TL型减胶剂对混凝土强度影响的试验研究

刘国强,李 岳

(1.兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州新区 730207；2.甘肃祁连山水泥集团股份有限公司，甘肃 兰州 730030)

0 引言

人类进入工业化时代后，以CO2为主的温室气体排放不断增加，气候问题逐年凸显.控制碳排放以减缓全球气候变暖，成为人类不得不面对的问题.调整能源结构，发展清洁能源，降低工业、建筑业、交通业碳排放，提高生物碳吸收，是减少碳排放的主要举措.

混凝土是现代社会中使用量极大的建筑材料.统计数据显示，2011年我国水泥年产量为20.99亿吨，预拌混凝土年产量7.43亿m3.到2021年，水泥年产量23.8亿吨，预拌混凝土年产量32.93亿m3，分别增长了13.39%和343.20%[1-3].按每方混凝土使用330 kg水泥的均量来计算，2021年混凝土消耗水泥量约为10.87亿吨.生产1吨水泥大约排放0.86吨CO2[4-5]，因此，2021年我国因使用混凝土而排放的CO2量为9.35亿吨，占全球工业CO2排放量364亿吨[6]的2.57%.如何保证经济发展的同时减少CO2排放量，实现绿色发展是急需解决的问题.混凝土拌制过程中，在保证强度等工程性能前提下，如果能减少水泥的用量，无疑能够减少CO2排放量.

减胶剂可以有效分散混凝土浆体中的集聚体，提高胶凝材料利用率，减少单方混凝土水泥用量，实现减少碳排放的目的.本试验将从使用减胶剂后混凝土力学性能表现及试件微观结构方面进行探讨，试图阐明减胶剂的使用对混凝土力学性能影响及其碳减排方面做出的贡献.

1 材料及方法

1.1 试验原材料

1.1.1 水泥

水泥采用甘肃祁连山水泥股份有限公司生产的P.O 42.5，密度3.05 g/cm3，其化学组成如表1所示.

表2为水泥性能指标，未列举指标均满足《通用硅酸盐水泥》GB175-2007规范要求.

表1 原料化学组成(%)

表2 P.O 42.5普通硅酸盐水泥技术指标

1.1.2 掺合料

试验所用Ⅱ级粉煤灰选自兰州某热电厂，密度1.87 g/cm3，其化学组成如表1所示，主要性能指标如表3所示.

表3 粉煤灰主要性能

1.1.3 骨料

本试验所用粗集料为碎石，采用连续级配，如表4，含泥量0.4%，表观密度2640 kg/m3.细集料为一般河沙，细度模数2.4，如表5，表观密度2660 kg/m3.其余各项指标均满足《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006要求.

表4 碎石粗集料级配 表5 细集料天然砂的级配

1.1.4 减水剂

本试验采用标准型聚羧酸系高性能减水剂，减水率33%，固含量35.25%，氯离子含量0.046%，其他指标满足行业标准要求.

1.1.5 减胶剂

市场有各具特色的多种类型减胶剂，TL型减胶剂为笔者科研团队自行研发，与市售大多数减水剂适应性良好，其为略带黄色透明液体，含高活性有机物，pH值10.0，推荐掺量为胶凝材料的0.6%～0.8%.

1.1.6 水

试验用水采用自来水.

1.2 试验方案

1.2.1 试验配合比

依据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》之标准，通过与本地大型商混站化验室沟通，采用其实际生产所用C30混凝土配合比，如表6所示.本配合比胶凝材料用量392kg/m3，水胶比0.4，砂率32%，采用单一矿物掺合料，掺加量17%.减胶剂掺加量固定为3.0kg/m3，减少胶凝材料主要减少水泥用量，矿物掺合料量保持不变，减少水泥用量分别为15kg/m3、20kg/m3、25kg/m3，对应试样编号分别为A1、A2、A3.

表6 混凝土实验配合比(kg/m3)

1.2.2 试验方法

本试验混凝土的拌制、养护及其力学性能测试均严格按照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中规定的方法进行.微观形貌测定选用日本日立公司TM3000扫描电子显微镜，取达到养护龄期混凝土试件的内部试样，置于无水乙醇中终止水化，在40℃条件下干燥后，进行微观形貌观察和分析.

2 结果与分析

2.1 加减胶剂后混凝土强度的变化

在工程实际使用配合比(编号A0)基础上，通过添加减胶剂，测试不同水泥减少量的情况下，混凝土3 d、28 d的抗压强度，结果如图1(a)所示.A1代表减少水泥15kg/m3，A2减少水泥20kg/m3，A3减少水泥25kg/m3.通过强度测试结果可以看出，添加减胶剂后，虽然水泥量减少了，但不同龄期混凝土强度均有所上升，其中减少水泥20kg/m3的A2试样，强度上升最多.通过与基准样进行比较可见，A2试样水泥减少率为胶凝材料总量的5.1%，3 d强度上升43.74%，28 d强度上升26.53%.即使水泥减少量最多的A3组试样，28 d强度仍然增长了13.85%，如图1(b)所示.说明要达到与基准试样相同强度，配合比中水泥用量仍然有下降空间.需要说明的是，由于采用工程实际配合比，实测强度与混凝土标号偏离较大，原因可能是工程实际出于安全考虑及施工因素的影响，强度富余系数较高，实验室养护环境及操作规范程度较高等因素所致.

图1 不同减胶量下混凝土抗压强度及强度变化率

2.2 加减胶剂后混凝土的微观结构

材料的微观结构对其宏观性能起着决定性作用，扫描电镜以很高的分辨率对混凝土材料进行微观形貌的观察，以确定其组成及各组成部分间的结构.

图2显示A0组与A2组混凝土试件微观形貌.未加减胶剂混凝土试件3 d水化程度较低，针棒状钙矾石大量存在，少量出现Ca(OH)2，生成的水化产物松散，见图2(a).添加减胶剂后，试件内部水化产物量增多，C-S-H凝胶量明显增多，水化产物网状结构搭接较为完善，见图2(b).水化28 d的SME图能够更加清晰的展现，未加减胶剂试样中，存在较多未水化水泥颗粒，同时空隙率较高，见图2(c).添加减胶剂后，水泥颗粒水化率提高，结晶程度较高的Ca(OH)2及微晶粒交叉连生的C-S-H凝胶，加上减胶剂与Ca(OH)2反应生成的二次水化产物，填充于混凝土内部毛细微孔，形成更加致密的结构，见图2(d)，强度得以提升.

图2 不同龄期混凝土SEM形貌图

水化过程中因为水泥颗粒所带电荷原因，容易形成絮凝状结构(图3)，阻碍部分自由水参与水化反应[7-8].由于水化不完全，大量未水化水泥颗粒在混凝土中仅起到微集料作用[9-11]，强度并未发挥出来.本试验所用减胶剂是一种高效分散剂，能够减少絮凝效应，同时调节水泥浆体内部pH值，促进水泥熟料中各矿物的水化，加快水化产物网状结构的形成，实现在较低胶凝材料用量情况下，强度不降反增.

有商砼生产企业担心，减胶剂加入是否会给混凝土长期性能带来不利影响.首先，本试验所采用TL型减胶剂本身不含氯离子，且自身pH值10.0，因此不会对混凝土及钢筋的侵蚀造成不利影响.其次，加入减胶剂后，虽然水泥用量减少了，但仍然符合《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011、《地下防水工程质量验收规范》GB50028-2011、《建筑工程冬季施工规程》JGJ/T104-2011等建筑工程相关标准规范对最低水泥用量的限定[12].且根据微观形貌观察，减胶剂的加入，会使混凝土结构更加致密，减弱侵蚀的发生.最后，过往的标准规范，大都制定于10年前，而我国建材行业发生了翻天覆地的变化，技术及管理水平飞速发展，产品质量稳步提升，富余强度普遍较高.根据国内外专家对水泥水化研究结果看，混凝土中约有20%左右水泥颗粒长期不能水化[13-15]，加入减胶剂后，利用其强分散性，提高水泥颗粒水化程度，提高其利用率，从而能够保证在较少胶凝材料用量下强度达到设计要求.即使加入减胶剂，也不是水泥颗粒100%完全水化，仍然有部分水泥颗粒在构筑物长期服役过程中会持续水化，不断补充因各种侵蚀导致的强度损失，从而保证混凝土长期工作性能.

2.3 减胶剂对碳减排贡献的测算

建材行业作为CO2排放大户，可以充分挖掘材料内部潜能，减少材料浪费，助力双碳目标的实现.

混凝土中加入减胶剂，在保证强度、满足设计要求的前提下，保守估计每方混凝土可以减少水泥用量20kg，减少CO2排放17.2kg.按照2021年我国全年混凝土使用量计算，采用此项技术，全年可减少CO2排放0.566亿吨，占全球工业CO2排放量的0.15%.由此可见，小技术可产生大效应，应加以推广使用.

图3 水泥颗粒絮凝状结构

3 结语

减胶剂又称为增效剂，约十年前出现于市面，引起业内的广泛关注.本试验从混凝土试件外在力学性能表现及内部微观结构观察表明，使用减胶剂，改善浆体集聚性，增加水泥水化率，可以在减少胶凝材料使用量的同时，使强度得到一定的提高.新时代“双碳”目标是大势所趋，开发利用新材料，实施全面节约战略，提高投入产出效率，创造绿色低碳生活方式将成为主流，减胶剂的使用，亦可以起到减少CO2排放的作用.建材行业，可以在尊重科学试验结果，依据数据的基础上，大胆推广使用新技术、新材料.