增效剂在水工高性能混凝土中增效机理的研究及其应用

雷 皓，宋晓波

（1.湖北省水利水电科学研究院，430070，武汉；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，430070，武汉）

增效剂在水工高性能混凝土中增效机理的研究及其应用

雷 皓1，宋晓波2

（1.湖北省水利水电科学研究院，430070，武汉；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，430070，武汉）

鄂北地区水资源配置工程高性能混凝土配合比优化研究中，重点对不同材料比例和不同XCL增效剂掺量配合比进行试验，通过对不同配比混凝土拌和物水化热、不同龄期混凝土进行XRD图谱和SEM微观分析，确定了适宜的增效剂掺量，并验证了混凝土的力学和耐久性能。

鄂北地区水资源配置工程；高性能混凝土；增效剂

鄂北地区水资源配置工程输水线路含倒虹吸11座，长76.104 km，采用3根预应力钢筒混凝土管（PCCP）并排同槽布置。PCCP是由钢板、预应力钢丝、混凝土和水泥砂浆4种基本原材料经过钢筒成型、混凝土浇筑、预应力控制技术的施加和保护层喷射等制造工艺后形成的一种新型复合管材。PCCP管壁厚度400mm，其中管芯混凝土厚度340mm，砂浆保护层净厚度25mm。管芯为高性能混凝土，设计强度等级为C55，采用立式浇筑震动成型，混凝土总方量约110万m3。

本研究项目通过不同掺量XCL增效剂对高性能混凝土带来的增强效果及对混凝土不同水化热的分析，确定适宜的增效剂掺量并通过生产性试验及混凝土力学和耐久性能的检验来验证优化配合比的效果。

一、原材料

1.一般材料

本项目所用水泥为普通硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；减水剂为聚羧酸高性能减水剂，推荐掺量为1.3%；细骨料细度模数为2.65，处于级配2区，其他各项指标经检验满足《建设用砂》（GB/T 14684—2011）Ⅰ类砂标准要求；粗骨料级配范围为5～25 mm连续级配，其他各项指标经检验满足《建筑用卵石、 碎石》（GB/T 14685—2011）Ⅱ类碎石标准要求。

2.XCL增效剂

本项目选用XCL型增效剂，推荐掺量为0.6%～0.8%的胶凝材料用量，增效剂具有改善和易性、提高混凝土匀质性、大幅度降低成本、较好的强度保证及绿色环保等优点。

二、基准配合比

根据掺用XCL增效剂前的配合比试验结果和线性回归方程，选定满足设计要求的配合比参数及每立方米混凝土各材料用量（见表1）。

三、配合比优化

XCL增效剂作为一种由高分子聚合物加功能性材料在常温下合成的一种新型外加剂，具有极强的分散和渗透功能，能有效提高富余水泥颗粒的分散性，改善混凝土工作性能，且显著降低混凝土胶凝材料用量，能有效解决本研究项目的关键问题。

1.确定增效剂掺量

（1）XCL增效剂掺量的分析

保证水胶比、砂率、减水剂用量不变，把基准配合比的水泥用量降低9%，分析XCL增效剂不同掺量对混凝土强度的影响。从试验结果可见，随着XCL增效剂掺量的增加，混凝土强度出现了先增加后基本平稳的趋势；当掺量达到0.6%时，混凝土强度与基准配合比混凝土的抗压强度持平；当掺量为0.8%时，混凝土强度增长不明显，基本与掺量为0.6%的混凝土一致。综合考虑增强效果及经济性两方面因素，确定C55管芯混凝土中XCL增效剂的最佳掺量为0.6%。

（2）XCL增效剂不同掺量对混凝土水化热的分析

试验采用掺量为0%、0.4%、0.6%、0.8%XCL增效剂进行测试，分析XCL增效剂对混凝土胶凝浆体水化热特征和水化程度的影响规律，试验结果见图1。

从图1可见，随着增效剂掺量增加，3天水化放热量略有增大，温峰出现时间略有提前。当增效剂掺量≤0.6%时，增效剂掺量的增加对水泥分散和水化程度促进作用明显，但分散增强组分掺量＞0.6%时，水泥和胶凝浆体水化程度随其掺量的增加而提高幅度较小，这可能是由于0.6%掺量已经接近其对水泥颗粒分散能力的临界点，因此，增效剂的适宜掺量为胶凝材料的0.6%。

2.配合比优化设计

在基准配合比的基础上，通过掺入0.6%的增效剂，在降低水泥用量上设7%、9%、11%共3个试验，考虑到增效剂的混凝土增强效果，在水胶比上设 0.30、0.32、0.34 共 3 个试验段，进行了9组配合比试验。试验采用的配合比及试验结果见表2。

由表2可以看出，在降低相同胶凝材料用量的配合比时，为保证混凝土的工作性能满足设计要求，减水剂的掺量有所变动，随着水胶比增大，混凝土抗压强度随之降低；相同水胶比时，降低胶凝材料用量越多，混凝土的抗压强度越低。工作性能和力学性能均满足C55管芯混凝土要求的配合比编号为 Z1-1、Z1-2、Z2-1、Z2-2。综合经济效益考虑，最终选择降低胶凝材料用量较多、减水剂掺量较少的配合比Z2-2与基准配合比J1-1进行全面的对比分析。

表1 基准混凝土配合比参数及每立方米原材料用量

表2 混凝土配合比原材料用量

图1 XCL增效剂掺量对混凝土胶凝浆体水化放热速率和水化放热量的影响

表3 推荐优化混凝土配合比参数及每立方米原材料用量

表4 混凝土总碱量计算表

3.XCL增效剂对混凝土力学性能影响机理分析

（1）XCL增效剂对混凝土影响的XRD分析

XRD即X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，以获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息。选取配合比编号为Z2-2与基准配合比为J1-1进行不同龄期XRD测试分析，编号J1-1未掺XCL增效剂的混凝土3个龄期水化物有氢氧化钙、钙矾石等，同时还有未参加反应的C3S、C2S、SiO2等矿物；编号Z2-2掺入XCL增效剂后，混凝土的3个龄期水化物基本与未掺时相同，没有发现新物质的生成，说明XCL增效剂并不改变混凝土水化物的种类。

（2）XCL增效剂对混凝土影响的SEM分析

SEM主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。对基准配合比J1-1与掺增效剂配合比Z2-2的混凝土3天、28天龄期SEM照片进行比较，发现28天时两组中Ca(OH)2含量均较3天时有较大增加，主要原因是随着龄期的增长，水泥的水化程度不断加深所致。掺XCL混凝土增效剂比未掺的基准配合比水化更充分。由此证明了XCL增效剂可以让掺入的水泥充分水化发挥作用，大大增加水泥水化势能，提高水泥颗粒的利用率。

4.XCL增效剂对混凝土耐久性能的影响分析

按照《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）中的试验方法，分别测试基准配合比J1-1与优化配合比Z2-2配制混凝土的抗渗和抗冻性能，所测性能均满足相关标准要求。

5.推荐优化配合比

（1）推荐优化配合比参数

根据配合比试验结果，满足设计要求且经济合理的配合比参数及每立方米混凝土各材料用量推荐见表3。从表3结果与表1基准配合比结果对比可见，采用0.6%的增效剂掺量的配合比可比基准配合比降低9%水泥用量。

（2）混凝土碱含量

《混凝土碱含量限值标准》（CECS 53：93）第4章表4.1.2规定：潮湿环境中重要工程结构混凝土最大碱含量不应大于3.0 kg/m3。从混凝土总碱量计算（表4）可见，优化后推荐混凝土配合比总碱量为1.938 kg/m3，比基准混凝土配合比总碱量降低0.241kg/m3，满足标准要求。

四、经济性比较

经生产性试验测算，掺XCL增效剂后配合比的原料成本为271.2元/m3，每立方米混凝土比基准配合比可以节约成本4.3元。按鄂北水资源配置工程PCCP总方量约110万m3来推算，共可节约原材料成本约473万元。可见，在满足混凝土配合比设计要求的前提下，使用掺XCL增效剂的混凝土可带来明显的经济效益。

五、结 论

综上所述，研究结论有三：

①鄂北地区水资源配置工程PCCP高性能混凝土XCL增效剂适宜的掺量为0.6%，且采用0.6%的掺量可降低9%水泥用量。

②XCL增效剂并不改变混凝土水化产物的种类，但能更好地分散水泥颗粒，提高水泥颗粒的利用率，在强度上具有明显的增强效果。

③掺XCL增效剂混凝土因胶凝材料用量降低，可有效控制混凝土温升，提高混凝土性能，并产生明显经济效益。

Studies on synergistic mechanism of potentiating agent for hydraulic high-performance concrete and itsapplication/

/Lei Hao,Song Xiaobo

During study on how to optimize mixture proportion of high-performance concrete in water allocation scheme in the northern part of Hubei Province,experiments were conducted on percentage of various materials and mixture proportion of different XCL potentiating agents.The reasonable amount of admixture has been determined by microanalysis of XRD atlas and SEM for hydration heat of concrete mixing content and concrete of different ages.Test is also given to mechanics and endurance performance of concrete.

water allocation scheme in northern part of Hubei Province;high-performance concrete;potentiating agent

TV42

B

1000-1123（2017）12-0030-03

2017-05-05

雷皓，高级工程师。

湖北省2016年省直部门科研项目《鄂北地区水资源配置工程高性能混凝土配合比优化研究》。

责任编辑 韦凤年