聚羧酸復配增強組分對混凝土性能的影響

楊帆

（亳州市大興混凝土有限公司，安徽 亳州 236822）

0 前言

我國基礎設施建設對混凝土的需求居高不下，混凝土優質原材料持續緊缺，機制砂混凝土和大比例礦物摻合料成為當前混凝土生產的主要特征。北京建筑大學宋少民等學者預測混凝土將進入“大膠凝材料時代”[1]，進一步擴大了混凝土膠材的來源范圍，這同時也對混凝土質量控制提出了較高要求，使得混凝土早期強度和后期強度增長需要更多關注，也是外加劑亟待解決的新課題。

當前市場上的增強產品主要分為無機鹽類、有機醇胺類以及有機—無機復合類，但都存在混凝土的工作性能往往受影響較大，提高混凝土早期強度而忽視后期強度的問題，因此需要對當前的增強劑進行更多研究。本項目通過將幾種增強組分與聚羧酸進行復配，研究其對混凝土工作性能和強度的影響，為相關應用提供參考。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

（1）膠凝材料

水泥采用南方 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，需水比為 100%。水泥和粉煤灰的性能指標結果分別見表 1 和表 2。

表1 水泥的主要性能指標

表2 粉煤灰性能指標測試結果

（2）骨料

細骨料采用石灰石機制砂，含粉 12.2%，細度模數 2.9。石子由小石（5～10mm）和大石（10～20mm）按照一定比例組成。碎石性能指標見表 3。

表3 碎石性能指標

（3）外加劑

基準為聚羧酸高性能外加劑 Z0，浙江某外加劑廠生產；三乙醇胺（Z1）為市購，純度≥98%；納米C-S-H 晶核型早強劑（Z2）：上海某公司生產，白色粉體；硫氰酸鈉（Z3）：，市購；硫酸鈉（Z4）：工業級，純度 98% 以上。將三乙醇胺、C-S-H 晶核、硫氰酸鈉和硫酸鈉與 Z0 按質量復配，獲得相應目標樣品。其中 Zx-1～Zx-4 代表 Zx 在 Z0 中的復配比例分別為 1%、2%、3%、4%（x=1～4）。

1.2 試驗方法

（1）試驗配合比

試驗采用 C30 混凝土配合比，見表 4。

表4 C30 混凝土配合比 kg/m3

（2）混凝土工作性能

混凝土坍落度、擴展度以及時間測試參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，采用 C30 配合比，對比聚羧酸復配幾種增強組分后的混凝土工作性能。

（3）混凝土抗壓強度

混凝土抗壓強度測試按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行，成型 100mm×100mm×100mm 試塊，采用標準養護，測定混凝土設定齡期的抗壓強度。

2 試驗結果及討論

2.1 對混凝土工作性能的影響

優良的工作性能是保證混凝土順利施工、承受荷載和具有耐久性的前提。對復配增強組分后的聚羧酸減水劑對混凝土初始坍落度和坍落度損失、凝結時間等的影響進行了研究，結果見表 5。

從表 5 可以看出：（1）三乙醇胺隨著復配比例增加，混凝土初始坍落度和擴展度均有不同程度的下降，混凝土保坍能力削弱，且三乙醇胺復配比例超過 3% 時，混凝土初始流動性和坍落度保持能力降低明顯。加入三乙醇胺后混凝土粘度增加，流動性減弱，這是因為三乙醇胺提高了 C3A 和 C4AF 的溶解速率，致使與石膏的反應速度加快[2]，水化硫鋁酸鈣量增多，使得混凝土自由水量降低，混凝土粘度有所增加。由于三乙醇胺增加了水泥礦物相的溶解，消耗了自由水，使得混凝土凝結時間有所降低。尹壽生[3]在研究中得到相似的結論。

表5 聚羧酸復配增強組分對混凝土工作性能的影響

（2）C-S-H 納米晶核型早強劑同樣隨摻量增加，混凝土初始工作性能下降，混凝土經時保坍能力下降，但其對混凝土工作性能的負面影響弱于三乙醇胺。C-S-H 納米晶核能夠發揮其尺寸效應，促進水泥早期水化，加快水泥漿體結構搭建、降低混凝土塑性[4]。C-S-H 納米晶核早強劑能縮短混凝土凝結時間，但其影響相比三乙醇胺較小。

（3）有研究表明硫氰酸鈉作為混凝土早強劑可以增加水泥水化產物數量，降低水泥漿體孔隙率。本項目中硫氰酸鈉復配摻量從 0% 增加至 4%，混凝土初始擴展度降低 5.3%，混凝土經時坍損也相對較小。硫氰酸鈉加入前后混凝土凝結時間相差不大，有研究認為硫氰酸鈉對于 5℃ 以下混凝土早強及促進水泥水化速率相對明顯[5]，在測試環境中混凝土凝結時間影響較小。

（4）當硫酸鈉與聚羧酸復配時，受復配比例影響較大。當硫酸鈉摻比在 2% 以下時，混凝土初始流動性和保坍能力影響相對較小，但硫酸鈉復配比例增加時，混凝土流動性和坍落度損失加快。這是因為硫酸鹽能夠快速置換出混凝土中的 Ca2+，使得混凝土堿度上升，水泥水化加快，使得聚羧酸的保坍能力下降。

（5）復配各增強組分的聚羧酸減水劑對混凝土的凝結時間影響均較小。

2.2 對混凝土強度的影響

目前的增強組分主要集中在混凝土早期強度提升方面，對混凝土強度持續提升作用較小甚至強度出現負增長，因此保持混凝土強度增長的連續性顯得尤為必要。研究了 Z1、Z2、Z3、Z4 復配聚羧酸后的混凝土抗壓強度結果，見表 6、圖 1。

表6 增強劑復配聚羧酸后對混凝土強度的影響

圖1 聚羧酸復配增強組分對混凝土強度的影響

從表 6 和圖 1 可知：

（1）混凝土 1d 抗壓強度都隨幾種增強劑復配摻量增加而增加，但又由增強劑種類而出現差異，三乙醇胺對混凝土 1d 強度增長作用強于其他幾種增強劑，這可能是因為三乙醇胺促進水泥水化能力更強，使得水泥早期水化反應速率提高，從而為混凝土貢獻較高的強度。

（2）對于混凝土 3d 抗壓強度，幾種增強劑的加入有利于混凝土強度增長，且三乙醇胺在復配摻量 2% 以下時，強度增長優于其他幾種增強劑，當其摻量高于 2% 時，聚羧酸復配硫酸鈉后表現出了比較優勢，增長幅度最快。

（3）隨著齡期的增長，三乙醇胺的持續增長乏力，復配三乙醇胺后的混凝土 7d 強度在達到 3% 后出現下降，硫酸鈉增長趨勢與三乙醇胺趨同，硫氰酸鈉對于混凝土 7d 抗壓強度增長較為有利。C-S-H 納米晶核早強劑在混凝土 28d 強度增長表現出后發優勢。而對于復配三乙醇胺、硫氰酸鈉、硫酸鈉的聚羧酸減水劑，混凝土 28d 強度在復配用量超過 1% 后出現倒縮。這可能是由于這些早強組分加速水泥早期水化，生成較多不穩定水化產物，導致混凝土孔隙率和微裂紋等內部缺陷增多，對混凝土后期強度造成了負面影響。

從混凝土強度的試驗結果看，三乙醇胺和硫氰酸鈉提高混凝土 7d 以前齡期強度效果較為明顯，納米 C-S-H 晶核對混凝土具有持續增強的效果，尤其對于混凝土 28d 強度增長較為明顯。

3 結論

（1）聚羧酸復配不同增強組分對混凝土工作性能影響不同，三乙醇胺增多會降低混凝土初始坍落度，削弱保坍能力，凝結時間也縮短。C-S-H 納米晶核型早強劑、硫氰酸鈉和硫酸鈉隨復配比例增加，混凝土工作性能下降弱于三乙醇胺，對混凝土凝結時間影響較小。

（2）幾種增強劑均能持續提高聚羧酸混凝土 1d 和 3d 強度，但混凝土 7d 和 28d 抗壓強度因增強劑種類不同而表現出差異性。摻入納米 C-S-H 晶核增強劑的混凝土強度各齡期持續增長，但三乙醇胺、硫氰酸鈉和硫酸鈉復配比例超過 1% 后，混凝土 28d 強度出現峰值回落，甚至強度出現負增長。

（3）在使用增強劑復配中，要根據增強劑種類確定比例，確保混凝土各齡期強度持續增長。