掺不同减水剂的混凝土耐久性对比研究

■张建强 ■同济大学材料科学与工程学院，上海 200092

现代混凝土作为建筑工程领域应用最广泛的材料之一，其质量的稳定性能极大地影响建筑工程的安全性能和使用寿命，而混凝土的耐久性则是衡量混凝土结构工程质量的重要指标。混凝土耐久性是指混凝土结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，抵抗各种劣化因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力，包括抗渗、抗冻、抗碳化、抗氯离子渗透和抗裂性等内容，是一个综合性概念［1］。

在日常产品质量控制方面，主要考虑的是工程结构承载力安全性与实用性的要求，很少考虑如何提高混凝土工程的耐久性能。由于“强度作为唯一评定指标”的单一性，预拌混凝土产品在质量控制体系建设过程中，各项性能指标要求复原性不能保证，在产品生产、供应过程中，应用于工程实体的产品质量远远低于产品在前期开发设计数据，严重影响工程建设质量和工程使用寿命。本文针对高效减水剂和高性能减水剂［2-3］在混凝土中的广泛应用及其对混凝土耐久性的影响，选取萘系和聚羧酸系两种减水剂，对比研究它们对混凝土抗冻性、抗氯离子渗透性和抗裂性的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

(1)水泥为万年青P.O52.5 硅酸盐水泥，主要性能指标见表1。

表1 水泥主要性能指标

(2)粗骨料:乐平创成碎石，5～31.5mm 连续级配，表观密度为2710kg/m3，堆积密度为1560kg/m3，空隙率为42.5%，压碎值为7.6%，级配曲线见图1。

图1 乐平碎石级配曲线

(3)细骨料:细骨料采用江西本地的赣江河砂，细度模数2.8，主要性能指标见表2。

表2 细骨料的主要性能指标

(4)外加剂:江西迪特科技有限公司生产的聚酯类聚羧酸系高性能减水剂(PC-319)，固含量10%，减水率22%，推荐掺量为胶凝材料总量的0.8%～1.2%;浙江上虞生产的FDN 萘系减水剂，减水率15%，推荐掺量为胶凝材料总量的1.0%～1.5%。

1.2 试验配合比

本试验配合比见表3。

表3 掺不同减水剂混凝土的配合比

1.3 试验方法

(1)混凝土抗裂性试验。按照(GB/T 50082 -2009)《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的接触法进行测试。试验采用尺寸为800mm×600mm×100mm 的试件。

(2)混凝土抗冻性试验。按照(GB/T 50082 -2009)《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快速法进行测试。试验采用尺寸为100mm×100mm×100mm 的试件。

(3)混凝土抗氯离子渗透性能试验。按照(GB/T 50082 -2009)《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的电通量进行测试。试验尺寸为50mm 厚，100mm 直径的试件。

2 试验结果及分析

2.1 减水剂对混凝土抗冻性的影响

混凝土的抗冻性是指混凝土在饱水状态下，经受多次冻融循环作用，能保持强度和外观性的能力。试验研究采用快速冻融方法来检验掺加聚羧酸减水剂和萘系高效减水剂混凝土抗冻性，对比研究了PC -319 和FDN 两种外加剂下混凝土抗冻性能试验，试验结果见表4、5 和图2、3。

表4 冻融循环下混凝土试块的质量变化

表5 冻融循环下混凝土动弹模量的变化

从表4 和图2 可知:随着冻融次数的增加，混凝土的质量损失率逐渐增加。掺加萘系减水剂的混凝土重量损失率由50 次时的0.16%增加到200 次时的2.2%，掺加聚羧酸减水剂混凝土的重量损失率由50次时的0.12%增加到200 次时的0.51%，其重量损失增加幅度较萘系减水剂混凝土降低了76.8%，因此，掺入聚羧酸高性能减水剂PC-312的混凝土抗冻融破坏的能力更强。

从表5 和图3 可知:随着冻融次数的增加，混凝土的动弹性模量保持率逐渐降低。掺加萘系减水剂的混凝土动弹性模量保持率由50 次时的83.4%下降到200 次的54.7%，而掺聚羧酸高效减水剂混凝土的动弹性模量保持率冻融200 次后依然能达到72.1%，比掺萘系减水剂混凝土的动弹性模量保持率提高了31.8%。由此可见，掺加聚羧酸减水剂的混凝土比掺萘系减水剂混凝土具有较好的抗冻性。这主要是由于聚羧酸减水剂具有一定的引气功能，使混凝土含气量增加到4.0%～7.0%，这样引入混凝土中许多微小气泡而增加了混凝土抗冻性。因此，掺PC-312 聚羧酸高性能减水剂比FDN 萘系减水剂更能提高混凝土的抗冻融破坏性能。

图2 减水剂品种对混凝土质量损失率的影响

图3 减水剂品种对混凝土动弹模保持率的影响

2.2 减水剂对混凝土抗氯离子渗透性的影响

混凝土抗氯离子渗透性能是混凝土抵抗氯离子渗透阻止由氯离子引发的钢筋锈蚀提高混凝土结构的使用寿命。氯离子对混凝土的侵蚀主要有四种方式:(1)扩散作用;(2)毛细管作用;(3)渗透作用;(4)电化学迁移，目前主要认为渗透作用是最主要的侵蚀方式。

试验结果见表6。

表6 减水剂对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

从试验结果可知，掺聚羧酸减水剂混凝土与掺加萘系减水剂混凝土相比，其氯离子氯离子电通量降低了15%，氯离子扩散系数降低了17%，掺聚羧酸高性能减水剂有利于提高了混凝土抵抗氯离子渗透的能力。

2.3 减水剂对混凝土抗裂性的影响

混凝土裂缝会加速混凝土的开裂，不但会影响建筑物的外观和使用功能，而且会对建筑物的结构安全性和耐久性造成危害。对比研究了FDN 萘系减水剂和PC-319 聚羧酸减水剂对混凝土早期开裂性能的影响。裂缝测试方法为:试件成型后置于相对湿度为(60 ±5)%、温度为(25 ±3)℃的环境中，用放大倍数为40 倍的裂缝观测仪观测裂缝的发展。开始的时候，每隔5min 观察1 次，裂缝贯穿后，每2h 观测1次，直至12h。试验配比及结果见表7。

表7 减水剂对混凝土抗裂性能的影响

从表7 知，掺PC-319 聚羧酸减水剂混凝土的裂缝产生时间比掺萘系减水剂混凝土早46min，但其开裂面积只有使用萘系减水剂的混凝土开裂面积的80%，最大裂缝宽度比使用萘系减水剂小0.03mm。因此，掺入聚羧酸高性能减水剂有利于提高混凝土的抗裂性能，提高混凝土在服役过程中的耐久性。

3 结论及建议

(1)聚羧酸减水剂具有一定的引气功能，使混凝土中引入许多微小气泡而增加了混凝土抗冻性，故掺加聚羧酸减水剂的混凝土比掺萘系减水剂混凝土具有较好的抗冻性。

(2)掺聚羧酸减水剂混凝土与掺加萘系减水剂混凝土相比，其氯离子电通量降低了15%，氯离子扩散系数降低了17%，聚羧酸减水剂更有利于混凝土密实性的提高及混凝土孔结构和孔径分布的改善，提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

(3)相比萘系减水剂，聚羧酸系减水剂具有优异的水化热性能，混凝土的体积稳定性好、内部缺陷少，抗裂性好。

［1］卢木.混凝土耐久性研究现状和研究方向［J］.工业建筑，1997，27(5):1 -6.

［2］何廷树.混凝土外加剂［M］.西安:陕西科学技术出版社，2003∶54-65.

［3］郭延辉，郭京育.聚羧酸系高性能减水剂研究与工程应用［M］.北京:中国铁道出版社，2007∶1 -9.