FDN和聚羧酸系减水剂对混凝土性能的影响研究

曾榕彬，张远航

(1.重庆市市政设计研究院;2.重庆市交通规划勘察设计院)

1 引言

外加剂是现代混凝土的重要组分之一。外加剂按其主要功能不同可以分为引气剂、减水剂、缓凝剂、促凝剂、高效减水以及其他一些具有特定用途的外加剂。这些外加剂的作用包括改善工作度、提高粘结性能、防止钢筋锈蚀、提高可泵送性等。高效减水剂是一类特殊的减水剂，具有很强的减水功能。普通减水剂的减水量可达10%～15%，增加掺入量，可以调高减水效果，但会产生一些副作用，包括影响混凝土的凝结、气体含量、泌水、离析及硬化等性质。高效减水剂与普通减水剂有不同的化学特性，其减水量可达30%。高效减水剂的使用可以使混凝土具有很高的工作度，进而有助于混凝土的浇筑，或是在较低水灰比条件下有适宜的工作度，以便于高强混凝土的浇筑。

2 高效减水剂的作用机理

高效减水剂的主要成分是表面活性剂，它对新拌混凝土所起的作用也主要是表面活性作用。将高效减水剂和水一起加入搅拌，则减水剂的憎水基团会吸附在水泥颗粒表面，亲水基团会指向水溶液，从而构成了一层吸附膜;由于离子的吸附使其表面带有电荷，在带有相同电荷时，这些颗粒会相互排斥，进而防止了颗粒之间的凝聚、结块、沉淀，这样就能释放颗粒间多余的水，达到减水的目的。除此之外，减水剂对水泥颗粒还有润湿和润滑作用。当混凝土中掺入适量的高效减水剂后，只需加较少量的水就能很容易地将混凝土拌和均匀，从而显著改善混凝土的和易性能，提高混凝土早期和后期强度。

3 室内实验

3.1 实验原料

水泥选用普通硅酸盐水泥P.O32.5;砂，选用河沙，细度模数为2.65，为中砂;碎石选用人工碎石，10～30 mm碎石和20～40 mm碎石搭配使用;高效减水剂为聚羧酸系减水剂和萘磺酸盐系减水剂(FDN)。

3.2 混凝土配合比

实验采用的混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比 %

3.3 实验方法

(1)坍落度测试。

将拌和好的水泥混凝土分三层装入坍落筒内，每层装入高度稍大于筒高的1/3，用捣棒在每一层的横截面上均匀插捣25次。插捣在全部面积上进行，沿螺旋线由边缘至中心，插捣底层时插至底部，插捣其他两层时，应插透本层并插入下层约20～30 mm，插捣需垂直压下(边缘部分除外)，不得冲击。在插捣顶层时，装入的混凝土应高出坍落筒口，随插捣过程随时添加拌合物。当顶层插捣完毕后，将捣棒用锯和滚的动作，清除掉多余的混凝土，用镘刀抹平筒口，刮净筒底周围的拌合物。而后立即垂直地提起坍落筒，提筒在5～10 s内完成，并使混凝土不受横向及扭力作用。从开始装料到提出坍落度筒的整个过程应在150 s内完成。

(2)立方体抗压强度测试。

试验根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)中的规定进行混凝土抗压强度试验。采用的是100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件的抗压强度。

(3)水泥水化热性能测定。

试验根据《水泥水化热测定方法》(GB 12959-2008)中的规定进行水化热测定。

3.4 试验仪器

有混凝土搅拌机、坍落筒、万能试验机、溶解热测定仪。

4 试验数据分析

4.1 减水剂对新拌混凝土工作度的影响

工作度是新拌混凝土最重要的性质之一，但是仍没有广泛接受的方法可用于混凝土工作度的直接测定。一些较为容易的测定方法，如坍落度测定、流动度测定、维勃仪测定等，可以用于混凝土工作度的表征。在此用坍落度来表征混凝土的工作度。

坍落度越大混凝土的流动性就越好，更有利于施工操作。坍落度损失是指混凝土在搅拌好并经过一定时间后所测坍落度与其初始坍落度的差值(绝对值)。影响混凝土坍落度的因素很多，如水灰比、水泥和集料不同类型、高效减水剂对混凝土性能的影响特性以及减水剂的种类等。

由图1可知，两种减水剂随着时间的增加会出现不同程度的坍落度损失。前0.5 h内掺FDN的混凝土的坍落度损失为40%，而掺聚羧酸系减水剂的混凝土的坍落度损失仅为14%，这说明聚羧酸系减水剂的保坍性较好。原因是聚羧酸系高效减水剂有不同的活性基团，这些活性基团使水泥颗粒产生分散和流动作用，同时醚键中氧与水分子形成较强的氢键，并形成一层亲水的立体保护膜，对分散保持性有一定的作用。

4.2 减水剂对混凝土立方体抗压强度的影响

从图2中可以看出，混凝土的立方体抗压强度随着龄期不断增加，混凝土7 d的强度增加最快。由图可知，掺入FDN的混凝土与未掺减水剂的混凝土相比，3 d的强度提高1.4%;7 d的强度可提高12%;到14 d时提高18%;28 d时强度则可提高到30%时左右。这说明FDN这种减水剂对混凝土的早期强度影响不大，但是能明显提高其后期强度。掺入聚羧酸系减水剂的混凝土与未掺减水剂的混凝土相比，早期强度和后期强度均能提高30%以上。以上三种配比中，掺聚羧酸系减水剂的混凝土早期抗压强度最高，同时28 d的强度也是最高的。这说明相对于FDN来说，聚羧酸系减水剂对混凝土的早期强度和后期强度都很大的提高。

图1 掺两种减水剂混凝土坍落度的时变曲线

图2 掺两种减水剂混凝土强度随龄期的变化曲线

4.3 减水剂对水泥水化热性能的影响

由图3可知，分别掺FDN与聚羧酸系高效减水剂两种减水剂后水泥水化的温峰要比未掺减水剂的温峰要高，并且掺了减水剂的混凝土水化温峰出现的时间要比未掺减水剂的混凝土晚，这是因为减水剂分子链中的活性集团会与水化生成的离子生成不稳定络合物，从而抑制了C3A、C3S、C2S水化，从而使水化的温峰出现的较晚。减水剂能抑制水泥的水化，同时也能减小化学收缩。

图3 掺两种减水剂混凝土的水化温度的时变曲线

5 结语

(1)FDN的坍落度损失要比聚羧酸系减水剂的坍落度损失小，所以要提高混凝土的工作度，建议选用聚羧酸系这种减水剂。

(2)掺聚羧酸系高效减水剂的混凝土立方体抗压强度的早期强度和后期强度均最大;而掺FDN的混凝土的早期强度比较低，早强的效果不显著，所以要提高混凝土强度，建议选用聚羧酸系减水剂。

(3)在混凝土中加入减水剂能抑制水泥的水化，从而减少化学收缩。

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