外加剂和掺合料对混凝土强度和耐久性的影响

2015-08-15胡晓曼

科技视界 2015年18期

胡晓曼姜巍

（1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽蚌埠 233000；2.安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽合肥 230088）

0 引言

水泥混凝土是由水泥、粗骨料、细骨料、水四种基本成分组成。随着混凝土技术的发展，外加剂和掺合料已经成为混凝土的第五、第六组成部分。但外加剂和掺合料的种类繁多，在混凝土中的作用也各个不同，因此，正确使用外加剂和掺合料对混凝土的强度和耐久性非常重要。

1 外加剂对混凝土强度和耐久性的影响

外加剂是混凝土的第五组分，掺入外加剂可改善混凝土的工作性、提高混凝土强度和耐久性，混凝土外加剂的特点是品种多、掺量小，对混凝土性能影响较大。下面以常用的减水剂、早强剂、缓凝剂和引气剂为例，介绍其对混凝土强度及耐久性的影响。

首先以减水剂为例，介绍其对混凝土强度和耐久性的影响机理。

由于施工性的需要，混凝土的实际用水量远远超过理论需水量，过剩的水会从混凝土内部蒸发出去，形成毛细管的通道，使水、空气及有害物质容易渗入，降低其抗渗性。加入减水剂后，使用水量大大降低，毛细管道减少，从而增强混凝土的密实性，提高强度。同时，外加剂的加入，引入了许多细小的闭口孔隙，阻断了毛细管通道，使水、空气和有害杂质很难渗入，从而提高了混凝土的长期性能及耐久性能。

混凝土外加剂的应用促进了混凝土技术的飞跃发展，给混凝土工程带来发了不可估量的经济效益。随着外加剂在混凝土中的广泛应用，其使用不当带来的负面影响也频繁出现。许多混凝土建筑使用外加剂后不但达不到预期的技术经济效益，甚至出现工程事故。如新拌混凝土严重泌水，水泥浆分层离析，预拌混凝土坍落度损失过快，甚至运至工地的混凝土无法浇筑，硬化混凝土收缩增加甚至出现开裂，强度、长期性能和耐久性能降低等也屡见不鲜。

分析外加剂负面影响因素，主要有三方面：

（1）混凝土原材料的性能对外加剂性能的影响

比如，有的外加剂与水泥、砂子、掺合料、石子、水混合一起搅拌时，会出现掺量增大，坍落度损失加快的现场，这就是外加剂与原材料不相容的表现。要解决这一问题，可按照规范《混凝土外加剂应用技术规程》GB50119-2013 附录A 的“混凝土外加剂相容性快速试验方法”[1]进行前期原材料相容性的检验。若外加剂与原材料不相容，则需更换外加剂或部分原材料，使其达到相容的状态。

（2）专业人员技能对外加剂使用性能的影响

主要是技术人员对不同外加剂作用机理、技术性能及应用效果的掌握程度，外加剂使用不当，易造成混凝土的负面影响。

目前，高效减水剂的应用已比较广泛，不同分子结构的外加剂有不同的使用效果。例如，氨基苯磺酸盐类及脂肪族类产品保水性差，单独掺用会增加混凝土泌水率，掺量高会造成混凝土分层离析，造成水泥浆与钢筋的握裹力差。而多环芳烃类高效减水剂有较好的保水性，所配制的混凝土粘性好，泌水少，与钢筋握裹力高，用于高水胶比混凝土效果高于其他品种减水剂。

市场上使用的缓凝剂种类较多，如蔗糖、糖蜜等；无机盐类如硫酸锌、三聚磷酸钠等，羟基羧酸盐类如柠檬酸酒石酸等，它们的作用机理及使用效果也不尽相同。如糖类缓凝剂能有效抑制硅酸三钙水化，糖蜜后期增加强度的效果好，但与水泥适应性差，在用于以硬石膏作调凝剂的水泥时会产生假凝。

（3）外加剂掺量对混凝土性能的影响

选用最佳掺量是保证混凝土良好技术经济效果的决定因素。随意掺加不但得不到较好的技术效果，更会给混凝土性能带来负面影响。例如，高效减水剂的掺量正常情况下，其1d、3d、7d、28d 抗压强度分别比基准混凝土至少增加140%，130%、125%、120%[2]，但超量掺入不但减水率不再增长，混凝土泌水率也随之增大，对混凝土强度和耐久性能也会产生负面影响。

缓凝剂用量不够达到预期缓凝效果，加入过量，混凝土长期不凝，不但影响混凝土早期强度，而且混凝土水份蒸发较快，严重影响混凝土水化，造成强度降低，增加塑性收缩，增大收缩开裂的机会，从而降低混凝土的耐久性。

早强剂的过量加入使混凝土早期强度发展较快，但后期强度损失大，并会产生离析现象，增加混凝土导电性能，增大收缩开裂的几率，降低混凝土的长期性能和耐久性能。

引气剂的过量加入，混凝土工作性反而下降，而且会影响混凝土抗压强度、抗冻、抗渗、抗碳化等耐久性性能。

2 掺合料对混凝土强度和耐久性的影响

2.1 粉煤灰对混凝土强度和耐久性的影响

粉煤灰混凝土强度发展较慢，早期强度偏低，故掺加粉煤灰后混凝土的早期强度低于普通混凝土，且粉煤灰掺量越高，早期强度降低越明显，但后期强度增长较快，特别是28 天以后，强度有显著提高，普通混凝土28 天强度增加幅度不明显。粉煤灰掺量不是越高越好，在粉煤灰掺量为20%时混凝土后期强度最大[3]。

使用Ⅰ和Ⅱ级粉煤灰配制的混凝土，在相同水胶比情况下，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土7 天和28 天强度会逐步降低，但是在60天时却出现拐点，并不是呈平滑的下降趋势，而是还有上升的空间。试验资料表明[5]：90 天时，掺量为10%的粉煤灰混凝土抗压强度超过普通混凝土强度1.56%，掺量为18%的粉煤灰混凝土抗压强度下降幅度减小至1.45%，掺量为25%的粉煤灰混凝土抗压强度下降幅度减小至9.81%。Ⅱ级粉煤灰在混凝土中的掺量从10%～18%对混凝土强度的发展较小，掺量较为为合理；粉煤灰掺量过多，对混凝土抗压强度的影响较大。

掺粉煤灰的混凝土与基准混凝土相比，抗碳化性能和抗冻性有所降低[6]，粉煤灰的二次水化使得混凝土中氢氧化钙含量降低，因而不利于混凝土的抗碳化性和钢筋的防锈。掺加粉煤灰的混凝土抗冻性有所降低，特别是采用劣质粉煤灰时。

2.2 矿粉对混凝土强度和耐久性的影响

矿粉用作混凝土掺合料可以等量取代部分水泥，取代量一般在20%～40%。矿粉混凝土与普通混凝土相比，对混凝土强度和耐久性影响有以下几点：

（1）与同强度等级的基准混凝土相比，矿粉混凝土早期强度1d、3d、7d 时有不同程度的降低，且随矿粉掺量的增加，早期强度下降越明显，14d 时矿粉混凝土的强度与基准混凝土相差不大，28d 时矿渣混凝土强度略大于基准混凝土强度。

（2）矿粉的微集料效应和二次水化反应优化了混凝土的孔结构，使混凝土结构更致密，孔径细化，连通孔减小，大大提高了混凝土的抗水渗透性能和抗氯离子渗透性能。同时掺矿粉的混凝土中由于水泥用量减少和矿粉本身对碱的吸附，使整个混凝土体系内的氢氧化钙含量减少，其抗硫酸盐腐蚀性能和抑制碱骨料反应的能力明显提高。但掺加矿粉增加了混凝土的干燥收缩，尤其是早期收缩。

目前，预拌混凝土生产时，一般不采用单掺矿粉，而是采用矿粉和粉煤灰双掺的技术配制混凝土，利用粉煤灰和矿粉的综合效应，使混凝土结构致密，抗压强度得以提高。