混凝土增效剂对碎屑混凝土性能的影响

夏贞勇，黄成，朱蓬莱，牛茂威，张津践

（1.杭州经济技术开发区建设工程质量安全监督站，浙江 杭州 310018；2.杭州大江东产业集聚区规划国土建设局，浙江 杭州 311225；3.杭州来宝得新材料科技有限公司，浙江 杭州 311107）

混凝土增效剂对碎屑混凝土性能的影响

夏贞勇1，黄成2，朱蓬莱3，牛茂威3，张津践3

（1.杭州经济技术开发区建设工程质量安全监督站，浙江 杭州 310018；2.杭州大江东产业集聚区规划国土建设局，浙江 杭州 311225；3.杭州来宝得新材料科技有限公司，浙江 杭州 311107）

混凝土增效剂能减少胶凝材料用量，保持混凝土各项性能不降低甚至有所提高。通过调整配比，研究了混凝土增效剂对碎屑混凝土性能和微观形貌的影响。结果表明，掺加增效剂后，在减少水泥用量的同时，能有效改善混凝土的工作性能；混凝土的早期强度与基准相当，后期有所提高；早期收缩略大，后期收缩趋缓；电通量下降，抗渗性能有所提高。混凝土增效剂能够优化混凝土的微观形貌，增加混凝土密实度，混凝土增效剂在碎屑混凝土中应用完全可行，能够提高混凝土原材料的使用效率。

混凝土增效剂；碎屑混凝土；工作性能；收缩；抗渗性

0 引言

混凝土作为使用量最大宗的建筑材料，广泛应用于城市基础设施、水利工程、铁路及海洋工程等的建设，在国民经济建设中起到重要作用，2015年我国混凝土生产量超过30亿m3[1]。砂石骨料作为混凝土强度的重要组分，约占混凝土原材料总量的70%以上，需求量巨大，长期以来利益的驱动使得天然砂石的处于乱开乱采状态，天然砂石资源日益枯竭，部分地区甚至出现无砂可采的局面，供需矛盾十分突出，因此探索并合理利用天然砂石的替代原料成为混凝土技术发展的必然趋势。

人工砂石的应用拓展了混凝土原材料的来源，国家也制定了相应的技术标准[2]。碎屑是矿山开采后的废料，一般占碎石产量的20%～30%，碎屑的粗放堆置占用大量耕地，也给砂石企业的生产带来了麻烦。通过将碎屑进行有效筛分、加工，可制成人工砂，由于形成因素的原因，通常生产的碎屑棱角分明、细度模数较大、石粉含量较高，且有地区差异性[3-4]。为了促进碎屑在混凝土中的应用，国内外学者进行了大量卓有成效的研究，并成功应用于一些大型基建工程如日本明石海峡吊桥、我国水柏铁路工程等[5-6]，与之相适应的混凝土外加剂应用技术也日益成熟。混凝土增效剂作为近年来新兴的外加剂，能够在减少混凝土胶凝材料用量的同时，通过促进水泥浆体的分散，保持混凝土工作性能和强度等性能不降低，为混凝土企业节省成本，节能增效，得到商混生产企业的推崇[7]，但混凝土增效剂在碎屑混凝土中的应用研究还比较滞后。

本文选取C30和C40两种常用等级混凝土为研究对象，通过碎屑与细砂进行复配得到合理级配的混合砂，研究增效剂对碎屑混凝土工作性能、力学性能和渗透性能的影响，并对掺加增效剂的混凝土进行SEM分析，以期为增效剂在碎屑混凝土中的应用提供理论和实践参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：杭州南方P·O42.5水泥，比表面积359 m2/kg，标准稠度用水量27.0%；粉煤灰：Ⅱ级灰，浙江天达环保公司生产；矿粉：S95级，来源于张家港恒昌新型建材公司。水泥的基本物理力学性能见表1，水泥、粉煤灰和矿粉的化学成分见表2。

表1 水泥的基本物理力学性能

表2 水泥、粉煤灰和矿粉的化学成分%

混凝土增效剂：辅助性功能添加剂，来自杭州来宝得新材料科技有限公司，其主要物质组成（质量百分比）见表3，主要控制检测指标见表4。

表3 混凝土增效剂的主要物质组成%

表4 LBD型混凝土增效剂匀质性指标

石子：5～25 mm碎石，含泥量0.6%，压碎指标6.4；砂：碎屑和细砂，其主要性能指标见表5。

表5 碎屑和细砂的主要性能指标

萘系减水剂：浙江五龙，减水率约为20%。

水：自来水。

1.2 试验配合比

为了研究增效剂对碎屑混凝土性能的影响，试验采用C30和C40两种强度等级的混凝土，基准组采用企业实际生产配合比，掺入细砂调整集料级配，通过控制混凝土坍落度确定掺入增效剂后的用水量，尽量使对比前后混凝土水胶比基本保持一致。根据增效剂生产厂家建议，增效剂掺量为胶凝材料总质量的0.6%，具体试验配合比见表6。

表6 碎屑混凝土的具体配合比kg/m3

1.3 试验方法

（1）混凝土拌和物坍落度和扩展度、含气量等工作性能参照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。

（2）混凝土抗压强度参照GB/T 50081—2001《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

（3）采用接触法测试混凝土不同龄期的收缩变形。按照混凝土配比成型尺寸为100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件，每组3块，并预埋测头，带模养护1 d后脱模，放置温度为（20±2）℃、相对湿度为95%的养护室进行标准养护，测试不同龄期的混凝土收缩率。

（4）混凝土的抗渗性用电通量表征，根据CCES 01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，采用ASTM C1202电量法将养护至规定龄期的混凝土试块切割成φ100 mm×50 mm的圆柱体试样，每组3个样品。利用真空饱水饱盐装置将试样进行真空饱水，负极夹具中加入3%的NaCl溶液，正极夹具中加入0.3 mol/L的NaOH溶液，测试混凝土的电通量值。

（5）利用TESCAN VEGA2 LMU型扫描电镜观测水化产物的微观形貌，扫描电镜加速电压0.2～30 kV，电子束电流1 pA～2 μA。

2 试验结果与讨论

2.1 增效剂对碎屑混凝土工作性能的影响

混凝土工作性能的好坏直接影响混凝土成型的匀质性，也会影响硬化后的建筑结构的强度与耐久性，本试验测试了混凝土增效剂对混凝土拌和物工作性能的影响。同时，为了综合评价拌和物的施工性，测试了混凝土从倒坍落度桶中流出的时间（倒坍时间），测试结果见表7。

表7 增效剂对混凝土拌和物工作性能的影响

水泥是混凝土主要的胶凝材料，水化过程中伴随着能势壁垒的形成与突破，约20%的水泥未能充分水化，仅起填充作用，混凝土增效剂中含有醇胺类物质的氨基基团的电负性能够增强粉体颗粒表面的静电斥力，使得水泥浆体的分散性增强[8]。水泥浆体对集料的包裹性提高，同时增效剂适量的引气作用，使得混凝土拌和物的和易性改善。碎屑细度模数较大，石粉含量较高，对混凝土外加剂的吸附量增加。但由表7可见，增效剂在减水剂掺量比例相同时能够使混凝土坍落度和扩展度大幅增加，混凝土施工性能得到有效改善，同时，当水泥用量减少10%时，混凝土依然可以保持良好的工作性能，说明混凝土增效剂与减水剂及其它原材料适应性良好。

2.2 增效剂对碎屑混凝土抗压强度的影响

混凝土增效剂的加入在减少水泥用量的同时，依然可以保持甚至改善碎屑混凝土的工作性能，对混凝土的强度也会产生相应影响。掺入增效剂后，C30、C40碎屑混凝土的强度分别见图1和图2。

图1 掺入增效剂后C30碎屑混凝土的抗压强度

图2 掺入增效剂后C40碎屑混凝土的抗压强度

图1和图2显示，对2种不同强度等级的碎屑混凝土，掺入增效剂后试件的3 d和7 d抗压强度与基准碎屑混凝土相当。在胶凝材料减少下，掺入增效剂的C30和C40混凝土28d抗压强度都要高于基准碎屑混凝土，后期强度发展良好。这可能是因为混凝土增效剂的加入使得水泥浆体分散均匀，对集料的界面包裹能力增强，碎屑中包含的石粉可以提高混凝土拌和物的黏聚性，拌和物浇筑状态的改善促进了胶凝材料的水化硬化。有研究发现[9]，混凝土增效剂能够激发矿物掺合料的活性，使混凝土后期强度有所提高，本文试验结果也印证了这一点。

2.3 增效剂对碎屑混凝土体积稳定性的影响

混凝土由于自身水化、干湿交替和温度变化等原因会产生体积收缩，碎屑混凝土石粉含量较高，比表面积较大，吸水率高，因此在水分不足时也更容易产生收缩[10]。为了研究增效剂对碎屑混凝土收缩的影响，对成型后的混凝土试件体积变化情况进行测试，结果分别见图3、图4。

图3 掺入增效剂后C30混凝土的体积收缩率

图4 掺入增效剂后C40混凝土的体积收缩率

水泥在加水拌和后，水泥中的熟料矿物快速参与反应生成C-S-H凝胶、Ca（OH）2和钙矾石，形成致密的胶凝结构，生成的钙矾石能够部分补偿混凝土收缩。从图3、图4可以看出，掺入增效剂后的混凝土21 d前的收缩率要略高于基准碎屑混凝土，这可能是混凝土增效剂使用时降低了水泥用量，使得胶凝材料水化产物补偿混凝土收缩值降低。但同时也可以看出，加入增效剂后，混凝土28 d之后的收缩值收窄，且趋于稳定。这可能是混凝土增效剂在后期激发了矿物掺合料的活性，促进其二次水化，使得混凝土增效剂的加入一定程度上抑制了混凝土的整体收缩[11]。

2.4 增效剂对碎屑混凝土抗渗性能的影响

混凝土结构在服役的过程中由于自身致密性因素常会受到外界不良环境的侵蚀而造成耐久性不良，因此通常把混凝土的抗渗性能作为评价混凝土耐久性的重要指标。电通量法是测试和评价混凝土抗渗性能的常用手段，增效剂对碎屑混凝土抗渗性能的影响见表8。

表8 掺入混凝土增效剂后碎屑混凝土的电通量

混凝土增效剂中的醇胺类物质能够增强颗粒之间的电负性，颗粒之间的分散性增强，水化后的水泥浆体均化性提高[7]。另外，增效剂中的纳米SiO2能够更加有效地吸附水化产物中的Ca（OH）2等矿物，有效改善反应界面，增加混凝土的密实度[12]。由表8可见，掺入混凝土增效剂后，C30和C40两种强度等级混凝土28 d和60 d的电通量均有不同程度的降低，当水泥用量减少8%时，单位面积离子通过能力大幅降低，说明混凝土增效剂的加入浆体对骨料的包裹性增强，密实度提高。这说明混凝土增效剂能够在减少水泥用量的同时，依然能够提高混凝土结构的抗渗性能，对混凝土结构耐久性有利。

3 增效剂对混凝土微观形貌的影响

为了进一步探究增效剂对混凝土微观形貌的影响，取C30混凝土的2组样品C30-0、C30-1水化28 d的试件进行破碎、取样，并用无水乙醇终止水化，2组试样的SEM照片见图5。

图5表明，未掺增效剂的基准碎屑混凝土C30-0结构疏松多孔，致密性较差，水化程度较低，加入增效剂的碎屑混凝土C30-1致密度和水化程度大幅提高，水化产物之间相互胶结成致密的网状体。说明混凝土增效剂能够有效均化水化产物，改善浆体与骨料之间的界面，对胶凝材料水化也有一定促进作用，进而对混凝土的强度和抗渗性能等宏观性能有利。

图5 碎屑混凝土的SEM照片

4 结论

（1）相比基准混凝土，加入混凝土增效剂后碎屑混凝土的和易性明显改善，混凝土倒坍时间缩短，含气量略有增加，碎屑混凝土的施工性能明显改善。

（2）对于C30和C40两种强度等级混凝土，在水泥用量降低的情况下，添加增效剂的碎屑混凝土强度能够与基准碎屑混凝土早期强度相当，甚至后期强度有所提高。

（3）由于水泥用量减少，早期水泥水化产物对混凝土的补偿收缩减弱，使得掺加增效剂的碎屑混凝土早期收缩有所增加。但混凝土增效剂后期通过对矿物掺合料的激发，促进胶凝材料水化而补偿部分收缩，使得混凝土收缩幅度变窄，且趋于稳定。

（4）掺入混凝土增效剂后，C30和C40两种强度等级混凝土28 d和60 d的电通量均有不同程度的降低，特别是当水泥用量减少8%时碎屑混凝土的电通量下降明显，碎屑混凝土抗渗性能有所提高。

（5）SEM分析表明，相比基准碎屑混凝土，掺入增效剂后混凝土的密实度大幅增加，水化程度明显提高，水化产物彼此胶结，浆体与骨料界面得到改善。

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Influence of concrete synergist on performance of stone chip concrete

XIA Zhenyong1，HUANG Cheng2，ZHU Penglai3，NIU Maowei3，ZHANG Jinjian3
（1.Construction Engineering Quality and Safety Supervision Station of Hangzhou Economic and Technological Development Zone，Hangzhou 310018，China；2.Planning Bureau of Land and Construction of Hangzhou Jiangdong Industrial Zone，Hangzhou 311225，China；3.Hangzhou Lai Baode New Material Technology Co.Ltd.，Hangzhou 311107，China）

The concrete synergist can reduce the amount of cementitious material，keep the performance of the concrete not reducing or even improving.By adjusting the ratio，effect of concrete synergist on the properties of stone chip concrete and microstructure was researched.Results showed that in reducing the amount of cement，concrete synergist can also effectively improve the working performance of concrete.The early strength of concrete is comparable to that of the base，and increased slightly in later period.Shrinkage of concrete is larger in early phase，and slowed down in later period.By adding concrete synergist，concrete electric flux declines，which is beneficial to anti permeability of concrete.Concrete synergist can optimize the microstructure of concrete and increase the density of concrete.The application of the concrete synergist is feasible and can be used to improve the service efficiency of the materials.

concrete synergist，stone chip concrete，work performance，shrinkage，impermeability

TU528.042

A

1001-702X（2016）12-0046-04

2016-04-11；

2016-06-02

夏贞勇，男，1977年生，浙江杭州人，高级工程师，主要从事建设工程质量安全监督管理工作。