一种自密实混凝土用复合矿物外加剂的研制

李茜茜 刘旭飞 董树强 王龙飞

摘 要：本文采用矿物掺和料（矿粉、硅灰、微珠）和羟丙基甲基纤维素复配，通过矿物掺和料优化胶凝材料颗粒级配，填充水泥颗粒之间的空隙，释放出孔隙水，改善流动性;利用矿物材料的减水效应和滚珠润滑效应，降低混凝土黏度;同时加入羟丙基甲基纤维素提高混凝土浆体的黏聚性解决自密实混凝土的离析、泌水以及表面浮浆问题。

关键词：自密实混凝土;矿物外加剂;泌水

自密实混凝土是一种在浇筑过程中无须振捣，靠混凝土自重完全填充至模板内和钢筋间隙，硬化后具有良好的力学性能和耐久性能的高性能混凝土。自密实混凝土具有免振捣、自密实、施工效率高、施工成本低等优点。[1]自密实混凝土要求：应具有良好的流动性，浇筑前后不离析、不泌水，粗细骨料均匀分布，水泥与骨料、混凝土与钢筋具有良好的黏结性能。在配置自密实混凝土时，因拌和物流动性大，施工过程中容易出现泌水、离析等问题，导致硬化后体积稳定性差，易造成开裂，产生质量隐患。[2]

在配置自密实混凝土时，通常掺入纤维素、糊精等增稠剂可在一定程度上解决泌水和离析问题，但存在掺量低，无法解决混凝土的离析和泌水，掺量高又会导致混凝土流动性慢，填充性差的问题。[3]因此，开发一种复合矿物外加剂保证混凝土的工作性对自密实混凝土的推广应用具有非常重要的意义。

1 实验部分

1.1 原材料

1.1.1 矿粉

1.1.2 硅灰

1.1.3 微珠

1.1.4 羟丙基甲基纤维素

黏度：100000mPa·s（-10%，+20%）

1.2 检测方法

1.2.1 混凝土的工作性能试验

依据JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》对自密实混凝土进行工作性能测试，主要考察自密实混凝土的坍落扩展度、T50试验和泌水率。

1.2.2 混凝土的力学性能试验

依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对自密实混凝土进行力学性能测试，主要考察混凝土的抗压强度比。

1.2.3 混凝土的耐久性能试验

依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对自密实混凝土进行耐久性能测试，主要考察混凝土的抗渗性能和抗冻融性能。其中，混凝土抗冻性试验采用快冻法。

2 结果与讨论

2.1 正交试验

2.1.1 正交试验设计

2.1.2 正交试验结果分析

通过正交实验，由表可见，相对T50、坍落扩展度、泌水率因素的极差分析，四种因素中极差最大的分别是丙基甲基纤维素用量、微珠用量和丙基甲基纤维素用量。表明丙基甲基纤维素用量对自密实混凝土T50的影响最为显著，微珠用量对自密实混凝土坍落扩展度的影响最为显著，丙基甲基纤维素用量对自密实混凝土泌水率的影响最为显著。综合T50、坍落扩展度、泌水率因素考虑，确定各组合的最优水平组合为A3B2C2D2，即矿粉用量15%，硅灰用量10%，微珠用量10%，丙基甲基纤维素用量2‰。

2.2 复合矿物外加剂的性能测试

配制复合矿物外加剂，用矿粉用量15%、硅灰用量10%、微珠用量10%、丙基甲基纤维素用量2‰替代水泥，测试其自密实混凝土工作性能、力学性能和耐久性能。

2.2.1 掺加复合矿物外加剂自密实混凝土的工作性能

由表8可见，掺加复合矿物外加剂的自密实混凝土表现出优异的流变性能和自密实混凝土的填充性。这是由于：

其一，由于羟丙基甲基纤维素具有较长的分子链且所带羟基基团具有较强的吸附作用，通过分子链的缠绕提高了浆体的黏度，增加了屈服应力值，进而骨料和浆体间的作用增加，提高了新拌混凝土的稳定性，提高了自密实混凝土的抗离析能力;此外，掺加羟丙基甲基纤维素的混凝土通过缠绕、吸附等作用，在混凝土中形成空间网络结构，大大减少了自由水，因此，羟丙基甲基纤维素可改善浆体和骨料之间的包裹性能，提高自密实混凝土的保水性，从而降低了其泌水的可能性，减少黏度过低所造成石子与浆体的分离，提高混凝土浆体的黏聚性，可解决自密实混凝土的离析、泌水以及表面浮浆问题[4];其二，将多种矿物组分复配产生微集料—黏度叠加效应，优化了胶凝材料颗粒级配，填充水泥颗粒之间的空隙，释放出孔隙水，改善流动性;利用矿物材料的减水效应和滚珠润滑效应，降低混凝土黏度，在增加流动性的同时兼顾扩展速度T50，不仅可发挥各自优势，而且还可互补各自的不足，从而使得自密实混凝土同时具有较好的流动性和保水性。

2.2.2 掺加复合矿物外加剂自密实混凝土的力学性能

由表9可見，掺加复合矿物外加剂后，各龄期强度均有显著提升。这是由于当几种矿物组分复合使用，通过诱导激活、水化硬化形成稳定的凝聚体系，提高了自密实混凝土与基体的界面黏结强度，提高了各龄期的强度。不同矿物组分复合使用在水泥的早期水化过程发挥其潜在的火山灰活性，通过与水泥水化产物Ca（OH）2发生反应，生成新的水化产物，降低浆体中Ca（OH）2含量，提高水泥矿物的水化速度，加速早期水泥水化过程，从而促进混凝土早期强度快速发展。[5-6]此外，水化产物Ca（OH）2与矿粉中的活性物质SiO2、Al2O3不断进行二次水化反应生成的大量水化硅酸钙填充于水泥石的孔隙中，使自密实混凝土结构更加密实，从而提高其各龄期强度。

2.2.3 掺加复合矿物外加剂自密实混凝土的耐久性能

试验研究了复合矿物外加剂对自密实混凝土抗渗性能的影响，结果见表10。

从表10看出，与不加复合矿物外加剂的混凝土相比，掺复合矿物外加剂混凝土抗渗高度降低了21.4%，说明复合矿物外加剂提高了自密实混凝土的抗渗性能，这是由于通过几种矿物复合使用优化了掺矿物外加剂的胶凝材料的颗粒级配，降低了水泥石的孔隙率，使得水泥石结构更加致密，因此复合矿物外加剂可改善混凝土的抗渗性。

实验研究了复合矿物外加剂对自密实混凝土抗冻融性能的影响，结果见表11。

从表11可以看出，掺复合矿物外加剂的自密实混凝土抗冻性能相较于基准混凝土，抗冻融性能明显提升。经过150次冻融循环后，基准混凝土动弹模量损失13.7%，质量损失率为1.4%;掺复合矿物外加剂的混凝土动弹模量损失10.3%，质量损失率为0.6%。由此可见，掺复合矿物外加剂的抗冻融性有明显提高。

试验结果表明，使用复合矿物外加剂提高了自密实混凝土的耐久性能，这是由于几种矿物组分复合使用后，通过“自紧密堆积效应”和“形状因子效应”等协同效应，形成细观层次的自紧密体系，可通过微集料作用填充水泥颗粒间隙，可使得水泥石形成的结构更加致密，因而掺加复合矿物外加剂的自密实混凝土具有较好的耐久性能。[7]

结语

（1）复合矿物外加剂的最佳工艺条件为：矿粉用量15%、硅灰用量10%、微珠用量10%、丙基甲基纤维素用量2‰。性能分析试验表明：掺加所研制的复合矿物外加剂的自密实混凝土具有较好的工作性能、力学性能和耐久性能。

（2）使用矿物掺和料和高分子材料进行复配，得到一种自密实混凝土用的复合矿物外加剂。该产品加入混凝土中可以优化胶凝材料的颗粒级配，提高密实度，降低塑性黏度，提高自密实混凝土的流变性能。

（3）通过加入丙基甲基纤维素用量，在混凝土中形成空间网络结构，改善浆体和骨料之间的包裹性能，提高混凝土的黏聚性，解决离析、泌水和表面浮浆问题。

参考文献：

[1]叶焕.自密实混凝土的流变性能及其对分层浇筑的影响[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[2]陈怀军，孙金鑫.粉煤灰—矿粉复掺自密实混凝土试验研究[J].山西建筑，2014，40（28）：123-124.

[3]徐林强.掺增粘剂对自密实混凝土性能的影响[D].浙江：浙江工业大学，2015.

[4]王国栋.增粘剂对混凝土性能的影响研究[D].北京：北京建筑大學，2013.

[5]叶群山.矿物外加剂早期水化过程中的物理和化学效应[D].武汉：武汉大学，2005.

[6]刘原.火山渣轻骨料混凝土的性能及应用研究[D].天津：河北工业大学，2015.

[7]张雄，吴科如.矿物外加剂作用机理及其关键技术[J].同济大学学报，2004（32）4：494-498.

作者简介：李茜茜（1988— ），女，石家庄人，硕士，工程师，研究方向：建筑材料。