复掺外加剂体系对低水胶比混凝土强度及耐久性影响试验研究

杜迎东,王起才,张戎令, 惠兵, 郑建锋, 刘少龙

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070;2.中铁二十一局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710065)



复掺外加剂体系对低水胶比混凝土强度及耐久性影响试验研究

杜迎东1,王起才1,张戎令1, 惠兵2, 郑建锋2, 刘少龙2

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070;2.中铁二十一局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710065)

摘要:对低水胶比(mW/mB=0.3)复掺外加剂体系(膨胀剂、减水剂、引气剂)拌制的混凝土进行强度及耐久性正交试验，分析了不同掺量对新拌混凝土工作性、混凝土强度及耐久性的影响规律，基于电通量法和快速氯离子迁移系数法(RCM法)评定混凝土的耐久性，给出各外加剂的最优掺量。结果表明：外加剂复掺体系所引起的电通量及氯离子迁移系数变化趋势相近，耐久性变化均随着外加剂掺量的增加先变好后变差，在此配合比下，JS=1.5%，YQ=0.4%，PZ=8%时混凝土耐久性最好；3种外加剂对混凝土的强度增长均有促进的作用，其中减水剂对混凝土早期强度和后期强度影响最明显；随着引气剂掺量的增加，强度先降低后增加；膨胀剂掺量对混凝土强度影响无固定规律。鉴于试验选用地材及配合比等的局限性，本研究仅为后续类似研究提供参考。

关键词：复掺外加剂；最优掺量；强度及耐久性

随着国家可持续发展战略的实施，人们对混凝土强度及耐久性的重视程度越来越高，混凝土的抗压强度和弹性模量等宏观性能受其水灰比、胶凝材料性能、外加剂性能和集料性能等多方面因素影响[1-5]，混凝土的耐久性涉及2个方面[6-8]：一是引起破坏的作用力或破坏力，另一个是材料本身对破坏力的抵抗力，2种对抗力的结果决定了混凝土的耐久性。近年来，国内外很多工程在未达到混凝土设计使用年限便宣告破坏，其很大程度是由于混凝土耐久性差所致[9-11]。为改善混凝土耐久性，通常掺入适当比例的外加剂，外加剂的掺入可以改善混凝土的孔结构进而改善其耐久性[12-13]。掺入膨胀剂不仅可以明显改善混凝土的收缩，而且由于微膨胀作用使得处于限制状态下的混凝土的密实性得以提高，进而其耐久性得以提高[14]，混凝土的体积膨胀与其强度发展也是相互关联的，即水化产物形成的骨架对膨胀产生“内约束作用”，只有膨胀产物和其他水化产物匹配增长，膨胀和强度协调发展，才能促进膨胀剂的膨胀效能的发挥[15]，因此一般掺入适当的外加剂，如膨胀剂、减水剂、引气剂形成复掺外加剂体系来满足其强度耐久性要求。密实性是评定混凝土耐久性的一个指标，目前被广泛认可的评定混凝土耐久性(密实性)的方法有电通量法和快速氯离子迁移系数法(RCM法)[16-17]。为既能有效评定混凝土的耐久性，又能缩短试验时间、降低人为因素的影响，许多学者对影响混凝土耐久性的因素做了系统的研究，张戎令[14]通过膨胀剂、减水剂、引气剂复掺外加剂体系不同种类、不同掺量研究其对高性能混凝土强度、弹性模量及收缩性能的影响，冯仲伟[16]研究粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉、硅灰等矿物掺合料对自密实混凝土耐久性的影响，冯仲伟[17]研究水灰比、单位立方米水泥用量以及矿渣粉掺量变化时，混凝土的电通量及氯离子渗透系数的相关性，于本田[18]研究矿物掺合料掺量，砂的粗细程度，石子表面特征，环境条件，养护方法对混凝土抗氯离子渗透性能的影响，本文在文献[12]的基础上，研究复掺外加剂体系对混凝土强度和耐久性的影响，以期找到合适的配合比，用于指导配制。

1试验准备

1.1材料

水泥：采用甘肃祁连山水泥集团股份有限公司生产的PO42.5普通硅酸盐水泥；矿粉：采用兰州中泰信达建材有限公司生产的S95矿粉；粉煤灰：采用兰州万科源商贸有限公司生产的I级粉煤灰；砂：采用兰州地区天然河砂，表观密度2 650 kg/m3，松散堆积密度1 550 kg/m3，紧密堆积密度1 640 kg/m3，细度模数为2.5；石子：采用兰州地区碎石，粒径5～31.5 mm；减水剂：采用江苏博特新材料有限公司生产的缓凝型聚羧酸减水剂，减水率为26.5%，泌水率6.2%，含气量2.8%，28d抗压强度提高155%；引气剂：采用上海馨扬实业发展有限公司生产的JDU-1型高性能混凝土引气剂，减水率7.8%，泌水率50%，含气量6%，28 d抗压强度提高95%；膨胀剂：采用河南建龙混凝土外加剂有限公司生产的MPC聚合物纤维膨胀剂，氧化镁含量3.6%，总碱含量0.59%，氯离子含量0.008%，比表面积310 m2/kg。材料实测性能指标见表1。

1.2试验方案

根据材料试验指标进行混凝土配合比设计，见表2。试验以一固定低水胶比(0.30)为例，配制出强度C55混凝土，研究在这一配合比下，在膨胀剂、减水剂和引气剂3种外加剂复掺情形下的混凝土强度及耐久性变化规律，膨胀剂掺量分别为6%，7%，8%，9%和10%，减水剂掺量分别为1.2%，1.4%，1.6%，1.8%和2.0%，引气剂掺量为0.2%，0.3%，0.4%，0.5%和0.6%。试验中将其他2种外加剂掺量固定，改变另一外加剂掺量，设计正交试验[19]分析这一外加剂掺量不同时及与另外两种加剂掺量复掺时，对高性能混凝土强度耐久性能性能的影响，由此确定复掺外加剂体系中各外加剂合理掺量。对混凝土耐久性的评价采用电通量法和快速氯离子迁移系数法(RCM法)。

表1　材料实测性能指标

表2　混凝土配合比设计

注：表中PZ代表膨胀剂，JS代表减水剂，YQ代表引气剂。

1.3混凝土搅拌工艺

试验在室内进行，采用SJD-30L单轴卧式强制式搅拌机，依次投入石子和砂拌合30 s，使砂石均匀混合，然后投入胶凝材料搅拌30 s，使砂和石子被胶凝材料充分包围，最后将减水剂和水的混合液加入搅拌机搅拌120 s。

1.4耐久性评定方法

依据文献[20]进行混凝土电通量及氯离子迁移系数试验。

1.4.1电通量法

采用ASTM C2012直流电量法测试混凝土电通量值，将尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试件钻心取样，制成直径100±1 mm，高50±2 mm的圆柱形试块，试样方法如下：1)把试件在标准养护室养护至28 d，取出试件后，擦干表面水分，进行真空保水；2)真空保水结束后，从保水机中取出试件，擦干表面水分，将试件安装在夹具内；3)将2夹具螺丝拧紧，保证密封性，将质量浓度为3%的NaCl溶液和浓度为0.3 mol/L的NaOH溶液分别诸如阴极和阳极夹具中；4)接通60 V直流电源，记录电流初始读数I0，之后每隔3 min记录几次电流值，共通电6 h。混凝土电通量评价指标见表3。

1.4.2快速氯离子迁移系数法

在试验室浇筑150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，试验前4 d从标准养护室中取出试块进行钻心取样，钻成直径100±1 mm，高50±2 mm的圆柱形试件，再放入标准养护室中水养至试验龄期。将装有试件的橡胶套安装到试验槽中，安装阳极板，在橡胶套内注入约300 ml的0.3 mol/L的NaOH溶液，阴极口中注入约12 L的质量浓度为10%的NaCl溶液，使液面与橡胶套内的NaOH溶液的液面齐平，试验时试件两端外加30 V电压，通电完毕，取出试件，用压力机将其劈裂成两半，并在劈开的试件表面喷涂0.1 mol/L的AgNO3溶液，随后测量氯离子的渗入深度，以此计算氯离子迁移系数。表4为混凝土氯离子迁移系数评价指标。

表3　混凝土电通量评价指标

表4　混凝土氯离子迁移系数评价指标

表5　新拌混凝土实测工作性能

2试验结果及分析

2.1新拌混凝土实测工作性能

表5为新拌混凝土实测工作性能，包括坍落度和1 h坍落度和扩展度。从表5可以看出，减水剂的掺入使得新拌混凝土的初始坍落度增加、提高混凝土流动性，复掺外加剂体系中掺入减水剂的1～5组及11～15组1 h坍落度较大，其保坍性较好；随着膨胀剂掺量的增加使得新拌混凝土扩展度提高较大，但其对混凝土坍落度的改善无明显影响；随着引气剂掺量的增加，坍落度随之增加。

2.2复掺外加剂体系对混凝土强度的影响

图1为不同外加剂掺量下混凝土强度变化规律。

显然从图1(a)可以看出：引气剂含量有最优掺量0.4%，此时P=8%，J=1.5%，引气剂其他含量的抗压强度明显比此掺量低，混凝土强度并未随引气剂掺量增加而增加；从图1(b)可以看出，在P=8%，Y=0.4%时，随着减水剂掺量的增大，抗压强度增大，说明抗压强度对减水剂有比较强度依赖性；从图1(c)可以看出，膨胀剂对混凝土强度的影响规律比较复杂，规律并不明显。此外，图1(a)和图1(c)混凝土初期强度比较高，图1(a)中混凝土3 d和7 d之间强度增长较快，7 d～28 d强度增长较为缓慢，图1(b)掺量下混凝土后期抗压强度增长速率较快。

通过以上复掺外加剂体系对混凝土抗压强度影响分析可以得出：由于膨胀剂最优掺量的不确定性，当以抗压强度作为评价指标，膨胀剂掺量对引气剂、减水剂相容性存在不利影响，在实际配制中，引气剂、减水剂、膨胀剂的合理掺量应以试验进行确定，同时不同种类，不同批次的外加剂应进行化学试验，找出预先确定的最优掺量在材料试验指标发生变化时是否最优。

2.3复掺外加剂体系对混凝土耐久性的影响

在膨胀剂、减水剂和引气剂中，保持其余2种外加剂掺量一定，改变另外一种外加剂掺量，分析其掺量变化对混凝土混凝土耐久性的影响，采用电通量法和快速氯离子迁移系数法(RCM)法评定混凝土的耐久性，分别测试混凝土28 d电通量和56 d氯离子迁移系数。试验结果见表6。

(a)P=8%，J=1.5%，Y分别为0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%；(b)P=8%，Y=0.4%，J分别为1.2%，1.4%，1.5%，1.6%，1.8%；(c)J=1.5%，Y=0.4%，P分别为6%，7%，8%，9%，10%图1　不同外加剂掺量下混凝土强度变化Fig.1 Strength changes with different admixture content of concrete

(a)3组配合比混凝土28 d电通量；(b)56 d氯离子迁移系数对比图2　不同外加剂掺量混凝土电通量及氯离子迁移系数Fig.2 Strength changes with different admixture content of concrete

图2(a)和图2(b)分别为3组配合比混凝土28 d电通量及56 d氯离子迁移系数的对比。

由图2(a)可知，电通量整体测试值偏小，这是由于外加剂的掺入可改善混凝土的孔结构和孔径大小，使得混凝土内部空隙直径变小、空隙率降低，从而提高耐久性。从图2可以看出，3种外加剂复掺时单一外加剂掺量变化时所引起的电通量变化，引起的28 d电通量和56 d氯离子迁移系数变化相近，耐久性的变化均随着外加剂的掺量先变好后变差。J=1.5%，Y=0.4%，P=8%时混凝土耐久性能是所有外加剂配合比中最好的。P=8%，J=1.5%时，引气剂有最优掺量0.4%，此时28 d电通量值为625 C，P=8%，Y=0.4%时，减水剂有最优掺量1.5%，此时28 d电通量值为778 C，J=1.5%，Y=0.4%时，膨胀剂有最优掺量8%，此时28 d电通量值为581 C，J=1.5%，Y=0.4%时，电通量相比其他2种复掺体系较小，此时混凝土耐久性最好，这种外加剂掺量下的胶凝材料是3种复掺体系中颗粒最细、孔结构最优的。

2.4复掺外加剂体系机理分析

在水泥浆搅拌过程中，掺入适当掺量的减水剂，可使减水剂分子定向附着于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带同种电荷，水泥颗粒之间产生排斥作用，这种排斥作用使水泥浆的絮凝结构被破坏，被水泥颗粒包裹着的水被释放出来，从而加速水泥水化形成致密水化产物，改善水泥浆强度和工作性；膨胀剂的掺入产生适度膨胀，可对混凝土收缩产生补偿作用，这种补偿作用实际对水泥浆内部产生一定压应力，膨胀剂的掺入还有填充毛细孔的作用，从而使得混凝土更加密实；引气剂的掺入使混凝土内部产生一定量微小而密闭的气泡，可以产生一定润滑作用，改善混凝土工作性，但是，引气剂掺入过多会导致大量气泡产生，使得混凝土受力面变小，导致强度降低，因而必须控制引气剂掺量。3种外加剂形成的优质的复掺体系，例如减水剂掺量1.5%，膨胀剂掺量8%，引气剂掺量0.4%，既可以提高混凝土流动性，又可以优势互补，从而可以提高混凝土强度及耐久性。

2.5耐久性指标间的线性相关性

从图3可知，28 d电通量和56 d氯离子迁移系数有较好的线性相关性。

图3　不同耐久性指标之间相关性Fig.3 Correlation between different durability index

目前，电通量法和快速氯离子迁移系数法(RCM法)是国内外评定混凝土密实性能的2种主要方法，密实性能是评价耐久性的重要指标，电通量法和RCM法各有各的适用性，为了优化试验步骤，以便在合适的条件下选取合适的评定方法，分别以28 d电通量试验值为自变量、56 d快速氯离子迁移系数试验值为因变量，对混凝土电通量和快速氯离子迁移系数二者关系进行了曲线拟合。

28 d电通量试验值和56 d快速氯离子迁移系数试验值拟合结果为：

Dc=0.033 5Qc+36.774其中：Dc为56 d氯离子迁移系数，10～14 m2/s；Qc为28 d电通量，C。

由图3可知，28 d电通量与56 d氯离子迁移系数的相关系数的平方为0.964 2，说明二者相关性较好，在条件受限时，可酌情使用操作较简便的试验指标替代。

3结论

1)3种外加剂对混凝土强度增长均有促进作用，减水剂对混凝土早期强度和后期强度影响最明显，随着引气剂掺量的增加强度先降低后增加，膨胀剂掺量对混凝土强度影响较复杂，无固定规律。

2)3种外加剂复掺体系单一外加剂掺量变化时所引起的电通量变化趋势相近，引起的28 d氯离子迁移系数变化相似，耐久性变化都是随着外加剂的掺量先变好后变差。J=1.5%，Y=0.4%，P=8%时混凝土耐久性是所有外加剂复掺体系中最好的。据此，减水剂最优掺量为1.5%，引气剂最优掺量为0.4%，膨胀剂最优掺量为8%。

3)混凝土28 d电通量与56 d氯离子迁移系数二者线性相关较为明显，所反映出的混凝土耐久性水平相当，此后在相似情况下评定混凝土耐久性时可以选测其中一种。

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Experience study on impact of strength and durability of compound admixture system of low water-binder ratio concreteDU Yingdong1, WANG Qicai1, ZHANG Rongling1, HUI Bing2, ZHENG Jianfeng2, LIU Shaolong2

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2. China Railway Twenty-one Bureau Group Fourth Engineering Co.Ltd., Xi’an 710065,China)

Abstract：The orthogonal experiment of strength and durability of one low water-binder ratio(mW/mB=0.3) concrete was done in the circumstance of different dosage of compound admixture system(expansive agent,water reducing agent, air-entraining agent). The influences of workability of concrete, concrete strength and durability changed with different dosage were analyzed. The durability of the concrete was assessed based on the electric flux method and the rapid chloride ion migration coefficient method (RCM method), and the optimal dosage of different admixtures was obtained. Results show that the change regulation of electric flux and the rapid chloride ion migration coefficient is familiar. The durability of change both increases with the increase of dosage of admixture variation, good first and then bad, under the mixture ratio, the dosage of J = 1.5%,Y= 0.4%,P= 8% has the best performance on the permeability in concrete; Three kinds of admixture have a promoting role on the strength growth of concrete, including water reducing agent is most evident influence on the early and the late strength of concrete; With the dosage increase of air-entraining agent, the strength decreases and then increases; The dosage of expansive agent has no fixed effect on concrete strength. The incorporation of mineral admixtures is advantageous to the durability of the concrete. Given the selection of mixture ratio and ground material limitations, this study only provide reference for subsequent similar studies.

Key words：compound admixtures; the optimal dosage; strength and durability

中图分类号：TU528

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0654-08

通讯作者：王起才(1962-)，男，河北晋州人，教授，博士，从事桥梁工程结构与新材料的研究与开发；E-mail：1398451253@qq.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51268032)；长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT1139)；铁道部科技研究开发计划项目(2012G011-A)

收稿日期：2015-08-05