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                                    混凝土增效劑的研究進展

                                    混凝土增效劑的研究進展

                                    發布時間:
                                    2020/03/25
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                                    本文由同濟大學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,混凝土技術伴隨著國家創新驅動和低碳節能的政策要求不斷向前發展,降低混凝土生產過程的能耗勢在必行。國內外研究表明,常規環境下混凝土中約20%-30%的水泥水化反應不充分,只起到填充作用,不能有效發揮水泥強度1,是混凝土應用中最大的成本浪費。因此,如何充分利用水泥資源,對實現節能減排,可持續發展具有非凡的意義。

                                       混凝土增效劑是近年來新出現的一種混凝土外加劑,其一面世便引起許多爭論,看好的認為它給市場競爭日趨激烈的商品混凝土行業帶來了一線希望,尚如此,建議將其名稱改為混凝土減膠劑”更加貼切,而擔憂者則心存懷疑,并擔心其與其它外加劑(尤其是減水劑和泵送劑等)的適應性以及因膠凝材料減少而帶來的耐久性等問題。據多家推廣單位介紹,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,還能使混凝土強度和耐久性能與原有配合比的混凝土相當,因而能降低混凝土的原材料成本?;炷猎鲂┩茝V應用后,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理研究不夠深入,缺乏產品標準和對應的應用技術規范,以及增效劑的應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。

                                        應行業內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展,包括混凝土增效劑的成分,作用機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。

                                    混凝土增效劑的成分及作用機理

                                      混凝土企業希望通過技術手段降低生產成本,作為用量較大的水泥自然成為關注的重點,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企業質量控制造成困擾。而據介紹,市場上出現的混凝土增效劑有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廠家對其產品的組成采取嚴格保密措施,其產品說明書中不提供準確的成分表。這為生產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量監督檢驗單位無法對其進行質量檢驗和品質監管,因此造成了混凝土增效劑的成分和性質的不確定性。關于混凝土增效劑的成分和性質,目前還未有完整定論。胡偉偉等人2認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,又有憎水基團,還有一些保水基團。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。其中醇胺類物質可作為水泥助磨劑的組分,通過原子基團與水泥顆粒的吸附和重構效應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。另外醇胺類物質還能促進水泥中C3AC4AF的水化,具有一定的激發作用。

                                      目前對混凝土增效劑的作用機理還存在爭議,大多數人認為混凝土增效劑作為一種表面分散劑,與減水劑作用機理類似,但混凝土增效劑能使普通減水劑不能分散的特細顆粒聚集體分散開,從而使水泥顆粒更為充分地與水接觸,提高其反應活性,最大限度地促進水泥水化反應?;炷猎鲂┻€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,達到提高混凝土強度或降低水泥用量的目的。楊正剛6也認為增效劑主要通過激發水泥和礦物摻合料的活性來達到增效的目的。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,且研究缺乏足夠數據支撐,重復性試驗較少,關于混凝土增效劑在混凝土中的作用機理仍需深入研究。

                                    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,測試結果表明混凝土坍落度較基準組增大,擴展度與基準一致,增效劑的加入對混凝土凝結時間無明顯影響。劉輝9】研究了增效劑對不同強度等級混凝土工作性能的影響,發現增效劑的加入均能有效改善混凝土的工作性能,避免較高強度等級混凝土出現黏聚抓底等現象,且能減少水泥用量,節省成本。趙家聲10】通過試驗發現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,擴展度明顯增加?;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量的0.6%時混凝土工作性能良好,單方混凝土生產造價最低。

                                    2.2增效劑對混凝土強度的影響

                                      一般認為增效劑的加入對混凝土強度無不良影響,但不同研究者的試驗結論也略有差異。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度,加入增效劑的混凝土3d和7d強度高于基準混凝土,28d強度則比基準組略低。彭春元14】研究了混凝土增效劑C60以上混凝土強度的影響,增效劑摻量為膠凝材料質量的0.6%,水泥用量減少10%,測得的混凝土強度與基準混凝土相當。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度的影響,發現增效劑良好的適應性,強度均明顯提高。該研究也發現添加增效劑并減少膠凝材料用量后對混凝土強度無負面影響,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,塑性收縮和環境濕度變化會產生體積變化,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件在干燥環境下的體積變形。許富16】研究了增效劑對水泥基材料收縮率的影響,發現加入增效劑,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護的功能。這幾種效應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滲性、抗碳化及抗凍性等,混凝土耐久性與混凝土密實度相關,成型越密實的試件其抵抗滲透壓力和外界介質侵蝕的能力越強。目前國內已取得有關混凝土增效劑對耐久性影響的研究進展。

                                    (1) 抗滲性

                                     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滲性。該研究發現與基準組相比,混凝土的平均滲透高度降低,細小均勻的孔結構阻止了毛細孔水分壓力的釋放,混凝土的抗滲性能得到提高。程臻贊18】在測試混凝土耐久性時同時發現,在相同的滲透壓力下,混凝土滲透高度較基準組降低,同時發現混凝土的致密度較高。

                                    (2) 抗碳化

                                     混凝土結構在長期服役過程中,空氣中的CO2SO2等氣體通過毛細孔進入混凝土內部,發生碳化反應,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,發現加入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】系統研究了增效劑在不同程度等級混凝土的應用情況,測試了混凝土碳化深度,發現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

                                    夏熱冬冷地區混凝土不僅面臨干濕交替,在溫度低于0℃ 以下時,會出現由于空隙水凍融引起構件裂化?;炷猎鲂┑募尤朐谝欢ǔ潭壬显黾恿宋⑿馀莸臄盗?,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,發現在經歷100次凍融試驗后,混凝土質量無明顯損失,混凝土完整性良好,強度能夠保持。

                                    3結語

                                       從以上資料來看,在保持28d抗壓強度不變的情況下,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,減少水泥用量節省的成本和單位立方米混凝土中其它原材料補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、浙江等地應用效果良好,但應加強對其基礎理論的研究并積極總結應用經驗,盡快編制出版標準規范。 


                                     

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