聚羧酸系減水劑不同摻量對(duì)活性粉末混凝土的影響研究

摘 要：本文系統(tǒng)研究了聚羧酸系減水劑的不同摻量、不同種類以及摻合料的類型對(duì)活性粉末混凝土一系列性能的影響，包括力學(xué)性能、工作性能等。聚羧酸系減水劑一般需要經(jīng)歷放出自由水來改善活性粉末混凝土的水化過程。聚羧酸系減水劑的有效成分摻量的增加，活性粉末混凝土的流動(dòng)性、抗折和抗壓強(qiáng)度顯示出先升后降的趨勢(shì)。活性粉末混凝土在摻有早強(qiáng)型減水劑后會(huì)表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，而活性粉末混凝土在摻有緩凝型減水劑后則表現(xiàn)出更優(yōu)異的施工性，這2種減水劑在改善粉末混凝土的性能方面均有較好的緩凝效果。

關(guān)鍵詞：工作性能；水膠比；抗拉強(qiáng)度；聚羧酸減水劑；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TU375；TQ423.11+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）10-0024-04

Study on the effect of different dosages of polycarboxylic acidsuperplasticizer on active powder concrete

CHEN Yang，YANG Peng，JIAN Zheng，HU Chengpan

（China Construction Eighth Bureau First Construction Co.，Ltd.，Jinan 214000，China）

Abstract：In this paper，the effects of different dosages，different types and types of admixtures of polycarboxylicacid superplasticizers on a series of properties of active powder concrete，including mechanical properties and work?ing properties，were systematically studied. Polycarboxylic acid superplasticizers generally need to undergo the pro?cess of releasing free water to improve the hydration of active powder concrete. With the increase of the active ingre?dient content of polycarboxylic acid superplasticizer，the fluidity，flexural strength and compressive strength of ac?tive powder concrete showed a trend of first increasing and then decreasing. Reactive powder concrete mixed withearly-strength water reducing agents exhibited good mechanical properties，while reactive powder concrete mixedwith retarding water reducing agents exhibited better workability. Both types of water reducing agents have good re?tarding effects in improving the performance of powder concrete.

Key words：working performance；water cement ratio；tensile strength；polycarboxylic acid water reducing agent； mechanical properties

聚羧酸系減水劑是目前綜合性能最優(yōu)、應(yīng)用前景最好的一種高性能減水劑，有著摻量低、減水率高、產(chǎn)品穩(wěn)定性好以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在公路、橋梁、高層建筑等需要使用混凝土澆筑的領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。聚羧酸系減水劑使用量、礦物摻合料的使用量等都是影響成品混凝土性能的重要因素，以合適的材料配比可制備出高性能、高力學(xué)強(qiáng)度且體積穩(wěn)定的混凝土。活性

粉末混凝土（Reactive Powder Concrete）是在21世紀(jì)90年代研制出的一種新型建筑材料，相關(guān)資料表明，這種混凝土抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到20 MPa至50 MPa，且經(jīng)300次快速凍融循環(huán)后，試樣未受損，耐久性因子高達(dá)100%。活性粉末混凝土在工程中的應(yīng)用，可大力解決混凝土力學(xué)性能不足、體積不穩(wěn)定等問題，對(duì)于以往鋼結(jié)構(gòu)的投資高、易銹蝕等問題也是一種有效解決方法。這種混凝土通常是以水泥、鋼纖維、硅灰、石英砂、高效減水劑等為主要原材料，按照合適的配比，經(jīng)過高溫、高壓等養(yǎng)護(hù)方式制得[2]。雖然研究人員對(duì)這種混凝土中各原材料的配合比進(jìn)行了較多的試驗(yàn)，但大多試驗(yàn)結(jié)果都是制得的活性粉末混凝土水膠比較低，與普通混凝土相差無幾，攪拌和成型都相對(duì)困難。目前缺乏較為詳細(xì)的、準(zhǔn)確的關(guān)于減水劑、摻合料對(duì)活性粉末混凝土綜合性能影響的探索。

1試驗(yàn)原材料與方法

1. 1原材料

礦粉：S95級(jí)礦粉。

硅酸鹽水泥：P·O 42.5級(jí)普通硅鹽水泥

鋼纖維：綜合考慮使用長(zhǎng)度為13 mm、直徑為0.22 mm、長(zhǎng)徑比為60的鋼纖維效果最佳。

硅灰：平均粒徑0.1～0.3?m的硅灰。

石英砂和粉煤灰：堆積密度為0.7 kg/cm3，球體密度為2.5 kg/cm3。

減水劑：1號(hào)減水劑為早強(qiáng)型聚羧酸系減水劑，2號(hào)為緩凝型聚羧酸系減水劑。

各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。所用高效減水劑的均勻性指標(biāo)如表2所示，減水率為25%，用量為膠凝材料的0.8%～1.2%。

1. 2試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

本次利用單因素對(duì)比試驗(yàn)方法，將整體試驗(yàn)設(shè)定為2個(gè)組別，一組固定水膠比為0.25，所用高效減水劑的質(zhì)量組別數(shù)分別是1.00%、0.91%、1.36%和1.14%；另一組固定減水劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.14%，水膠比數(shù)值分別是0.22、0.25、0.28。在整體配合比中，除鋼纖維摻量以體積分?jǐn)?shù)表示外，其余材料以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。本試驗(yàn)采用的配合比見表3。

1. 3拌合物的養(yǎng)護(hù)與制備

依照國(guó)際活性粉末混凝土標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，投入鋼纖維、石英砂預(yù)先攪拌2.5 min后再使用單臥軸的強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)攪拌。向其中添加礦粉、硅酸鹽水泥等其余材料后再次攪拌2.5 min，過程中將水與減水劑的混合液體分2次加入，之后攪拌5 min。這種分次少量加入材料的方式可以在一些一定程度上降低鋼纖維的堆積現(xiàn)象。在混合材料攪拌完成后，先測(cè)出活性粉末混凝土的坍塌掉落程度，再測(cè)出維勃稠度和流動(dòng)程度，最后使用尺寸為100 mm的立方體模具制作混凝土模型，將模具置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2 min，注意刮除模具表面多余的混凝土，使用養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)一天之后，拆除模具繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。此次試驗(yàn)中用到的養(yǎng)護(hù)均是在相對(duì)濕度為95%，溫度18～22?的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中。

1. 4試驗(yàn)方法

1. 4. 1試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)

按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度凝結(jié)時(shí)間、用水量、安定性檢測(cè)方法》測(cè)定硅酸鹽水泥的凝結(jié)時(shí)間。流動(dòng)性測(cè)定參考《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗壓、抗折強(qiáng)度的測(cè)定[3]。

測(cè)定抗折斷[4]強(qiáng)度是利用每組3個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為40、40和160 mm的長(zhǎng)方體試件。在試件進(jìn)行完抗折斷強(qiáng)度試驗(yàn)之后，截取剩下的長(zhǎng)方體再次進(jìn)行抗壓力強(qiáng)度的試驗(yàn)。數(shù)值每組試件數(shù)據(jù)的平均值為最終抗壓的強(qiáng)度值。

1. 4. 2電鏡分析

提取混凝土試件斷裂面粒徑數(shù)值在2～5 mm的活性粉末試樣，在無水乙醇完全浸泡后停止水化再進(jìn)行低溫烘干，將樣品試件依次貼上導(dǎo)電膠后送到真空噴金試驗(yàn)臺(tái)上噴金[5]。所有程序操作完畢后將樣品放到電鏡試驗(yàn)設(shè)備里，在合適的位置與倍，數(shù)下觀察拍照。

1. 4. 3 X射線衍射分析

樣品在規(guī)范環(huán)境中養(yǎng)護(hù)一定的時(shí)間，破開樣品取出內(nèi)部碎片在瑪瑙研磨器具下研磨成粉，在密閉容具內(nèi)加入無水乙醇水化之后，在39～41?的烘箱里烘干24 h。

2結(jié)果與討論

2. 1減水劑對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響

減水劑不同摻量與種類對(duì)活性粉末混凝土的流動(dòng)性都有影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，1號(hào)減水劑在水膠比為0.18時(shí)，活性粉末混凝土的流動(dòng)性在減水劑的摻量上升的時(shí)候呈現(xiàn)先升后緩的現(xiàn)象。對(duì)比1號(hào)減水劑，2號(hào)減水劑的摻量對(duì)活性粉末混凝土的影響結(jié)果也展現(xiàn)出先升后緩的趨勢(shì)。因此，體系中存在的自由水由于減水劑的增多而被更多的釋放，流動(dòng)性提高。持續(xù)增加減水劑的摻量，這些被釋放的自由水體系會(huì)逐漸穩(wěn)定[6]；水泥顆粒表面吸附減水劑后形成了吸附層，使水泥顆粒分散。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)活性粉末混凝土到達(dá)一定的流動(dòng)性時(shí)，這2種減水劑的摻量在此時(shí)呈現(xiàn)很大差異，1號(hào)減水劑減水率達(dá)28%以上，2號(hào)減水劑的減水率達(dá)40%以上，不但因?yàn)檫@2種減水劑的類型不同，它們的固體含量也相差很大。

目前市場(chǎng)上不同廠家生產(chǎn)的減水劑（聚羧酸類）的固含量差別較大，在10%～50%浮動(dòng)。此類減水劑除了有著減水效果的成分，還存在溶解成分的水。此次試驗(yàn)選用的2種減水劑的固含量不同，通過固含量與減水劑摻量相乘得到有效含量統(tǒng)一這一變量后，1號(hào)減水劑的有效成分摻量從0.45％提升到0.9％時(shí)，流動(dòng)性也提高了140%。2號(hào)減水劑在相同的數(shù)據(jù)調(diào)整后，其流動(dòng)性變化程度只有19%。另一方面，雖然1號(hào)減水劑在有效含量改變對(duì)流動(dòng)性結(jié)果影響比2號(hào)減水劑的效果好很多，但是2號(hào)減水劑在低摻量下效果可以更快達(dá)到。

綜上所述，相比于1號(hào)減水劑，2號(hào)減水劑的減水效果更優(yōu)。減水劑的不同類型對(duì)活性粉末混凝土的流動(dòng)性有著不同的影響。在混凝土強(qiáng)度方面早強(qiáng)型減水劑[7]效果更好，但普通減水劑在保護(hù)防坍塌方面與改善流動(dòng)性方面效果更好。與普通減水劑相比，在加入初期時(shí)使用2號(hào)減水劑的混凝土的流動(dòng)性略好，坍塌掉落程度損失也更低。忽略減水劑的類型，即使類型一致，主要是其成分、化學(xué)基團(tuán)等方面的不同，對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響不同。可見，成分和固含量是選擇減水劑最關(guān)鍵的因素。因此，配置活性混凝土前，要依據(jù)不同的性能需求選用不同類型、廠家和化學(xué)成分的減水劑。

2. 2減水劑對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，減水劑[8-10]對(duì)活性粉末混凝土凝緩效果的高低與其摻量有關(guān)，摻量增加則緩凝效果更好。使用2號(hào)減水劑時(shí)混凝土的終凝時(shí)間和初凝時(shí)間都比1號(hào)減水劑要長(zhǎng)，即使2號(hào)減水劑的摻量較低時(shí)，這一對(duì)比依舊明顯。聚羧酸減水劑可緩凝水泥水化的進(jìn)程主要依靠其中的羥基、磺酸基和羧基等官能團(tuán)存在較高的緩凝作用。由于2號(hào)減水劑的官能團(tuán)數(shù)量比1號(hào)減水劑的多，因此其對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間改變更大。

2. 3減水劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

在具體的范圍內(nèi)，活性粉末混凝土抗折，抗壓強(qiáng)度跟減水劑的摻量有著正相關(guān)的趨勢(shì)。其中的原因是，一方面活性粉末混凝土通過水泥顆粒里自由水促進(jìn)水泥水化進(jìn)程，使其本身結(jié)構(gòu)更加緊實(shí)；另一方面，減水劑摻量與混凝土流動(dòng)性呈正相關(guān)，漿體可良好填充混凝土內(nèi)部孔隙。但減水劑的用量過大會(huì)對(duì)水泥水化效果產(chǎn)生影響，活性粉末混凝土基體強(qiáng)度也會(huì)收到不好的影響。

除此之外，在基體力學(xué)性能達(dá)到最大效果時(shí)1號(hào)與2號(hào)減水劑的有效成分摻量數(shù)據(jù)為0.008～0.009和0.005～0.007。在這種最佳摻量之下，2種活性粉末混凝土流動(dòng)性都超過了200 mm，施工性能達(dá)到要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)加入2號(hào)減水劑時(shí)[11-13]，活性粉末混凝土最大的抗壓強(qiáng)度在110 MPa，但加入1號(hào)減水劑時(shí)，這一數(shù)值達(dá)到123 MPa左右。經(jīng)對(duì)比可知，相對(duì)于2號(hào)緩凝型減水劑，1號(hào)早強(qiáng)型減水劑對(duì)于活性粉末混凝土的極限抗壓強(qiáng)度的優(yōu)化效果更佳。

2. 4水膠比對(duì)活性粉末混凝土工作性能的

影響

在5、6、7組中減水劑的配比占1.14%[14-15]，水膠比從0.22增大到0.28，引起活性粉末混凝土的維勃稠度從3.6 s大幅降低到0.5 s，同樣也引起了其流動(dòng)度和坍落度的大幅增加，增加幅度分別達(dá)41.4%、760%。可見，水膠比的增加對(duì)該材料性能改善程度較大。不同的水膠比數(shù)值對(duì)活性粉末混凝土綜合性能的改善程度不同。當(dāng)水膠比低于0.25時(shí)，混凝土工作性能變化較為迅速明顯，水膠比高于0.25時(shí)，這些性能指標(biāo)的變化則相對(duì)緩慢，這表明水膠比對(duì)于活性粉末混凝土工作性能[16]的影響存在一個(gè)最優(yōu)情況。水膠比的值超過最優(yōu)值時(shí)，活性粉末混凝土的工作性能不會(huì)得到持續(xù)、大幅度的改善。目前的混凝土施工大多采用泵送的方式，混凝土流動(dòng)度尤其重要。綜合來看，減水劑的摻量為1.14%，水膠比為0.25的情況下[17]，活性粉末混凝土的性能最優(yōu)。

3結(jié)語

活性粉末混凝土是一種具有良好耐久性和高力學(xué)性能的水泥基材料[18-20]。活性粉末混凝土在摻入高效的減水劑后，當(dāng)保持在較低的水膠比時(shí)，表現(xiàn)出較好的施工性能。減水劑這種外加劑的使用可明顯改善混凝土拌合物的流動(dòng)性，影響著混凝土的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。聚羧酸減水劑不但分散穩(wěn)定性良好，而且在保持流動(dòng)性、提高減水劑方面十分高效，在引氣量、坍塌掉落度以及凝膠材料適用性方面都表現(xiàn)優(yōu)異，使其快速推廣為使用率最高的減水劑之一[15]。不同摻量的聚羧酸減水劑對(duì)活性粉末混凝土性能的改善程度不一，添加量過多會(huì)使混凝土拌合物出現(xiàn)緩凝，而添加量過低又容易使得混凝土的性能不達(dá)標(biāo)。故此，通過試驗(yàn)測(cè)試選擇最佳減水劑摻量對(duì)提高活性粉末混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)具有深遠(yuǎn)意義。

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