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.pdf

第 卷 第 期 年 月 铁道科学与工程学报 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 （ 兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 ； 中铁二十一局集团第四工程有限公司， 陕西 西安 ） 摘 要： 对低水胶比 （ ） 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（ 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， ， ， 时混凝 土耐久性最好； 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 中图分类号： 文献标志码： 文章编号： （ ） ， ， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ） ： （ ） （ ， ， ） ， （ ） ， ， ， ， ， ， ； 收稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ ） ； 长江学者和创新团队发展计划资助项目（ ） ； 铁道部科技研究开发计划项目 （ ） 通讯作者： 王起才（ ） ， 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； ： 第 期杜迎东， 等： 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 ， ； ， ； ， ： ； ； 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 ， 混凝土的耐久性涉及 个方面 ： 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， 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 。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 。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 ， 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 ， 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（ 法） 。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 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 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 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 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 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。 试验准备 材料 水泥： 采用甘肃祁连山水泥集团股份有限公司 生产的 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 矿粉； 粉煤灰： 采用 兰州万科源商贸有限公司生产的 级粉煤灰； 砂： 采 用兰州地区天然河砂， 表观密度 ， 松散 堆积密度 ， 紧密堆积密度 ， 细度模数为 ； 石子： 采用兰州地区碎石， 粒径 ； 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 ， 泌水率 ， 含气量 ， 抗压强度提高 ； 引气 剂： 采用上海馨扬实业发展有限公司生产的 型高性能混凝土引气剂， 减水率 ， 泌水率 ， 含气量 ， 抗压强度提高 ； 膨胀剂： 采用河南建龙混凝土外加剂有限公司生产的 聚合物纤维膨胀剂， 氧化镁含量 ， 总碱含量 ， 氯离子含量 ， 比表面积 。 材料实测性能指标见表 。 试验方案 根据材料试验指标进行混凝土配合比设计， 见 表 。试验以一固定低水胶比（ ） 为例， 配制出 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 强度 混凝土， 研究在这一配合比下， 在膨胀 剂、 减水剂和引气剂 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 ， ， ， 和 ， 减水剂掺量分别为 ， ， ， 和 ， 引气剂掺量 为 ， ， ， 和 。试验中将 其他 种外加剂掺量固定， 改变另一外加剂掺量， 设计正交试验 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（ 法） 。 表 材料实测性能指标 项目 比表 面积 （ ） 紧密堆 积密度 （ ） 表观 密度 （ ） 三氧化 硫含量 烧失率 含水率 含泥量 碱含量 氯离子 含量 抗压强 度 水泥 粗骨料 细骨料 水 矿粉 粉煤灰 表 混凝土配合比设计 组别 材料用量及占比 水水泥粉煤灰矿粉 粗骨料细骨料 用量 （ ） 占比 用量 （ ） 占比 用量 （ ） 占比 用量 （ ） 用量 （ ） 用量 （ ） 注： 表中 代表膨胀剂， 代表减水剂， 代表引气剂。 混凝土搅拌工艺 试验在室内进行， 采用 单轴卧式强 制式搅拌机， 依次投入石子和砂拌合 ， 使砂石 均匀混合， 然后投入胶凝材料搅拌 ， 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 。 第 期杜迎东， 等： 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 耐久性评定方法 依据文献 进行混凝土电通量及氯离子迁 移系数试验。 电通量法 采用 直流电量法测试混凝土电通 量值， 将尺寸为 的标准 立方体试件钻心取样， 制成直径 ， 高 的圆柱形试块， 试样方法如下： ） 把试件在标 准养护室养护至 ， 取出试件后， 擦干表面水分， 进行真空保水； ） 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； ） 将 夹具螺丝拧紧， 保证密封性， 将质量浓度为 的 溶液和浓度为 的 溶液分别诸 如阴极和阳极夹具中； ） 接通 直流电源， 记录 电流初始读数 ， 之后每隔 记录几次电流值， 共通电 。混凝土电通量评价指标见表 。 快速氯离子迁移系数法 在试验室浇筑 的 立方体试块， 试验前 从标准养护室中取出试块 进行钻心取样， 钻成直径 ， 高 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 的 的 溶液， 阴极口中注入约 的质量浓度为 的 溶液， 使液面与橡胶套内的 溶 液的液面齐平， 试验时试件两端外加 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 的 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 为混凝土氯离子迁移系数评价指标。 表 混凝土电通量评价指标 电通量 氯离子渗透性 可忽视极低低中高 表 混凝土氯离子迁移系数评价指标 氯离子扩散系数 （ ） 氯离子渗透性可忽略极低很低低中高很高 表 新拌混凝土实测工作性能 组别 项目 坍落度 扩展度 坍落度 试验结果及分析 新拌混凝土实测工作性能 表 为新拌混凝土实测工作性能， 包括坍落度 和 坍落度和扩展度。从表 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 组及 组 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。 复掺外加剂体系对混凝土强度的影响 图 为不同外加剂掺量下混凝土强度变化规律。 显然从图 （ ） 可以看出： 引气剂含量有最优 掺量 ， 此时 ， ， 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 （ ） 可以看出， 在 ， 时， 随着减水剂掺量的增大， 抗 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 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 （ ） 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 （ ） 和图 （ ） 混凝土初期强度比较高， 图 （ ） 中混凝 土 和 之间强度增长较快， 强度增 长较为缓慢， 图 （ ） 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。 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 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（ ） 法评定混 凝土的耐久性， 分别测试混凝土 电通量和 氯离子迁移系数。试验结果见表 。 （ ） ， ， 分别为 ， ， ， ， ； （ ） ， ， 分别为 ， ， ， ， ； （ ） ， ， 分别为 ， ， ， ， 图 不同外加剂掺量下混凝土强度变化 表 不同外加剂掺量混凝土电通量及氯离子迁移系数 外加剂占比掺量 电通量数值及评定 氯离子迁移系数值及评定 数值 评定指标数值 （ ） 评定指标 ， 极低 低 极低 低 极低 低 低 低 低 低 ， 低 低 低 低 极低 低 低 低 低 低 ， 极低 低 极低 低 极低 低 极低 低 极低 低 第 期杜迎东， 等： 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 （ ） 组配合比混凝土 电通量； （ ） 氯离子迁 移系数对比 图 不同外加剂掺量混凝土电通量及氯离子迁 移系数 图 （ ） 和图 （ ） 分别为 组配合比混凝土 电通量及 氯离子迁移系数的对比。 由图 （ ） 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 可以看出， 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 电通量和 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。 ， ， 时混凝土耐久性能是所有外加剂配合比 中最好的。 ， 时， 引气剂有最优 掺量 ， 此时 电通量值为 ， ， 时， 减水剂有最优掺量 ， 此 时 电 通 量 值 为 ， ， 时， 膨胀剂有最优掺量 ， 此时 电通 量值为 ， ， 时， 电通量 相比其他 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 种复掺 体系中颗粒最细、 孔结构最优的。 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。种 外加剂形成的优质的复掺体系， 例如减水剂掺量 ， 膨胀剂掺量 ， 引气剂掺量 ， 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。 耐久性指标间的线性相关性 从图可知， 电通量和 氯离子迁移系 数有较好的线性相关性。 图 不同耐久性指标之间相关性 目前， 电通量法和快速氯离子迁移系数法 （ 法） 是国内外评定混凝土密实性能的 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 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 电通量试验值为自变量、 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 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 速氯离子迁移系数二者关系进行了曲线拟合。 电通量试验值和 快速氯离子迁移系 数试验值拟合结果为： 其中： 为 氯离子迁移系数， ； 为 电通量， 。 由图可知， 电通量与 氯离子迁移系 数的相关系数的平方为 ， 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。 结论 ） 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。 ） 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 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。 ， ， 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 ， 引气剂最优掺 量为 ， 膨胀剂最优掺量为 。 ） 混凝土 电通量与 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。 参考文献 蒋正武， 周磊， 李文婷 石灰岩骨料混凝土弹性模量与 强度相关性研究 建筑材料学报， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ： ， ： ， ， （ ） ： ，