增效劑對混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的試驗研究

王海濤，張峰，賈雷，徐錦富，劉子香

（1. 天津市飛龍砼外加劑有限公司，天津 300400；2. 天津市美城商品混凝土有限公司，天津 300304）

0 前言

隨著建筑業的迅速發展，作為需求量較大的建筑材料之一，混凝土的使用和發展備受關注。在保證混凝土使用質量的情況下如何降低其生產成本，是混凝土行業所面臨的首要任務。研究表明，混凝土中有超過 20%的水泥不能充分進行水化反應，只起到填充作用，因而對于未水化水泥是一種浪費，不能充分發揮其作用。由于常用減水劑與水泥作用機理的局限性，當減水劑摻加到一定量時，對混凝土不再發揮減水作用，導致難以保障其經濟效益。如何在保證經濟效益的前提下，使剩余20% 的水泥發揮作用，是目前混凝土行業所面臨的重點難題與考驗。

由于京津冀的快速發展，造成混凝土原材料供應緊張且原材料品質也有所下降，公司研發團隊近幾年針對京津冀混凝土原材料的現狀做了大量深入研究，研發出 JFL-W310 型混凝土增效劑，該產品是一種區別于混凝土減水劑的新型混凝土外加劑，通過超強穩泡官能團及懸浮顆粒基團合成技術，并根據京津冀現場復雜多變的材料，不斷優化產品體系，其中多種有機和無機離子的協同增溶作用通過對水泥顆粒的優先和持續的吸附，減少了水泥顆粒對聚羧酸減水劑的吸附，并維持了液相中減水劑的濃度，并有效地控制了混凝土的坍落度損失和保證了混凝土力學性能。其形態多為無色、淺黃或淺褐色半透明液體，且不含氯離子、無堿，少量減水和引氣，其主要特點是在同水膠比大坍落情況下能有效改善和提升混凝土的工作性能，緩解高層泵送困難的問題，并且在同水膠比下促進水泥顆粒的充分水化，達到相同強度時能減少 10%～15% 的水泥用量。該產品通過天津建材協會組織的專家組審察及權威檢測機構的檢驗，且公司通過提供強有力的技術支持和服務，使該產品成功應用在天津及周邊城市工民建、市政路橋及城市地鐵軌道交通工程中，大大提升了當地混凝土企業在國內混凝土市場的競爭能力，有效地節約了社會資源。

1 原材料情況及混凝土試驗用配合比

1.1 原材料選用情況

選用京津冀地區市場占有率高且有代表性的三家水泥：冀東 P·O42.5 水泥、金隅振興 P·O42.5 水泥、唐山圣龍 P·O42.5 水泥。

礦粉：天鋼 S95 級礦粉。

粉煤灰：天津軍電Ⅱ級粉煤灰。

天津飛龍 JFL-2C 型聚羧酸高性能減水劑（緩凝型）。

天津飛龍 JFL-W310 混凝土增效劑。

碎石：連續級配 5～25mm 碎石。

河砂：細度模數 2.6，Ⅱ 區中砂，綏中砂。

水：自來水。

1.2 試驗方案

基準配合比與加增效劑每方降低 20kg 水泥及在基準配合比基礎上直接加入增效劑后（見表 1），對新拌混凝土的工作性（見表 2）及硬化混凝土的力學性能（見表 3）、耐久性能（見表 4）的綜合考察。

混凝土拌合物性能對比試驗按照現行標準 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行檢測；力學性能按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對設計的摻加和不摻加增效劑的基準配合比進行力學性能測試對比試驗；耐久性能按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》快速評價混凝土抵抗氯離子滲透的能力。

耐久性檢測部分設備見圖 1 和圖 2。圖 1 為 PDR 快速凍融循環試驗機，圖 2 為 FDW-Ⅱ-8 電通量智能測定儀。

表 1 采用不同水泥加增效劑與基準混凝土試驗配合比

表 2 基準配合比與摻增效劑混凝土拌合物性能

圖 1 凍融循環試驗機

圖 2 電通量智能測定儀

2 混凝土工作性能、力學性能及耐久性能試驗結果

2.1 混凝土拌合物性能

新拌混凝土工作性的好壞直接影響到工程中下一道工序的開展，只有混凝土拌合物滿足了工作性能滿足要求，混凝土的后期力學性能、耐久性能才能得以保障。結合商品混凝土攪拌站工地路程的實際情況，本文加增效劑后對混凝土工作性能的判定主要為新拌混凝土出機的和易性、粘聚性、保水性，并通過坍落度、擴展度的經時損失保留值等具體檢測數值來進行綜合評判，試驗結果見表 2。

由表 2 可以看出，針對三種不同廠家的水泥，加增效劑后每方降低 20kg 水泥后，混凝土出機工作性能與基準相差不大，在保持基準配合比膠材總量不變的情況下，對混凝土的出機工作性改善較為明顯，表現為混凝土增加了流速的同時，混凝土的和易性、粘聚性也有所改善，1.5h 經時損失坍落度保留值改善較為明顯；出機含氣量略微有所提高，針對部分水泥相較于基準配合比含氣量損失變小；混凝土凝結時間因不同水泥自身水化熱的不同加增效劑后與基準配合比相比無明顯變化；增加增效劑增加流動性的同時泌水率沒有太大變化。

2.2 混凝土力學性能

混凝土力學性能檢測從混凝土抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、靜力受壓彈性模量等檢測項目進行考察；混凝土結構設計是以混凝土抗壓強度（混凝土強度等級）為依據，其他的力學性能指標如劈拉強度、抗折強度、靜力受壓彈性模量等，是根據混凝土抗壓強度按照結構性能評定過程中，特別是對火災后結構混凝土的性能評定有時需要這些參數的實測值，本文主要從以上幾方面檢測指標綜合進行評判摻入增效劑后對混凝土力學性能的影響。試驗結果見表 3。

由表 3 數據可以看出，增效劑摻量為膠凝材料0.6% 時，每方降低 20kg 水泥后與基準配合比相比力學性能各項指標相差不大；同膠材試驗結果表明，增加增效劑后混凝土與基準配合比相比，其 3d、7d 早期強度略有所提高，提高幅度不大，28d、56d 后期強度同條件下提高近 2.5～4.5MPa；其他力學性能軸壓強度和靜彈性模量指標無明顯差距。早期及后期抗壓強度結果如圖 3 所示。

表 3 摻加增效劑混凝土力學性能

一般，混凝土拉壓比隨著強度等級的提高而逐漸減小，特別是普通混凝土的拉壓比降幅隨著強度等級升高而加大。通過本輪力學性能試驗發現，加了增效劑后拉壓比相比總體上有小幅度提高，近 1.2%～1.9%，分析其原因，可能是由于增效劑含有較強的極性基團，可以使混凝土內部的微電場分布更加均勻，增加了膠凝材料與骨料間的粘結力，使混凝土受壓和受拉破壞形態上有輕微改善，保持了混凝土的整體穩定性，表現出良好的延展性，有利于改善混凝土的劈拉抗拉性能；同時因增效劑的聚合度大，也使混凝土的抗裂性能提高，從而提高了拉壓比。結果如圖 4 所示。

圖 3 加增效劑與基準配合比強度對比結果

圖 4 后期拉壓比試驗結果圖

2.3 混凝土耐久性

混凝土的抗滲性被認為是評價混凝土耐久性的重要指標。采用 ASTM C1202 快速試驗方法測得的電量反映了混凝土的抗離子的滲透性能。

京津冀地處華北地區，特別是天津地區工程類別中又以水工、港工、路橋較為突出，因此，根據不同環境作用等級的要求通過對混凝土配比的優化設計和混凝土原材料的選擇來提高混凝土凍融耐久性的指標尤為重要；混凝土所處環境凡是有正負溫交替、混凝土內部含有較多水的情況，混凝土都會發生凍融循環，以至疲勞破壞。因此，混凝土的抗凍融性能是混凝土耐久性的最具代表性的指標，為此，國內外眾多學者在混凝土凍融性能上，從宏觀到亞微觀（氣泡參數等）均做了大量的研究，制定了混凝土建筑物在不同環境運行條件下的抗凍耐久性設計要求。

海岸工程和近海工程，由于受到海水和鹽霧的物理和化學作用，鋼筋混凝土遭受腐蝕破壞的嚴重程度一般要比內地的建筑物嚴重，化學作用主要包括海水中的硫酸鹽、鎂鹽及氯鹽等腐蝕性介質對混凝土的侵蝕；物理作用包括反復干濕作用的鹽結晶壓力等。以天津大港地區為例，其鹽土土壤中含有多種硫酸鹽，硫酸根離子（SO42-）含量為 0.28%，其對混凝土的腐蝕屬于硫酸鹽腐蝕；鹽土土壤中氯離子含量為 2.62%，容易使鋼筋出現“坑蝕”現象，另外土壤中還存在其他的腐蝕介質。本文結合天津地區的特殊環境作用條件，從電通量、凍融循環、抗硫酸鹽耐蝕等幾項指標來綜合評價增加增效劑后對混凝土耐久性的影響。試驗結果見表 4。

表 4 摻加增效劑混凝土耐久性能

按照混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗的規范要求，硫酸鹽侵蝕時間 t 時間后，當試件抗折強度低于初始抗折強度80% 時，可以認定該混凝土的耐久性喪失。

由表 4 檢測數據得出，加入增效劑后混凝土 56d電通量均有所下降（圖 5），電通量檢測指標均小于800C，滿足環境作用等級 E 級 100 年使用年限級別標準要求；由試驗數據得出，在使用聚羧酸高性能減水劑的基礎上加入增效劑后兩者具有協同效應，混凝土耐蝕系數也有所提高，均達到設計指標＞0.8% 的要求；因混凝土增效劑自身不含堿和氯離子，最終混凝土的總堿量和氯離子含量與基準相比沒有明顯變化，JFL- W301增效劑產品在地鐵工程應用中混凝土氯離子含量現場抽檢均能滿足設計指標要求。

圖 5 增效劑對不同水泥電通量試驗結果

3 試驗結論

結合 JFL-W310 混凝土增效劑在工程中的應用并通過對該產品對混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的試驗結果可以得出以下結論：

（1）增效劑的使用能提升新拌混凝土性能，改善和易性，減少泌水，泵送摩阻小，可應用于現代建筑的高層及超高層泵送。

（2）最大限度地激發減水劑及分散膠凝材料，可以使混凝土內部的微電場分布更加均勻，增加了膠凝材料與骨料間的粘結力，使混凝土受壓和受拉破壞形態上有輕微改善，改善了混凝土的力學性能。

（3）因增效劑有輕微的引氣作用，對混凝土含氣量的提高及氣泡參數的改變，提高了混凝土的抗凍融能力；密實性增強，提高混凝土抗滲性。

（4）節能減排降耗。結合混凝土原材料的品質和各站管理和實際控制能力情況，經過現場試配可減少水泥使用量 10%～15%，可保持或超過基準強度；綠色環保產品，無毒、無污染，屬綠色環保建材。