碱对掺萘系减水剂混凝土的性能影响

杭美艳，魏泽雨，王树奇

(1.内蒙古科技大学,包头　014010；2.包头市安顺建材责任有限公司，包头　014010)



碱对掺萘系减水剂混凝土的性能影响

杭美艳1，魏泽雨1，王树奇2

(1.内蒙古科技大学,包头014010；2.包头市安顺建材责任有限公司，包头014010)

本文以五种不同厂家生产的萘系减水剂为研究对象，研究了碱对混凝土流动性和抗压强度的影响，从液体表面张力角度说明了碱对混凝土性能提高的作用机理。研究表明，碱对萘系减水剂混凝土流动性和抗压强度都有提高，但对不同厂家生产的减水剂作用效果不同，碱对萘系减水剂作用效果是具有选择性的。同配比条件下，碱的掺入能降低混凝土综合成本。

混凝土； 碱； 表面张力； 抗压强度

1　引　言

外加剂作为混凝土的第五种组分已经越来越受到重视，而减水剂是外加剂中应用最广，使用量最大的一种外加剂。随着混凝土外加剂的发展，萘系减水剂因具有高效的减水性能和较强的适应性已被广泛应用于混凝土中[1]。本文通过大量的试验研究发现掺入适量的碱对萘系减水剂性能有一定的激发作用，可以明显改善混凝土的性能。本项研究选择不同厂家生产的萘系减水剂UNF-5作为母体，将碱与萘系减水剂复合掺入混凝土中，研究碱对萘系减水剂混凝土的流动性与强度的影响，研究结果为萘系减水剂在实际工程中广泛应用提供一定的理论参考与指导。

2　试　验

2.1试验材料

水泥：冀东P·O42.5级水泥，其主要物理力学性能见表1；

砂子：河砂，细度模数2.6，含泥量6.2%；

石子: 碎石，5～31.5mm连续级配，其他性能符合标准要求；

水：饮用水，符合混凝土用水标准；

萘系减水剂：由泓乐、乌海、万山、英泰及屹峰五个不同厂家生产的萘系高效减水剂，减水剂的含水率，砂浆减水率及碱含量见表2。试验方法依据GB/T8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行;

碱：主要成分为碳酸钠，纯度99.0%，含有微量氯化物、铁离子和硫酸盐等杂质。

表1　水泥主要物理力学性能

表2　不同厂家萘系减水剂的含水率及砂浆减水率

2.2试验方法

研究保持水胶比、减水剂掺量不变的条件下，对掺碱与不掺碱混凝土的性能进行研究。碱掺量为0.8‰C。混凝土设计强度等级C30，基准配合比见表3。试验采用泓乐、乌海、万山、英泰和屹峰五种不同厂家生产的UNF-5分别做对比，减水剂掺量0.6%C。以坍落度和扩展度为指标评价混凝土的流动性。首先测定混凝土的初始坍落度和扩展度，然后将混凝土放置于密闭桶中静置20min再次测定其坍落度和扩展度，最后将混凝土装模成型，标准养护到规定龄期后进行抗压强度试验。试验方法按GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》及GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

表3　混凝土基准配合比

3　结果与讨论

3.1碱对混凝土流动性影响

混凝土的流动性是衡量混凝土性能的一个重要指标，它不仅由组成混凝土的材料决定，还取决于所用外加剂的性能。本文将减水剂掺碱与不掺碱混凝土搅拌后的出机状态进行比较，五种减水剂在掺入碱之后混凝土初始流动性都有提高。图1，图2为泓乐减水剂出机状态，可以看出，两组混凝土粘聚性和保水性无差异，但掺碱混凝土初始坍落度和扩展度有提高。

经过大量试验获得五种不同萘系减水剂混凝土在掺碱与不掺碱时初始坍落度和扩展度值及20min后流动性数值，如图3、图4所示。

图1　0.6%C减水剂+碱混凝土出机状态Fig.1　State of 0.6%C water reducing agent+alkali concrete

图2　0.6%C减水剂混凝土出机状态Fig.2　State of 0.6%C water reducing agent concrete

图3　碱对萘系减水剂混凝土坍落度的影响

图4　碱对萘系减水剂混凝土扩展度的影响Fig.4　Effect of alkali on the slump flow of naphthalene series water reducer concrete

试验结果表明，在相同的水胶比和减水剂掺量下，碱的掺入对五种减水剂混凝土流动性都有提高，初始坍落度提高0～1.5cm，扩展度提高1～4cm；20min后，坍落度损失减少了0～4.5cm，扩展度损失减少了0～9cm。其中万山减水剂混凝土掺碱后初始坍落度提高最大(1.5cm)，20min后坍落度损失与不掺碱相同；乌海减水剂混凝土掺碱后初始坍落度无提高，20min后坍落度损失减少的最大(4.5cm)。碱提高了混凝土流动性并减少了经时损失，这在一定程度上节省了减水剂中减水保坍的成分，降低了混凝土成本。碱对不同减水剂混凝土流动性提高有差异，说明碱对减水剂作用效果具有选择性。

3.2碱对混凝土强度的影响

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图5　碱对萘系减水剂混凝土强度影响Fig.5　Effect of alkali on the strength of naphthalene series water reducer concrete

混凝土抗压强度是评定混凝土性能的一个重要指标，对于掺不同萘系减水剂的混凝土，在掺碱与不掺碱条件下测得的28d和56d的强度值见图5。

对于五种不同的UNF-5，碱对萘系减水剂混凝土强度都有提高，尤其是对后期强度的提高，提高幅度在1%～6%之间。不同厂家减水剂性能不同，碱对其激发效果也不同，掺碱后混凝土56d强度泓乐提高较小(1%)，万山提高较大(6%)，说明碱对萘系减水剂混凝土强度的激发是有选择性的。

3.3掺入碱对混凝土总碱量影响

为避免碱集料反应引起的混凝土结构膨胀破坏，对混凝土中总碱含量(R2O=Na2O+0.658K2O)有一定的限制。CECS53：93《混凝土碱含量限值标准》中规定，对于潮湿环境下的重要工程结构，混凝土中碱含量限值为3kg/m3[2]。本文混凝土中碱主要由胶材、水及外加剂带入。试验中，水泥带入混凝土中的碱为1.914kg/m3，水带入0.012kg/m3，外加剂带入约0.14kg/m3，掺碱带入0.092kg/m3，总碱量约为2.158kg/m3。可以看出，与其它成分相比，掺碱带入的碱量很少。掺入碱在改善混凝土流动性和强度的同时，不存在对碱集料反应的影响。

4　碱对萘系减水剂混凝土性能提高作用机理

凡作用于液体表面，使液体表面积缩小的力称为液体表面张力。表面张力直接影响着固液接触角和润湿过程，进而影响吸附分散性质，是液体的一个重要物理性质。为了研究碱对混凝土性能提高机理，分别将五种UNF-5配制成掺碱与不掺碱时的溶液，溶液中UNF-5的浓度为10g/L，碱溶液浓度为1.4g/L，测定溶液在20 ℃时的表面张力，结果见表4。

表4　不同UNF-5溶液掺碱与不掺碱表面张力

图6　不同UNF-5溶液掺碱与不掺碱表面张力对比

图7　萘系减水剂的分子结构Fig.7　Molecular structure of naphthalene series water reducer

4.1减水剂提高混凝土流动性原因

减水剂是一种表面活性剂，表面活性剂分子取代了水表面层的分子，使表面层中表面活性剂分子浓度大于溶液中的浓度，表面张力降低[3]。萘系减水剂具有两亲性结构，一端亲水(-SO3Na)另一端亲油(-CH2)，其分子结构如图7。分子极性端进入水相，非极性端受到水的排斥，离开水相排向水面，憎水部分伸向空气。微观上看，表面层减水剂分子所受的向内的拉力比水分子的要小些，即表现出减水剂溶液的表面张力低于水的表面张力。减水剂降低水的表面张力，润湿效果增强[4]，混凝土流动性提高。不同减水剂分子量和分子链长度有差异，其溶液表面张力也不同，对混凝土流动性提高程度也不同。

4.2碱对减水剂作用机理

掺入碱后减水剂表面张力降低，是因为碳酸钠中反应离子中和了表面活性剂中部分亲水基电荷，降低了相电位[5]。在碳酸钠中阳离子作用下，表面层减水剂分子排列更为紧密，所受向内拉力变小，这使减水剂表面张力降低，溶液分散性提高，相应的其混凝土流动性都有了提高。

5　结　论

(1)碱的掺入提高了萘系减水剂混凝土的流动性减少经时损失，提高了混凝土强度，对后期强度的提高最为明显;

(2)碱对萘系减水混凝土性能的作用效果是有选择性的，不同厂家生产的减水剂碱对其混凝土性能提高不同;

(3)同配比条件下，碱的掺入降低了混凝土的综合成本;

(4)萘系减水剂混凝土中掺入一定量碱，在提高流动性和强度的同时，不存在对碱集料反应的影响。

[1] 水中和,魏小胜,王栋民.现代混凝土科学技术[M].北京，科学出版社，80-81.

[2] 龙庆,杨彦克,赵世运,等.有关碱-骨料反应中碱含量研究综述[J].四川建筑,2005,25(6):126-128．

[3] 刘先锋.表面活性剂在碱矿渣水泥系统中表面化学特性的初步研究[D].重庆：重庆大学学位论文，2006.

[4] 魏金,丁向群,沈洁,等.聚羧酸系高效减水剂的制备及其性能研究[J].硅酸盐通报,2012,31(1):42-45．

[5] 贺国旭,孙浩杰,昝洪涛,等.无机盐对SDS溶液表面张力的影响[J].化工时报,2008,(10):42-44．

EffectofAlkalionthePerformanceofConcreteMixedwithNaphthaleneSeriesWaterReducer

HANG Mei-yan1，WEI Ze-yu1，WANG Shu-qi2

(1.InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnolodgy,Baotou014010,China;2.AnshunBuildingMaterialsLimitedLiabilityCompanyofBaotou,Baotou014010,China)

Thetexttakesthenaphthaleneserieswaterreducerproducedbyfivedifferentmanufacturersforresearchobject,theeffectalkalionitsconcretefluidityandcompressivestrengthisstudied.Fromtheangleofsurfacetensionofliquidandcementhydrationdegreetoexplaintheeffectofalkalionimprovingtheperformanceofconcrete.Theresultsshowthatthealkalibothimprovethefluidityandcompressivestrengthofthenaphthaleneserieswaterreducingagentsconcret,howevertheeffectsaredifferenttonaphthaleneserieswaterreducingagentsfromdifferentmanufacturers.Theeffectalkalionnaphthalenewaterreducingagentsareselective.Underthesameratiocondition,thealkalireducesthecomprehensivecostoftheconcrete.

concrete;alkali;surfacetension;compressivestrength

内蒙古自治区自然科学基金项目(2013MS0731)

杭美艳(1964-)，女，教授级高工.主要从事高性能混凝土及固体废弃物综合利用方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0123-05