增效剂在混凝土中的作用机理

张梓鑫，顾瑞，朱亚杰

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430070）

增效剂在混凝土中的作用机理

张梓鑫，顾瑞，朱亚杰

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430070）

通过在混凝土中掺入增效剂，研究其对混凝土工作及力学性能的影响，通过宏观及微观试验方法研究了增效剂作用机理。试验结果表明：掺入增效剂后降低粉料（水泥）用量，混凝土的工作性变化不大，7d 强度略有降低，28d 强度高于基础空白样；增效剂对混凝土中粉料体系的增效作用主要源于对粉煤灰的激发效果（28d 活性系数提高 17.8%），水泥及矿粉受增效剂影响较小；增效剂能促进粉煤灰玻璃体活性物质在早期溶出，从而激发粉煤灰的早期活性，提高混凝土强度。

混凝土；增效剂；机理；活性激发

0　前言

混凝土作为当今使用量最大的人造石材，被广泛应用于道路、桥梁、隧道和房屋等领域，其生产方式也由现场搅拌逐步发展为商品预拌。水泥工业是能源和资源消耗型工业，同时也是 CO2排放的工业大户，每生产 1t 的水泥熟料需要排放 1t 的 CO2气体[1-2]。水泥工业的 CO2排放量占人类生产活动的碳排放的 5%～10%[3]。因此，降低商品混凝土中水泥的使用量，是实现混凝土向绿色环保方向发展的有效途径之一，但单方面的降低水泥用量会导致混凝土工作性不良和强度降低等诸多问题。

为解决这一问题，近年来混凝土增效剂得到广泛应用。由于增效剂生产厂家采取了严格的保密措施，产品成分不明确，对商品混凝土生产企业及建筑工程监督单位造成较大的质量监控风险。

研究增效剂的作用及其机理，能指导混凝土生产企业根据原材料及工程需求规范使用增效剂，并为增效剂的后期改进提供理论依据。

1　原材料基本性能及指标

1.1原材料

（1）水泥：采用华新 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其性能指标见表 1 所示。

表1　水泥物理性能指标

（2）粉煤灰：选用阳逻电厂Ⅰ级粉煤灰，其性能指标见表 2 所示。

表2　粉煤灰性能指标

（3）矿粉：选用武新 S95 级矿粉。

（4）细骨料：选用细度模数 2.5 的岳阳砂。

（5）粗骨料：选用 5～31.5mm 的阳新碎石。

（6）外加剂：选用中建商品混凝土公司聚羧酸高效减水剂，其减水率为 23%。同时选用北京某公司生产的增效剂(BTC)，其性能见表 3 所示。

表3　增效剂性能指标

2　试验结果及分析

2.1增效剂对混凝土工作性能及强度影响

采用 C40 等级混凝土配合比进行试验。根据增效剂使用说明，增效剂采用 0.6% 的掺量，水泥用量降低 30kg/m3，同时用水量降低 10kg/m3，将所减少的粉料用量全部回补到粗骨料上。各组混凝土的工作性能和强度如表 4 所示。

表4　增效剂对混凝土工作性能及强度影响

由表 4 可知，当减少水泥用量并掺入增效剂后混凝土的工作性能无变化，7d 强度略有降低，28d 强度高于基础空白样，强度增幅为 9.5%。

2.2增效剂对粉料活性激发效果影响

混凝土强度的形成主要源于胶凝材料的水化反应。混凝土中具有胶凝作用的粉料包含水泥、粉煤灰、矿粉，通过胶砂强度试验对比分析增效剂对粉料体系的增效作用。

粉料体系活性激发效果检测方法参照 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》及 GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中活性指数试验方法。活性激发指数按公式 (1) 计算。

式中：A——活性激发指数，%；

R28——试验胶砂 28d 强度，MPa；

R028——对比胶砂 2d 强度，MPa。

胶砂配比及试验结果如表 5 所示。

表5　胶砂配比及活性激发指数

从表 5 中数据可知，增效剂对混凝土中粉料体系的增效作用主要源于对粉煤灰的激发效果（28d 活性提高 17.8%）。水泥及矿粉受到增效剂影响较小，其强度的微弱提高主要是由于增效剂中减水成分提高了浆体的流动性，进而提高了浆体的密实度。

粉煤灰的化学活性（火山灰效应）是指粉煤灰中的活性氧化硅、氧化铝与氢氧化钙发生反应，生成具有胶凝作用的水化产物从而增强混凝土强度的性质[4]。当通常情况下，由于包裹粉煤灰的玻璃体是保持高温液态结构排列方式的介稳结构，在常温常压下其结构仍然很稳定，表现出较高的化学稳定性，在自然环境下要经过一个月或更长时间的激发，才能发挥其活性[5]。

通过化学激发剂及改性剂来激发粉煤灰的潜在活性是目前常用方法[6]，在增效剂中引入复合激发剂成分显著提高了混凝土中粉煤灰的早期活化反应。

2.3增效剂对粉煤灰活性激发微观分析

为进一步验证并探究增效剂对粉煤灰活性激发效应的影响，制作了水泥——粉煤灰体系净浆试件 ，粉煤灰掺量为 30%（质量百分比）。试件分为空白样（FA-0）及试验样（FA-BTC），其中对比样掺入 0.6% 增效剂。

将两组样品分别水养 7d、28d 后破碎，将破碎样浸泡于无水乙醇中终止其水化。分别取浸泡后样品 60℃ 干燥至恒重，在扫描电镜下（SEM）观察断面区域粉煤灰颗粒形貌。结果如图 1 所示。

图1　粉煤灰颗粒 SEM 图

从图 1(a)、(b) 中可看出，7d 时粉煤灰颗粒均被 Ca(OH)2包裹。其中没掺增效剂的空白样（FA-0）中粉煤灰表面较光滑，与水泥之间没有形成较好的水化黏结产物。而掺增效剂的试验样（FA-BTC）中粉煤灰颗粒表面出现了轻微的腐蚀。

从图 1(c)、(d) 中可看出，28d 时空白样（FA-0）中粉煤灰仍然没有明显水化反应痕迹，而试验样（FA-BTC）中粉煤灰颗粒表面在增效剂的激发下生成了许多短而纤细的水化产物。粉煤灰与水泥的水化产物相互胶结在一起提高了二者间界面强度，增加了浆体的密实度。

以上现象说明增效剂能促进粉煤灰玻璃体活性物质在早期溶出，从而激发粉煤灰的早期活性，提高混凝土强度。

3　结论

在混凝土粉料体系中掺入增效剂，通过宏观及微观方法探讨增效剂对混凝土的作用机理，得出以下结论：

（1）掺入增效剂后降低粉料（水泥）用量，混凝土的工作性变化不大，7d 强度略有降低，28d 强度高于基础空白样，强度增幅为 9.5%。

（2）增效剂对混凝土中粉料体系的增效作用主要源于对粉煤灰的激发效果（28d 活性提高 17.8%）。水泥及矿粉受到增效剂影响较小，其强度的微弱提高主要是由于增效剂中减水成分提高了浆体的流动性，进而提高了浆体的密实度。

（3）增效剂能促进粉煤灰玻璃体活性物质在早期溶出，从而激发粉煤灰的早期活性，提高混凝土强度。

[1] 吴中伟，高性能混凝土——绿色混凝土[J]．混凝土与水泥制品，2000(1): 3-6．

[2] P.K.Mehta. Concrete technology for sustainable development[J]. Concrete International, 1999, 21(11): 47-53.

[3] 沈卫国，姜舰，潘洪，等．抛填骨料砼是实现水泥砼低碳排放的途径之一[J]．新世纪水泥导报，2009,03:30-34．

[4] Qian Jueshi, Shi Caijun, Wang Zhi. Activation of blended cements containing fly ash[J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(8):1121～1127.

[5] 朱蓓蓉，杨全兵．粉煤灰火山灰反应性及其反应动力学[J].硅酸盐学报，2004,07:892-896．

[6] 栾晓风，潘志华，王冬冬．粉煤灰水泥体系中粉煤灰活性的化学激发[J]．硅酸盐通报，2010, 04: 757-761+783．

［通讯地址］湖北省武汉市东湖新技术开发区高科大厦 13 楼（430074）

张梓鑫（1986—），男，助理工程师。