多元复配早强型聚羧酸减水剂的性能研究

薛军鹏

（1.福建省建筑科学研究院，福建 福州 350025；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350025）

多元复配早强型聚羧酸减水剂的性能研究

薛军鹏1，2

（1.福建省建筑科学研究院，福建 福州 350025；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350025）

分别选用3种无机早强组分（NS、CS、CN）和2种有机早强组分（DMEA、TEA）与聚羧酸减水剂（CGM）进行二元、三元复配，对复配前后的新拌混凝土流动度和硬化混凝土各龄期强度进行测试，提出了不同类型的早强组分与聚羧酸减水剂复配试验的早强规律。结果表明，无机-有机-CGM三元复配比无机-CGM、有机-CGM二元复配体系具有更好的的早期增强效果。

聚羧酸减水剂；早强组分；多元复配；早期强度

0 引言

聚羧酸系高性能减水剂具有掺量低、减水率高、混凝土拌合物工作性好、保坍能力强、收缩率小、增强潜力大、绿色环保等突出特点，已成为今后发展与应用的重点，得到国内外混凝土外加剂专业技术人员的高度重视[1]。我国近30年来在聚羧酸系高性能减水剂的研究和应用方面取得不断的进展，应用也从重大工程逐渐转向基础工程，其用量在不断增加。但是，聚羧酸系减水剂的独特分子结构特点会延缓水泥的水化，影响混凝土早期强度的发展，限制了在预制构件和具有特殊要求的工程（冬季工程、寒冷环境等）的应用。

实现聚羧酸系减水剂的早强功能包括合成和复配2种技术途径，前者采用特殊的单体合成本身具有早强功能的聚羧酸聚合物[2-4]，后者是将常规的聚羧酸减水剂与早强组分复配，从而达到早强的目的[5-7]。前一种方法受制于单体种类的筛选，难度大；后一种方法操作简便，见效快，更适宜在实际工程中应用。本文对常规的聚羧酸减水剂与不同早强组分的复配规律进行探索，尝试通过复配的方法解决聚羧酸系减水剂的早强问题，促进聚羧酸系减水剂的推广和应用。

1 实验

1.1 主要原材料与仪器设备

（1）聚羧酸减水剂

醚类聚羧酸减水剂CGM（TPEG-AA-AMPS），固含量45%密度1.080 g/cm3，pH值6～7，自制，其化学结构式如下：

（2）早强组分

早强组分的筛选遵循以下原则：①早强组分对水泥浆体的工作性能影响小；②考虑到混凝土耐久性问题，尽量避免碱金属盐类。试验优选了5种无氯、无硫酸根的早强组分：3种含氮的无机盐CS、NS、CN；2种含氮的有机胺N，N-二甲基乙醇胺（DMEA）、三乙基胺（TEA）。

（3）性能测试材料

水泥：P·O42.5，炼石；河砂：Ⅱ区中砂，细度模数2.7；石子：5～20 mm，其中5～10 mm占40%，10～20 mm占60%，满足连续级配要求。

（4）主要仪器设备

SJD-60型强制式单卧轴混凝土搅拌机；TYA-2000型电液式压力试验机；NEL-PER型混凝土渗透性电测仪。

1.2 试验方法

通过在混凝土中掺加不同掺量和种类的早强组分，观察测试新拌混凝土的流动性及硬化混凝土的1、3、7、28 d抗压强度，来探索复配组分对混凝土拌和物和硬化混凝土性能的影响规律。对复配成品的混凝土收缩率比、相对耐久性、电通量等指标进行测试，评价其对混凝土耐久性能的影响。相关试验方法按GB 8076—2008《混凝土外加剂》、GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。

混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）=360∶820∶1045，水胶比为0.49，砂率为44%，聚羧酸减水剂CGM的折固掺量均为0.16%。

2 结果与讨论

2.1 无机盐与CGM的复配性能

3种含氮的无机盐在不同掺量下，对新拌混凝土的流动性和不同龄期混凝土强度的影响见表1。

表1 无机盐CS、NS和CN掺量对混凝土性能的影响

从表1可以看出：

（1）选择的3种无机盐含氮元素，不含硫元素，因此不论是在哪种掺量下，混凝土各龄期强度都有不同程度的提高；另外，在本文选择的掺量范围内，混凝土拌和物的流动性良好。

（2）NS各掺量下，混凝土1、3、7、28 d强度均比空白组对应增大。与只掺加CGM时相比，各掺量下1 d抗压强度比分别达到118%、126%、145%、135%。当掺量增加到0.075%时，各龄期抗压强度达到最大，相对于只掺加CGM时的抗压强度比分别为145%、123%、125%、120%。当继续增大NS掺量时，各龄期抗压强度表现出下降的趋势。综合考虑各龄期强度的影响，NS的最佳掺量应保持在0.075%。

（3）CS对混凝土抗压强度的影响与NS有很大的相似性，这是因为CS与NS是同系列化合物，两者在早强机理上有共同之处。NS、CS易溶于水，能够促进水泥颗粒的水化进程，在短时间内形成较多的水化产物，形成强度发展骨架，缩短水泥凝结时间，加快早强强度发展[7]。但是，CS的1 d、3 d强度发展比NS快，7 d、28 d强度发展与其相当；另一个不同之处是，达到相同效果，CS的掺量高于NS的掺量。随着CS掺量的逐渐增加，其混凝土的抗压强度表现出先升高后降低的趋势，这说明CS与CGM复配能提高混凝土的抗压强度，且存在一个最佳的掺量0.15%，该掺量下各龄期的抗压强度最高，与空白组的抗压强度比分别达到151%、141%、121%、120%。

（4）CN早强组分能降低C3S-H2O系统的pH值，从而加速C3S的水化；另一方面，CN具有盐效应，加大水泥颗粒的溶解度，加快水泥水化反应的进程，从而加速水泥及混凝土的硬化速度[7]。从表1可以看出，CN各掺量下，混凝土1 d抗压强度增长较快，3 d、7 d强度也有稳定的增长，28 d强度与空白组基本持平。在CN掺量为0.10%、0.15%、0.20%时，其1 d强度分别是空白组对应龄期强度的118%、131%、141%，3 d、7 d强度都达到空白组的110%左右。当掺量超过0.20%时，各龄期抗压强度表现出下降的趋势。综合各龄期抗压强度来看，CN的掺量宜控制在0.15%～0.20%。

2.2 有机胺与CGM的复配性能（见表2）

表2 有机胺不同掺量对混凝土性能的影响

从表2可以看出，2种有机胺在较低的掺量下与CGM复配都表现出明显的早强效果，特别是TEA与CGM复配时的增强效果更为显著。在本文所选的掺量范围内，混凝土拌和物的流动性良好。

（1）DMEA和CGM复配使用时，整体上能够使混凝土各龄期强度得到一定程度的平稳增长，但这种效果比较有限。因此，在后续的三元复配方案中，未选择DMEA为复配组分。

（2）TEA在试验掺量范围内，混凝土各龄期强度都有不同程度的增长。当掺量为0.03%～0.05%时，各龄期强度增长速度为1 d＞7 d＞3 d＞28 d；当掺量超过0.05%时，各龄期强度增长速度降低。掺量为0.05%时，各龄期抗压强度增速最快，相对于空白组的抗压强度比分别达到137%、117%、129%、 116%，早强效果最佳。

综上所述，有机-CGM二元复配后表现出的强度增长不如无机-CGM复配的效果优异。有机胺的早强作用机理主要是因为，有机胺分子中的N元素具有孤对电子，很容易以配位键同水泥表面水化产物中的Al3+、Fe3+等金属离子形成易溶于水的络合物，在水泥颗粒表面形成许多可溶点，使C3A C4AF的溶解扩散速率提高，加快了与石膏之间形成钙矾石提高早期强度[8]。

2.3 CGM与有机胺-无机盐三元复配性能

根据前面二元复配的最优掺量，将CGM与有机、无机早强组分进行三元复配，三元复配对混凝土性能的影响见表3。

表3 CGM-无机-有机三元复配对混凝土性能的影响

由表3可见：

（1）CGM-NS-TEA三元复配各龄期混凝土抗压强度比分别为152%、125%、126%、125%，CGM-CS-TEA三元复配的分别为163%、131%、123%、122%，CGM-CN-TEA三元复配的分别为152%、115%、114%、104%。相比二元复配，聚羧酸减水剂与有机、无机早强组分进行三元复配时，各龄期抗压强度比有了进一步的提高，体现出无机与有机早强组分复配时良好的协同作用。在聚羧酸减水剂的基础上复配无机-有机早强组分构成复合减水剂，聚羧酸减水剂保证了新拌混凝土良好的流动性，无机-有机早强组分从不同方式加速水泥的水化速率，缩短水泥凝结时间，促进混凝土早期强度的发展。

（2）三元复配体系使水泥浆的总孔隙率降低，浆体结构密实，抗氯离子渗透和抗冻性得到一定程度改善。

3 结论

（1）3种含氮的无机盐NS、CS、CN与聚羧酸减水剂CGM二元复配时的最佳掺量分别为0.075%、0.15%、0.20%，2种含氮胺DMEA、TEA与聚羧酸减水剂CGM二元复配时的最佳掺量分别为0.06%、0.05%，且TEA效果优于DEMA。在此掺量下，混凝土拌和物的流动性良好。

（2）无机-有机-CGM三元复配比无机-CGM、有机-CGM二元复配体系表现出更好的增强效果。无机-有机-CGM三元复配的协同效果，收缩率比较小，浆体结构密实，水泥早期强度有较大的增长，后期强度能持续增长，抗氯离子渗透和抗冻性得到一定程度改善。

[1]孙振平，杨辉.国内聚羧酸系减水剂的研究进展与展望[J].混凝土世界，2013（3）：31-35.

[2]林艳梅.早强型聚羧酸高性能减水剂的合成研究[J].新型建筑材料，2014（5）：11-14.

[3]张光华，陈淼，相瑞，等.早强型聚羧酸减水剂的合成及性能研究[J].陕西科技大学学报：自然科学版，2014（4）：61-65.

[4]陈国新，祝烨然，黄国泓，等.早强型聚羧酸系减水剂的合成与性能研究[J].新型建筑材料，2014（6）：7-9.

[5]赵明明，辛运来，王亮.无机盐类早强剂与聚羧酸高效减水剂复配研究[J].混凝土，2011（4）：91-94.

[6]雷西萍.复配型早强减水剂的制备与性能研究[J].硅酸盐通报2010（4）：948-952.

[7]王子明，刘进强.新型聚羧酸系超早强复合减水剂试验研究[J].低温建筑技术，2008（6）：15-17.

[8]张云理，卞葆芝.混凝土外加剂产品及应用手册[M].北京：中国铁道出版社，1994：129-130.

Study on the properties of multi-combination early strength polycarboxylate superplasticizer

XUE Junpeng1，2
（1.Fujian Academy of Building Research，Fuzhou 350025，China；
2.Fujian Green Building Technology Key Laboratory，Fuzhou 350025，China）

Inorganic（NS，CS，CN）and organic（DMEA，TEA）accelerants were introduced to combine with polycarboxylate superplasticizer（CGM）in binary and ternary forms.The fluidity of fresh concrete and compressive strength of concrete at different ages were investigated with and without these accelerants，which was used to evaluate the early strength rules.The result indicated that the inorganic-organic-CGM ternary compound system had better combination effect than inorganic-CGM or organic-CGM forms.

polycarboxylate superplasticizer，early strength accelerant，multi-combination，early strength

TU528.042

A

1001-702X（2016）09-0077-03

2016-02-18；

2016-03-24

薛军鹏，男，1977年生，山西运城人，硕士，高级工程师，主要从事混凝土外加剂及耐久性研究。