復摻外加劑對混凝土強度及耐久性能影響研究

李子建

(1.河北交規院瑞志交通技術咨詢有限公司 石家莊市 050091; 2. 河北省道路結構與材料工程技術研究中心 石家莊市 050091)

0 引言

近年來，隨著混凝土技術的高速發展，外加劑已成為混凝土的主要成分之一，外加劑的摻入不僅有助于提升混凝土的性能，更為混凝土的可持續發展提供了方向。但由于外加劑種類繁多，不同類型外加劑對混凝土性能的改善效果存在一定差異，因此，如何有效利用外加劑來增強混凝土的性能仍值得當下學者進一步探究。

目前，國內外學者對外加劑在混凝土技術中的應用展開了大量研究，尚方[1]認為根據機制砂混凝土的等級要求選擇適合的外加劑和用量，可確保機制砂混凝土路用性能的穩定性。王瑞陽等[2]分析了外加劑對砂漿性能的影響規律，發現外加劑能有效增強水泥砂漿的力學性能。楊之璋等[3]分析了外加劑單摻和復摻耦合作用下對泡沫混凝土早期收縮及開裂的影響，發現外加劑的加入可以有效抑制泡沫混凝土的早期收縮和塑性開裂。劉霖艾等[4]認為外加劑的加入有助于提升混凝土拌和物的各項性能，并總結了幾種常用外加劑對混凝土性能的影響。上述研究主要集中在單摻外加劑提升混凝土性能方面的研究，而關于復摻外加劑提升混凝土性能的研究還有待進一步完善。基于此，針對減水劑和膨脹劑兩種外加劑復摻進行了研究，對比分析不同外加劑摻量對混凝土強度及耐久性能的影響，并給出了兩種外加劑的較優復摻比例。

1 原材料

(1)水泥：選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其基本性質如表1所示。

表1 水泥基本性質

(2)集料：粗集料采用石灰巖碎石，粒徑5～25mm，細集料采用天然河砂，細度模數2.7，其基本性能檢測結果如表2所示。

表2 集料基本性能

(3)礦物摻和料：采用II級粉煤灰，比表面積為418kg/m2，燒失比為6.1%，強度活性指數為92%。

(4)外加劑和水：減水劑采用聚羧酸高效減水劑，固含量38%，減水率為27.5%。膨脹劑采用MPC聚合物纖維膨脹劑，比表面積280kg/m2，堿含量0.6%，氧化鎂含量3.2%。水采用市政自來水。

2 試驗方案及配合比設計

2.1 試驗方案

(1)抗壓強度試驗：按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2016)規范要求進行混凝土抗壓強度測試，試件尺寸為100mm×100mm×100mm，折算系數取0.95，加載速度為0.5～0.8MPa/s。

(2)抗凍試驗：按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)規范要求，采用慢凍法進行混凝土抗凍性能測試，試件養護24d后，轉移至溫度為20℃±2℃的水中浸泡4d，測試試件28d的強度和質量后進行150次凍融試驗。

(3)碳化試驗：試件養護26d后，轉移至溫度為60℃的烘烤箱，烘烤2d后放入碳化箱進行碳化試驗，保持碳化箱內相對濕度為70%±5%，二氧化碳濃度為20%±3%，溫度為20℃±2℃，碳化28d后采用1%酚酞酒精溶液檢測試件碳化深度。

(4)抗硫酸鹽侵蝕試驗：試件養護26d后，轉移至溫度為80℃±5℃的烘烤箱，烘烤2d后放入干濕循環箱，侵蝕溶液采用濃度為5%Na2SO4溶液，每循環15次測試一次PH值和試件抗壓強度損失。

2.2 配合比設計

根據原材料性能指標進行混凝土配合比設計，試件固定水膠比為0.25，粉煤灰摻量為30%，減水劑摻量分別為1.1%、1.2%、1.3%和1.4%，膨脹劑摻量分別為7%、8%、9%和10%，研究在這一配合比下，復摻減水劑和膨脹劑對混凝土試件強度及耐久性能的影響規律，以確定兩種外加劑復摻條件下的合理摻量，其中減水劑摻量為1.1%的混凝土配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比設計

3 結果與分析

3.1 混凝土強度

針對不同摻量減水劑及膨脹劑對混凝土強度的影響規律進行對比分析，得到齡期28d的混凝土抗壓強度變化曲線如圖1所示。

圖1 復摻外加劑抗壓強度變化曲線

根據圖1可知，當減水劑摻量一定時，混凝土抗壓強度隨著膨脹劑摻量的增大呈先增后減趨勢變化，原因是摻入適量的膨脹劑有助于提升混凝土內部結構的密實度，但過量摻入后，膨脹作用會破壞混凝土內部結構密實性，從而導致混凝土強度有所下降，由此說明膨脹劑摻量不宜過大。當膨脹劑摻量為7%～8%時，混凝土抗壓強度隨減水劑摻量的增大呈先增后減趨勢變化，而膨脹劑摻量增至9%～10%時，混凝土抗壓強度隨減水劑摻量的增大呈先減后增趨勢變化，原因是摻入適量減水劑有助于提升水泥水化作用，但過量摻入后，混凝土內部結構會形成多余空隙，從而導致混凝土抗壓強度下降，說明減水劑摻量同樣不宜過大。綜合來看，對于復摻外加劑改善混凝土抗壓強度而言，減水劑摻量選擇1.2%、膨脹劑摻量選擇8%的混凝土力學性能相對較優。

3.2 抗凍性能

針對不同摻量減水劑及膨脹劑對混凝土抗凍性能的影響規律進行對比分析，得到混凝土質量損失率變化曲線如圖2所示。

圖2 混凝土質量損失率變化曲線

根據圖2可知，減水劑摻量不變時，混凝土的質量損失率隨著膨脹劑摻量的增大呈先減后增趨勢變化，原因是摻入適量的膨脹劑有助于降低混凝土內部結構空隙，可限制外界水流入，但過量摻入后，膨脹作用會增大混凝土內部結構空隙，導致混凝土抗凍性能有所下降。當膨脹劑摻量一定時，混凝土質量損失率隨減水劑摻量的增大呈先減后增趨勢變化，原因是摻入適量減水劑有助于減少混凝土拌和水的用量，防止凍融破壞，過量摻入后，混凝土內部結構形成的多余空隙會增大外界水的流入，從而降低了混凝土的抗凍性能，說明減水劑摻量同樣不宜過大。綜合來看，對于復摻外加劑改善混凝土抗凍性能而言，減水劑摻量選擇1.2%、膨脹劑摻量選擇8%的混凝土抗凍性能改善效果相對顯著。

3.3 抗碳化性能

針對不同摻量減水劑及膨脹劑對混凝土抗碳化性能的影響規律進行對比分析，得到碳化28d的混凝土碳化深度變化曲線如圖3所示。

圖3 復摻外加劑碳化深度變化曲線

根據圖3可知，當減水劑摻量一定時，混凝土碳化深度隨著膨脹劑摻量的增大呈先減后增趨勢變化，原因是摻入適量的膨脹劑可有效補償混凝土收縮，抑制混凝土結構產生裂縫，但隨著摻量的增大，混凝土由于膨脹作用內部結構被破壞，從而導致碳化深度逐漸增大，說明膨脹劑摻量不宜過大。當膨脹劑摻量一定時，混凝土碳化深度隨減水劑摻量的增大呈先增后減趨勢變化，原因是減水劑的摻入有助于提升水泥水化反應，增強了混凝土內部結構密實性，使得抗碳化性能逐漸增強，但后期混凝土受到CO2的侵蝕作用，導致抗碳化性能逐漸下降，說明減水劑摻量同樣不宜過大。綜合來看，減水劑摻量選擇1.2%、膨脹劑摻量選擇8%的復摻外加劑方式對于改善混凝土抗碳化性能效果相對較優。

3.4 抗硫酸鹽侵蝕性能

針對不同摻量減水劑及膨脹劑對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響規律進行對比分析，得到干濕循環60次的混凝土抗壓強度耐蝕系數變化曲線圖4。

圖4 復摻外加劑耐蝕系數變化曲線

由圖4可知，當減水劑摻量一定時，混凝土耐蝕系數隨著膨脹劑摻量的增大呈先增后減趨勢變化，原因是摻入膨脹劑的混凝土前期得到不斷補償收縮，有效抑制了結構裂縫，但隨著時間的推移，外界硫酸鹽類離子不斷侵蝕混凝土內部結構，從而降低了其抗硫酸鹽侵蝕性能。當膨脹劑摻量一定時，混凝土耐蝕系數隨減水劑摻量的增大大致呈增大趨勢變化，原因是減水劑的摻入促進了水泥的水化反應，使得內部漿體的PH值逐漸增大，有助于提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。綜合來看，減水劑摻量選擇1.2%、膨脹劑摻量選擇8%的復摻外加劑方式對于改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能效果相對較優。

4 結論

通過復摻減水劑和膨脹劑兩種外加劑，研究了混凝土力學性能及耐久性能的變化規律，得到以下主要結論：當減水劑摻量一定時，膨脹劑摻量小于8%的混凝土抗壓強度和耐蝕系數均有所增大，碳化深度和質量損失率均有所減小，改善效果明顯；而膨脹劑摻量超過8%后，對于混凝土各項性能改善效果不大，說明膨脹劑摻量選擇8%相對合理。當膨脹劑摻量一定時，減水劑摻量小于1.2%的混凝土抗壓強度和耐蝕系數均有所增大，碳化深度和質量損失率均有所減小，改善效果明顯，當減水劑摻量為1.2%時，混凝土各項性能均達到最優值。綜上，復摻外加劑中減水劑摻量選擇1.2%、膨脹劑摻量選擇8%可有效改善混凝土的力學性能和耐久性能。