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本文由同濟(jì)大學(xué)孫振平教授課題組曾文波整理
引言
混凝土是目前用量最大的建筑材料,混凝土技術(shù)伴隨著國家創(chuàng)新驅(qū)動和低碳節(jié)能的政策要求不斷向前發(fā)展,降低混凝土生產(chǎn)過程的能耗勢在必行。國內(nèi)外研究表明,常規(guī)環(huán)境下混凝土中約20%-30%的水泥水化反應(yīng)不充分,只起到填充作用,不能有效發(fā)揮水泥強(qiáng)度【1】,是混凝土應(yīng)用中最大的成本浪費。因此,如何充分利用水泥資源,對實現(xiàn)節(jié)能減排,可持續(xù)發(fā)展具有非凡的意義。
混凝土增效劑是近年來新出現(xiàn)的一種混凝土外加劑,其一面世便引起許多爭論,看好的認(rèn)為它給市場競爭日趨激烈的商品混凝土行業(yè)帶來了一線希望,尚如此,建議將其名稱改為“混凝土減膠劑”更加貼切,而擔(dān)憂者則心存懷疑,并擔(dān)心其與其它外加劑(尤其是減水劑和泵送劑等)的適應(yīng)性以及因膠凝材料減少而帶來的耐久性等問題。據(jù)多家推廣單位介紹,摻加混凝土增效劑能在降低一定量膠凝材料(每立方米混凝土可減少30%左右的水泥)和保持工作性能不變的前提下,還能使混凝土強(qiáng)度和耐久性能與原有配合比的混凝土相當(dāng),因而能降低混凝土的原材料成本?;炷猎鲂┩茝V應(yīng)用后,也引起了市場上褒貶不一的評價。原因主要在于對其增效機(jī)理研究不夠深入,缺乏產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和對應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范,以及增效劑的應(yīng)用效果對混凝土原材料,配合比等具有一定的選擇性等多方面。
應(yīng)行業(yè)內(nèi)廣大混凝土制備者的要求,本文從中立的角度,收集資料,綜述混凝土增效劑的研究進(jìn)展,包括混凝土增效劑的成分,作用機(jī)理以及對混凝土性能的影響,以幫助大家深入了解混凝土增效劑。
1 混凝土增效劑的成分及作用機(jī)理
混凝土企業(yè)希望通過技術(shù)手段降低生產(chǎn)成本,作為用量較大的水泥自然成為關(guān)注的重點,已有的外加劑如減水劑能夠降低混凝土水膠比,也能夠降低水泥用量,但面臨著與原材料的適應(yīng)性問題,原材料的差異以及外加劑摻量的敏感性給混凝土生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量控制造成困擾。而據(jù)介紹,市場上出現(xiàn)的混凝土增效劑有CTF增效劑、LBD增效劑和LSY增效劑等,它們與其他外加劑協(xié)同配伍能夠改善混凝土的工作性能,降低水泥等膠凝材料用量。
由于混凝土增效劑生產(chǎn)廠家對其產(chǎn)品的組成采取嚴(yán)格保密措施,其產(chǎn)品說明書中不提供準(zhǔn)確的成分表。這為生產(chǎn)廠家隨意改變組成提供了方便,同時也使用戶和建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗單位無法對其進(jìn)行質(zhì)量檢驗和品質(zhì)監(jiān)管,因此造成了混凝土增效劑的成分和性質(zhì)的不確定性。關(guān)于混凝土增效劑的成分和性質(zhì),目前還未有完整定論。胡偉偉等人【2】認(rèn)為混凝土增效劑是一種高聚物,帶有很多離子鍵,既有親水基團(tuán),又有憎水基團(tuán),還有一些保水基團(tuán)。劉斌等人【3】利用三乙醇胺,酒石酸,馬來酸酐為主要材料添加苯酚等輔助添加劑制備了混凝土增效劑。王強(qiáng)【4】利用三異丙醇胺。聚合醇胺,改性聚羧酸高效減水劑,紙漿黑液提取物和水制備了混凝土增效劑。王鎮(zhèn)【5】公開的增效劑專利中,含有三異丙醇胺,聚合醇胺,脂肪酸脂等。
從已公開的資料來看,混凝土增效劑的主要作用就是分散,通過降低水泥的表面能,提高水泥顆粒的分散性。其中醇胺類物質(zhì)可作為水泥助磨劑的組分,通過原子基團(tuán)與水泥顆粒的吸附和重構(gòu)效應(yīng)使得水泥顆粒成為極性分子,增大水泥顆粒間靜電斥力,提高水泥漿體的流動性。另外醇胺類物質(zhì)還能促進(jìn)水泥中C3A和C4AF的水化,具有一定的激發(fā)作用。
目前對混凝土增效劑的作用機(jī)理還存在爭議,大多數(shù)人認(rèn)為混凝土增效劑作為一種表面分散劑,與減水劑作用機(jī)理類似,但混凝土增效劑能使普通減水劑不能分散的特細(xì)顆粒聚集體分散開,從而使水泥顆粒更為充分地與水接觸,提高其反應(yīng)活性,最大限度地促進(jìn)水泥水化反應(yīng)。混凝土增效劑還可以充分活化具有潛在活性的礦物摻和料,從而提高膠凝材料的水化程度,達(dá)到提高混凝土強(qiáng)度或降低水泥用量的目的。楊正剛【6】也認(rèn)為增效劑主要通過激發(fā)水泥和礦物摻合料的活性來達(dá)到增效的目的。閻培渝【7】推測混凝土增效劑具有表面分散和活性激發(fā)的作用,具體情況也沒有確切定論。
上述研究均只針對具體廠家的增效劑,且研究缺乏足夠數(shù)據(jù)支撐,重復(fù)性試驗較少,關(guān)于混凝土增效劑在混凝土中的作用機(jī)理仍需深入研究。
2混凝土增效劑對混凝土性能的影響
2.1增效劑對混凝土工作性能的影響
研究認(rèn)為,加入增效劑能改善混凝土的工作性能,尤其是改善保水性和粘聚性,使得混凝土可泵性提高。鄭平【8】研究了LBD 增效劑在混凝土中的使用效果,在保持混凝土水膠比不變的情況下,減少10%的水泥用量,測試結(jié)果表明混凝土坍落度較基準(zhǔn)組增大,擴(kuò)展度與基準(zhǔn)一致,增效劑的加入對混凝土凝結(jié)時間無明顯影響。劉輝【9】研究了增效劑對不同強(qiáng)度等級混凝土工作性能的影響,發(fā)現(xiàn)增效劑的加入均能有效改善混凝土的工作性能,避免較高強(qiáng)度等級混凝土出現(xiàn)黏聚抓底等現(xiàn)象,且能減少水泥用量,節(jié)省成本。趙家聲【10】通過試驗發(fā)現(xiàn)增效劑與聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的相容性較好,可使混凝土泌水率降低,水泥漿體對骨料的包裹性增強(qiáng),擴(kuò)展度明顯增加?;炷猎鲂┳鳛檩o助外加劑,其摻量對混凝土工作性能有影響,研究表明【11、12】混凝土增效劑最佳摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.6%時混凝土工作性能良好,單方混凝土生產(chǎn)造價最低。
2.2增效劑對混凝土強(qiáng)度的影響
一般認(rèn)為增效劑的加入對混凝土強(qiáng)度無不良影響,但不同研究者的試驗結(jié)論也略有差異。潘亞波等人【13】測試了增效劑摻量0.6%、水泥用量減少15%時,C30和C50兩種等級的混凝土強(qiáng)度,加入增效劑的混凝土3d和7d強(qiáng)度高于基準(zhǔn)混凝土,28d強(qiáng)度則比基準(zhǔn)組略低。彭春元【14】研究了混凝土增效劑C60以上混凝土強(qiáng)度的影響,增效劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.6%,水泥用量減少10%,測得的混凝土強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。胡偉偉等人【15】通過外摻方式研究了增效劑對礦物摻合料及山砂混凝土強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)增效劑良好的適應(yīng)性,強(qiáng)度均明顯提高。該研究也發(fā)現(xiàn)添加增效劑并減少膠凝材料用量后對混凝土強(qiáng)度無負(fù)面影響,如圖1所示。
2.3增效劑對混凝土收縮的影響
混凝土由于自身水化,塑性收縮和環(huán)境濕度變化會產(chǎn)生體積變化,膠凝材料是引起混凝土干縮的重要原因?;炷猎鲂┮话隳軠p少10%-15%的膠凝材料,對混凝土收縮變形必定造成一定影響。
減少膠凝材料的用量,降低水泥水化熱能夠降低混凝土構(gòu)件在干燥環(huán)境下的體積變形。許富【16】研究了增效劑對水泥基材料收縮率的影響,發(fā)現(xiàn)加入增效劑,降低水泥用量能減少水泥基材料的收縮率。鄭平等人【8】的研究表明加入增效劑對混凝土收縮的降低作用在后期較明顯,如圖2所示:
混凝土增效劑對混凝土的減縮作用主要來源于膠凝材料用量的減少,而膠凝材料的水化易引起混凝土自身收縮;其次使用混凝土增效劑可提高混凝土拌和物的工作性和均勻性,減少毛細(xì)率;此外有些混凝土增效劑能夠鎖水保水,使得混凝土具有部分自養(yǎng)護(hù)的功能。這幾種效應(yīng)共同提供了混凝土增效劑的減縮功能。
2.4 增效劑對混凝土耐久性的影響
混凝土耐久性包括抗?jié)B性、抗碳化及抗凍性等,混凝土耐久性與混凝土密實度相關(guān),成型越密實的試件其抵抗?jié)B透壓力和外界介質(zhì)侵蝕的能力越強(qiáng)。目前國內(nèi)已取得有關(guān)混凝土增效劑對耐久性影響的研究進(jìn)展。
(1) 抗?jié)B性
劉道勝【17】在外摻0.6%的混凝土增效劑,減少10%水泥用量情況下測試了混凝土抗?jié)B性。該研究發(fā)現(xiàn)與基準(zhǔn)組相比,混凝土的平均滲透高度降低,細(xì)小均勻的孔結(jié)構(gòu)阻止了毛細(xì)孔水分壓力的釋放,混凝土的抗?jié)B性能得到提高。程臻贊【18】在測試混凝土耐久性時同時發(fā)現(xiàn),在相同的滲透壓力下,混凝土滲透高度較基準(zhǔn)組降低,同時發(fā)現(xiàn)混凝土的致密度較高。
(2) 抗碳化
混凝土結(jié)構(gòu)在長期服役過程中,空氣中的CO2和SO2等氣體通過毛細(xì)孔進(jìn)入混凝土內(nèi)部,發(fā)生碳化反應(yīng),對混凝土長期耐久性不利。鄭平【8】研究了LBD 增效劑對混凝土抗碳化性能的影響,發(fā)現(xiàn)加入LBD增效劑后混凝土碳化深度降低,混凝土抗碳化能力提高。劉道勝【17】系統(tǒng)研究了增效劑在不同程度等級混凝土的應(yīng)用情況,測試了混凝土碳化深度,發(fā)現(xiàn)混凝土增效劑的加入能夠顯著抑制混凝土的碳化,如圖3所示。
(3) 抗凍性
夏熱冬冷地區(qū)混凝土不僅面臨干濕交替,在溫度低于0℃ 以下時,會出現(xiàn)由于空隙水凍融引起構(gòu)件裂化?;炷猎鲂┑募尤朐谝欢ǔ潭壬显黾恿宋⑿馀莸臄?shù)量,使混凝土含氣量略有增加,改善了拌和物的和易性,自流平能力和抗凍性。劉道勝【17】等人利用快速凍融法測試了混凝土抗凍性能,發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷100次凍融試驗后,混凝土質(zhì)量無明顯損失,混凝土完整性良好,強(qiáng)度能夠保持。
3結(jié)語
從以上資料來看,在保持28d抗壓強(qiáng)度不變的情況下,摻加增效劑能使水泥用量降低10%左右,而且混凝土工作性能有所改善其對混凝土耐久性無負(fù)面影響。摻加增效劑對混凝土成本的影響主要來源于摻增效劑引入的成本,減少水泥用量節(jié)省的成本和單位立方米混凝土中其它原材料補(bǔ)差引入的成本的平衡。
雖然宣傳資料介紹,混凝土增效劑在廣東、廣西、浙江等地應(yīng)用效果良好,但應(yīng)加強(qiáng)對其基礎(chǔ)理論的研究并積極總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗,盡快編制出版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
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