混凝土减胶剂的性能与机理研究

商品混凝土

201 4年第2期            Beton Chinese Edition —— Ready-mixed Concrete                研究探索

混凝土减胶剂的性能与机理研究

左彦峰 1 ， 郭群 1 ， 钱峰 2 ， 马旺坤 1 ， 王晓芳 3

（ 1. 建筑材料工业技术情报研究所， 北京 100024； 2.安徽京工建新型建筑材料有限公司， 合肥 231633； 3.乌兰察布市集林区建设工程质量检测中心， 乌兰察布 012000）

［ 摘 要］ 本文通过胶砂试验、 砂浆流动度以及混凝土试验， 得出以下结论， 混凝土减胶剂的掺量范围为 0.15%～ 0.35%， 可有效降低 10% 左右的水泥用量， 其与萘系和聚羧酸系减水剂相容性良好， 该剂几乎没有减水率， 具有一定引气和缓凝效果、 对混凝土早期和后期抗压强度均有较大的提高， 几乎不含氯离子等混凝土有害成分。 同时， 本文采用 XRD、 DSC/TG 以及 MIP 等方法对该外加剂的机理进行了分析， 认为， 减胶剂对水化产物的类型不产生影响， 促进了早期结晶程度不高的 CH 的形成， 改善了硬化浆体的孔结构， 降低了中间孔数量， 提高浆体抗渗性； 增加了凝胶孔数量， 提高了 CSH 凝胶的数量。 混凝土减胶剂在工程中得到了应用， 取得了良好的效果。

［ 关键词］ 混凝土； 减胶剂； 水泥； 外加剂； 机理

0 前言

近年来， 我国建筑行业发展迅速， 建筑规模前所未有。据统计， 2012 年我国水泥产量为 22 亿吨， 按 400kg/m 3 折算， 约折合混凝土 55 亿方， 居世界第一。 此外， 建筑要求对混凝土这种建筑材料性能的要求也越来越高， 例如要求高工作性、 高强度、 高耐久性等。

我国在经济上存在城乡 差异和东西差距巨大的特点， 这也意味着建筑市场的巨大潜力， 同时也表明水泥、 混凝土的巨大需求。 水泥产业的是一个高能耗、 高资源消耗和高污染

性产业。 为保证建筑业的可持续健康发展， 有必要通过各种方法， 在保证混凝土结构力学性能、 耐久性的前提下， 有效降低单方混凝土中水泥的用量 [3-4] 。

工程实践表明， 混凝土减胶剂（ JGJ） 可以有效降低单方混凝土水泥的用量， 而不降低混凝土的各项性能。 本文对混凝土减胶剂的性能与机理进行了研究和探讨。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥： 基准水泥。

粉煤灰： Ⅱ 级， 华能。

磨细矿渣： S95， 首钢。

外加剂： 混凝土减胶剂（ 液体） ， 聚羧酸系减水剂（ 自产， 含固量 20%） ， 萘系减水剂（ 粉剂， 建恺） 。

砂： 二区中砂， 细度模数 2.7。

石子： 最大粒径 25mm。

水： 洁净自来水。

1.2 试验方法

（1） 混凝土试验

采用 GB8076—2008《混凝土外加剂》 技术指标测定减胶剂的减水率、 含气量、 泌水率比、 凝结时间、 28d 收缩率比、 相对耐久性（ 200 次） 、 抗压强度比。 试验温度为

(20± 2)℃。

（2） 氯离子含量和总碱含量

按照 GB/T8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行试验。

（3） 胶砂强度

按照 GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》 （ ISO法） 规定的方法进行试验。

（4） 砂浆流动度

采用工程实际用 C30 混凝土中的砂浆配比， 见表 1。

表 1 砂浆配合比 kg/m ³

（5） 微观试验样品的制备

在水泥净浆搅拌机中搅拌水泥浆体， 搅拌 3min， 水灰比为 0.50， 将之置入 (60× 60× 60)mm 3 试模中， 在标准养护条件下养护至 3d、 14d、 28d。 取出试样， 去除试块表面的水泥表皮， 采用内芯作为待测样品。 并置入无水乙醇中， 终止水化， 待测。

（6） XRD

采用 D8 ADVANCE（ 德国布鲁克） X 射线衍射仪对试样对试样在 5～ 70° 进行扫描， 步长为 0.02° ， 加速电压为40kV， 电流 40mA， 铜靶。

（7） DSC/TG

采用 NETZSCH STA—449C 综合热分析仪对试样进行测定。 升温速率为 20℃/min, 保护气体为 N 2 。 升温程序为， 从25℃ 以 20℃/min 升温至 50℃， 保温 30min， 以除去残留的自由水； 然后开始热分析试验， 以同样的升温速率升至 1000℃左右。

（8） MIP

美国产 Micromeritics AutoPore III 水银测孔仪。 汞压力范围为 0～ 55000psia。 样品破碎为 2.5～ 5mm， 干燥后测定。

2 混凝土减胶剂的性能研究

2.1 减胶剂掺量对胶砂强度的影响

采用了胶砂强度的方法对减胶剂的掺量范围进行确定。见图 1。 从图 1 中可知， 随着减胶剂掺量的增加胶砂强度先增加而后有所降低。 其掺量范围在 0.15%～ 0.35% 较为适宜。

掺量(%)

2.2 减胶剂与减水剂的相容性研究

减水剂及其应用技术已成为当代混凝土技术中不可缺少的关键技术， 也是高性能混凝土必不可少的组分之一。 本部分采用胶砂流动度的方法对减胶剂与萘系和聚羧酸系减水剂

的相容性进行了研究。

（1） 减胶剂与萘系减水剂的相容性

萘系减水剂是目 前我国用量最大的减水剂， 在民用建筑行业中， 萘系减水剂是主要的选用外加剂剂种。 掺减胶剂与萘系减水剂的砂浆流动度见图 2， 萘系减水剂掺量为 0.8%。

从图 2 中可以得知， 随减胶剂掺量的增加， 初始流动度略有增加， 但掺量增至 0.3% 以后流动度有所下降， 可能是由于该减胶剂与萘系减水剂竞争吸附， 使萘系减水剂分子的吸

附率下降所致； 流动度的经时保持能力有所增加， 特别是掺量增至 0.1% 以后， 保持能力得到显著提高。

（2） 减胶剂与聚羧酸系减水剂的相容性

聚羧酸系减水剂是一种相对萘系减水剂性能更优异的减水剂。 该外加剂在近年来国家的重大、 重点工程得到大量的应用， 目前在我国民用建筑中也开始了成规模应用， 其年产

量增加十分迅速， 2011 年产量达 239.11 万吨， 约占合成类减水剂的 30% 以上。 掺减胶剂的聚羧酸系减水剂砂浆流动度见图 3。 聚羧酸系减水剂折固掺量为 0.2%。 从图 3 中可以得知， 随减胶剂掺量的增加， 砂浆流动度略有增加， 但变化不大， 也即， 减胶剂对掺聚羧酸系减水剂流动性影响不大。

2.3 减胶剂的各项混凝土性能

采用 GB8076—2008 以及 GB8077—2012 的方法对减胶剂的各项性能进行了测试， 结果见表 2。

从表 2 可以得知， 减胶剂几乎没有减水率， 具有一定引气和缓凝效果， 对混凝土早期和后期抗压强度均有较大的提高， 几乎不含氯离子等混凝土有害成分。

表 2 减胶剂的各项性能

3 混凝土减胶剂的机理研究

混凝土减胶剂作为一种新型的材料， 掺入水泥混凝土中后对水泥的水化产物的影响如何？ 对孔结构的影响怎样？ 这对混凝土的力学性能以及耐久性十分重要。

3.1 减胶剂对水泥水化产物的影响

（1） XRD

空白试验与掺减胶剂（ JGJ） 试样的 XRD 结果见图 4。从图 4 中可以得知， 从峰的类型来看， 没有发现新的晶体产物， 但在 3d 时， 空白试样 CH 峰强度明显高于 JGJ 试样， 这表明， 空白试样 CH 的数量和结晶情况可能比 JGJ 的高。

（ 2） DSC/TG

空白试验与掺减胶剂（ JGJ） 试样的 DSC 结果见图 5。从图 5 中可以得知， 从材料的吸热分解情况来看， 各个试样的吸热峰基本相同， 也即， 未发现新的产物。

从热失重角度分析， 可以得知各样品中 CH 和总结合水的量。 见图 6 和图 7。

从图 6 中可以得知， 空白试样的 CH 数 量随水化程度的发展而逐渐增加， 而掺减胶剂试样 3d 的 CH 数量较高， 且在水化过程中基本不变。 结合图 4 的结果， 可以认为， 减胶剂的掺入促进了 CH 的形成， 但 CH 的结晶程度不高， 可能是无定形的。

从图 7 可以得知， 各龄期中， 减胶剂试样的总结合水量均高于空白试样的。 这表明， 减胶剂在各个龄期促进了水泥的水化进程。

3.2 孔结构分析

混凝土中孔对混凝土的性能影响巨大， 例如强度、 抗冻性、 碳化等。 资料显示， 可将混凝土中的孔分为四类：>10000nm， 大孔； 50～ 10000nm， 影响离子传输； 10～ 50nm

中孔， 影响渗透性和强度； 2～ 10nm 凝胶孔， 影响徐变性能。

    本文对掺减胶剂水泥浆体（ 28d） 的孔结构进行了分析，见图 8。

从图 8 中可以得知， 减胶剂试样小于 8000nm 的孔略多于空白试样， 而 8000nm 以上的大孔， 减胶剂较少， 这表明， 具有一定引气功能的减胶剂（ 表 2） ， 降低了浆体中的尺寸较大的孔， 增加了尺寸较小的孔， 这对混凝土的工作性以及耐久性是有意义的； 影响离子传输的 50～ 1000nm 的孔的数量基本与空白试样相同； 10～ 50nm 中孔数量， 减胶剂试样较空白试样的低， 这表明， 减胶剂的掺入可以降低硬化浆体的渗透性， 并可以增加浆体的强度； 2～ 10nm 凝胶孔数量，减胶剂试样比空白 试样的高， 而凝胶孔的孔隙率是固定的（ 约 28%） ， 凝胶孔数量的增加表明 CSH 凝胶数量的增加，也即减胶剂的掺入促进了CSH 凝胶的形成， 这对硬化浆体的力学性能是有益的。

表 3 内蒙某搅拌站掺减胶剂的生产结果 kg/m ³

4 混凝土减胶剂的工程应用

内蒙某搅拌站采用了混凝土减胶剂进行了混凝土的生产。 水泥采用北疆牌 P·O42.5， 28d 强度约为 45MPa， 泵送剂为北京产萘系高效减水剂， 减水率约为 20%， 河砂为中粗砂， 石为连续级配未破碎河卵石。 混凝土生产结果见表 3。

从表 3 中可以得知， 减少大量水泥后， 混凝土强度没有任何降低， 保守计算， 每立方米至少可以减少 25 公斤水泥。该外加剂在多个工程中得到了应用， 完全满足工程设计的要求， 取得了良好的效果。

5 总结

（1）减胶剂掺量在 0.15%～ 0.35% 能提高砂浆抗压强度。

（2） 减胶剂与萘系和聚羧酸系减水剂复合使用时， 工作性和力学性能不产生不良影响。

（3）混凝土减胶剂几乎没有减水率、 具有一定引气和缓凝效果、 对混凝土早期和后期抗压强度均有较大的提高， 几乎不含氯离子等混凝土有害成分。

（4）减胶剂可在减少 10% 左右的水泥用量情况下， 对混凝土的各龄期力学性能不产生不利的影响。

（5）减胶剂促进了水泥各龄期的水化， 但对水化产物的类型不产生影响， 促进了早期结晶程度不高的 CH 的形成。

（6）减胶剂改善了硬化浆体的孔结构，增加了8000nm 孔数量， 降低了大于 8000nm 孔的数量； 降低了中间孔（ 10～ 50nm） 数量， 提高浆体抗渗性； 增加了凝胶孔（ 2～ 10nm） 数量， 提高了 CSH 凝胶的数量。

参考文献

[1] 吴中伟， 廉慧珍. 高性能混凝土[M]， 中国铁道出版社，2000.

[2] 孙伟， 缪昌文. 现代混凝土理论与技术[M]， 科学出版社，2012.

[3] 王子明. 混凝土高效减水剂[M]， 化工出版社， 2011．

[4] http://data.stats.gov.cn/

［ 作者简介］

     左彦峰（ 1979—），男，工学博士，副研究员，主要从事混凝土外加剂的研究。

［ 通讯地址］ 北京市朝阳区管庄路建筑材料工业技术情报研究所（100024）