研究發現優選的水泥粉煤灰基體在減水劑摻量為2.3%(23kg/m3) 時制備的UHPC，達到自密實混凝土的自密實性能要求；極限拉伸應變為2.5‰， 韌性指數I5、I10、I20 分別為7.1、15.6 和0.8，均符合UHPC 的力學性能指標。 趙秋等[7]關于不同鋼纖維摻量高配筋超高性能混凝土板抗彎試驗展開研究，研究發現鋼纖維摻量對HRUHPC 矩形板的開裂強度和抗彎極限強度影響顯著； 當鋼纖維摻量超過3%時，HRUHPC 板開裂后的抗彎剛度與未開裂前沒有明顯降低， 高鋼纖維摻量可以有效抑制開裂變形。 都志強等[8]關于不同外加劑摻量對噴射混凝土抗滲透性和耐久性的影響進行研究，研究發現粉煤灰、膨脹劑、減縮劑、引氣劑分別為15%、6%、1.5%和0.01%的情況下，在耐久性和抗滲透性方面的表現最佳。 上述研究主要是從混凝土配合比、材料參數和外加劑摻量等方面配制高性能混凝土，而關于聚羧酸減水劑的研究還有待進一步完善。基于此，本文深入研究聚羧酸減水劑摻量對混凝土性能的影響，通過對比試驗，最終確定聚羧酸減水劑的最佳摻量。

1 試驗方案

1.1 原材料選用

(1)水泥：試驗采用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥物理性能見表1，化學性能見表2。

表1 水泥物理力學性能

表2 水泥化學性能

(2)細集料：試驗采用由山石破碎后所得機制砂，石粉含量為2.4%，細度模數為2.8。

(3)粗集料：試驗采用石灰巖碎石，骨料粒徑為5～10mm、10～20mm，連續級配，表觀密度為2700kg/m3，針片狀含量為3.8%，，含泥量為0.2%，含水率為0.1%，壓碎指標7.4%。

(4)粉煤灰：試驗采用某廠生產的Ⅱ級灰，細度為11%，含水率為0.62%，燒失量為2.8%。

(5)減水劑：試驗采用緩釋型聚羧酸減水劑，減水劑性能指標見表3。

(6)拌合水：采用實驗室潔凈自來水。

1.2 配合比設計

(1)試驗方法

混凝土工作性能按照 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準(GB/T50080-2011)》要求進行測試；混凝土抗壓強度按照(GB/T50081-2011)要求進行測試；混凝土塑性收縮按照 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法(GB/T50082-2009)》要求進行試驗；混凝土耐磨性能按照 《公路工程水泥及水泥混凝土混凝土試驗規程JTG E30-2005》要求進行試驗。 然后通過理論計算、試件配制和調整分析， 最終確定混凝土基準配合比設計如表4 所示。

表3 聚羧酸減水劑性能指標

表4 混凝土基準配合比設計表

2 試驗結果分析

2.1 工作性能

聚羧酸減水劑的用量對混凝土的工作性能造成一定影響，通過采用控制變量法，在控制其他材料和用量不變的條件下， 分別針對聚羧酸減水劑摻量為0%、0.5%，1%和1.5%的混凝土拌合物流動性、 和易性進行對比分析，試驗結果如表5 所示。

表5 混凝土工作性能試驗結果

根據表5 可知，在不摻入聚羧酸減水劑時，混凝土拌合物的坍落度較小， 坍落度損失值較大， 和易性較差較低，在摻入少量聚羧酸減水劑后，混凝土的工作性能均得到很大提升， 說明聚羧酸減水劑的摻入對提升混凝土的工作性能具有很好效果。隨著聚羧酸減水劑摻量的增大，混凝土坍落度不斷增大， 說明增大聚羧酸減水劑摻量可以增強混凝土流動性，但摻量超過1%后，坍落度損失值會增大， 說明過大摻入聚羧酸減水劑會不利于混凝土流動性。 當聚羧酸減水劑摻量小于1%時，混凝土的粘聚性和保水性都較好，但聚羧酸減水劑摻量超過1%后，混凝土的保水性開始下降，由此可知，當聚羧酸減水劑摻量為1%時，混凝土的流動性最好、和易性最優。

2.2 抗彎拉強度

為研究聚羧酸減水劑對混凝土抗彎拉強度的影響，試驗通過制備聚羧酸減水劑摻量分別為0%、0.5%、1%和1.5%的混凝土試件，并針對齡期為7d 和28d 的混凝土試件進行抗抗彎拉強度測試，試驗結果如圖1 所示。

根據圖1 可知，在不摻入聚羧酸減水劑時，混凝土抗彎拉強度較低，在摻入少量聚羧酸減水劑后，混凝土的抗彎拉強度得到很大提升， 說明聚羧酸減水劑的摻入對提升混凝土的抗彎拉強度具有很好效果。 隨著聚羧酸減水劑摻量的增大，混凝土抗彎拉強度不斷增大，說明增大聚羧酸減水劑摻量可以增強混凝土抗彎拉強度， 但摻量超過1%后，抗彎拉強度有所下降，說明過大摻入聚羧酸減水劑會不利于混凝土抗彎拉強度。由此可知，當聚羧酸減水劑摻量為1%時，混凝土的抗彎拉強度最強。

圖1 混凝土抗彎拉強度變化曲線

2.3 抗沖擊性能

混凝土的抗沖擊性能是評價水泥混凝土耐久性的重要指標，同時也是決定混凝土路用性能的關鍵因素。為研究聚羧酸減水劑對混凝土抗沖擊性能的影響， 試驗通過制備聚羧酸減水劑摻量分別為0%、0.5%、1%和1.5%的混凝土試件，并針對齡期為7d 和28d 的混凝土試件進行抗沖擊試驗， 得到混凝土初裂和最終開裂次數如圖2 所示。

圖2 混凝土抗沖擊性能變化曲線

根據圖2 可知，無論是否摻入聚羧酸減水劑，齡期為7d 的混凝土抗沖擊性能都要遠強于齡期為28d 的混凝土，說明混凝土齡期長短對抗沖擊性能有較大影響。齡期為7d 和28d 的混凝土初裂和最終開裂次數相差不大，分析原因是在外力荷載作用下混凝土最先從內部開始被破壞， 當表面開始出現裂紋時混凝土基本達到完全破壞狀態，因此分析過程中主要以終裂次數為依據進行分析。隨著聚羧酸減水劑摻量的增大，齡期為7d 和28d 的混凝土最終開裂次數均呈先增后減趨勢變化， 當聚羧酸減水劑摻量為1%時， 齡期為7d 和28d 的混凝土終裂次數均為最大值， 說明聚羧酸減水劑對混凝土的抗沖擊性能具有較大影響。 當聚羧酸減水劑摻量小于1%時，混凝土終裂次數呈不斷增大趨勢， 說明此時增大減水劑摻量可以增強混凝土抗沖擊性能，當減水劑摻量超過1%時，混凝土終裂次數開始急劇下降， 說明過大摻入聚羧酸減水劑會導致混凝土抗沖擊性能下降。 因此為保證混凝土的抗沖擊性能，聚羧酸減水劑摻量選擇1%可以有效增強混凝土的耐久性。

2.4 耐磨性能

混凝土耐磨性是評價水泥混凝土砂漿層在長期外力和環境作用下保持完整性的重要標準。 為研究聚羧酸減水劑對混凝土耐磨性能的影響， 試驗通過制備聚羧酸減水劑摻量分別為0%、0.5%、1%和1.5%的混凝土試件，依次對試件進行磨耗轉數為30 轉和60 轉的耐磨試驗，得到混凝土單位面積質量損失如圖3 所示。

圖3 混凝土耐磨性能變化曲線

根據圖3 可知，隨著聚羧酸減水劑的增大，混凝土單位面積磨損質量呈逐漸增大趨勢變化。 當磨耗轉數為30時，未摻入聚羧酸減水劑的混凝土磨損質量最小，而摻入聚羧酸減水劑的混凝土磨損質量均較大， 分析原因是由于混凝土摻入聚羧酸減水劑后產生的氣泡經拌合后均停留在漿體表層，導致表層強度較低，而未摻入聚羧酸減水劑的混凝土表層沒有引起氣泡層， 因此混凝土磨損質量較低。 當磨耗轉數為60 時，未摻入聚羧酸減水劑的混凝土磨損質量最大， 而摻入聚羧酸減水劑的混凝土磨損質量均較小，其原因是當混凝土表層氣泡層磨損完后，混凝土內部由于摻入聚羧酸減水劑的原因耐磨性增強， 而未摻入聚羧酸減水劑的混凝土表層雖然未引起氣泡層，但內部也沒有減水劑的作用，因此混凝土磨損質量較大。由此可知， 混凝土摻入聚羧酸減水劑在前期對耐磨性能增強效果不太明顯， 但中后期對混凝土耐磨性能的提升效果比較顯著。

2.5 干燥收縮性能

混凝土干燥收縮是導致水泥混凝土路面早期出現開裂的重要原因。 為研究聚羧酸減水劑對混凝土干燥收縮性能的影響， 試驗通過制備聚羧酸減水劑摻量分別為0%、0.5%、1%和1.5%的混凝土試件， 并針對混凝土試件進行為期120d 收縮變化觀測，得到混凝土干燥收縮率如圖4 所示。

圖4 混凝土干燥收縮率變化曲線

根據圖4 可知，隨著聚羧酸減水劑的增大，混凝土干燥收縮率呈先增后減趨勢變化， 當聚羧酸減水劑摻量小于1%時，混凝土干燥收縮率隨著聚羧酸減水劑摻量的增大而變大，當聚羧酸減水劑摻量超過1%后，混凝土干燥收縮率開始急劇減小， 說明適當增大聚羧酸減水劑摻量可以提高混凝土干燥收縮率。隨著齡期的增長，不同聚羧酸減水劑摻量的混凝土干燥收縮率均呈不斷增長趨勢，當齡期由0d 增至28d 時，混凝土干燥收縮率增長趨勢較大，當齡期超過30d 后，混凝土干燥收縮率增長趨勢開始變小。由此可知，混凝土摻入聚羧酸減水劑可以提升水泥混凝土干燥收縮性能， 但聚羧酸減水劑摻量不宜超過1%，否則會導致混凝土干燥收縮性能下降。

3 結論

(1)適當的增大聚羧酸減水劑摻量，混凝土的流動性、和易性和抗彎拉強度會得到增強。 當聚羧酸減水劑摻量不宜超過1%后，混凝土的工作性能會有所下降，因此實際工程中建議減水劑摻量選擇1%為最佳。

(2)混凝土齡期越長混凝土抗沖擊性能越強，聚羧酸減水劑摻量小于1%時，增大減水劑摻量可以增強混凝土抗沖擊性能，當減水劑摻量超過1%后，混凝土抗沖擊性能急劇下降，因此聚羧酸減水劑最佳摻量為1%。

(3)混凝土摻入聚羧酸減水劑在前期對耐磨性能增強效果不明顯， 但中后期對混凝土耐磨性能的提升效果較顯著。

(4)混凝土摻入聚羧酸減水劑可以提升水泥混凝土干燥收縮性能，但聚羧酸減水劑摻量不宜超過1%，否則會導致混凝土干燥收縮性能下降。