聚羧酸减水剂掺量对混凝土性能影响研究

2019-08-31丁明强

福建交通科技 2019年4期

■丁明强

(新疆兴亚工程建设有限公司，乌鲁木齐 831100)

0 引言

近年来，随着水泥混凝土的高速发展，建筑工程中对混凝土的品质和性能要求随之提高，普通混凝土逐渐无法满足建筑设计要求[1-2]。聚羧酸减水剂因具有减水率高、适应性强、增强效果好等优点，逐渐成为混凝土新型高性能外加剂中极具代表之一[3-4]。聚羧酸减水剂不仅起到低掺量高减水效果，更能提高混凝土的保坍性能，因此深入研究聚羧酸减水剂对高性能混凝土的发展具有重要意义。

目前，关于高性能混凝土工程展开了大量研究，其研究成果形成了许多规范和典籍。如马士宾等[5]关于基于响应面的路用高性能水泥混凝土配合比进行优化研究，研究发现随着粉煤灰和砂率的增加，高性能混凝土28d 抗折强度出现先升高后降低的趋势；当砂率为0.34 左右的范围时，粉煤灰的掺量在38～42kg/m3范围内可以得到较高的抗折强度；随着减水剂的增加，28d 抗折强度响应值缓慢增大。张志豪等[6]关于自密实型超高性能混凝土(UHPC)的优化设计与性能展开研究，研究发现优选的水泥粉煤灰基体在减水剂掺量为2.3%(23kg/m3) 时制备的UHPC，达到自密实混凝土的自密实性能要求；极限拉伸应变为2.5‰，韧性指数I5、I10、I20 分别为7.1、15.6 和0.8，均符合UHPC 的力学性能指标。赵秋等[7]关于不同钢纤维掺量高配筋超高性能混凝土板抗弯试验展开研究，研究发现钢纤维掺量对HRUHPC 矩形板的开裂强度和抗弯极限强度影响显著；当钢纤维掺量超过3%时，HRUHPC 板开裂后的抗弯刚度与未开裂前没有明显降低，高钢纤维掺量可以有效抑制开裂变形。都志强等[8]关于不同外加剂掺量对喷射混凝土抗渗透性和耐久性的影响进行研究，研究发现粉煤灰、膨胀剂、减缩剂、引气剂分别为15%、6%、1.5%和0.01%的情况下，在耐久性和抗渗透性方面的表现最佳。上述研究主要是从混凝土配合比、材料参数和外加剂掺量等方面配制高性能混凝土，而关于聚羧酸减水剂的研究还有待进一步完善。基于此，本文深入研究聚羧酸减水剂掺量对混凝土性能的影响，通过对比试验，最终确定聚羧酸减水剂的最佳掺量。

1 试验方案

1.1 原材料选用

(1)水泥：试验采用P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，水泥物理性能见表1，化学性能见表2。

表1 水泥物理力学性能

表2 水泥化学性能

(2)细集料：试验采用由山石破碎后所得机制砂，石粉含量为2.4%，细度模数为2.8。

(3)粗集料：试验采用石灰岩碎石，骨料粒径为5～10mm、10～20mm，连续级配，表观密度为2700kg/m3，针片状含量为3.8%，，含泥量为0.2%，含水率为0.1%，压碎指标7.4%。

(4)粉煤灰：试验采用某厂生产的Ⅱ级灰，细度为11%，含水率为0.62%，烧失量为2.8%。

(5)减水剂：试验采用缓释型聚羧酸减水剂，减水剂性能指标见表3。

(6)拌合水：采用实验室洁净自来水。

1.2 配合比设计

(1)试验方法

混凝土工作性能按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T50080-2011)》要求进行测试；混凝土抗压强度按照(GB/T50081-2011)要求进行测试；混凝土塑性收缩按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法(GB/T50082-2009)》要求进行试验；混凝土耐磨性能按照《公路工程水泥及水泥混凝土混凝土试验规程JTG E30-2005》要求进行试验。然后通过理论计算、试件配制和调整分析，最终确定混凝土基准配合比设计如表4 所示。

表3 聚羧酸减水剂性能指标

表4 混凝土基准配合比设计表

2 试验结果分析

2.1 工作性能

聚羧酸减水剂的用量对混凝土的工作性能造成一定影响，通过采用控制变量法，在控制其他材料和用量不变的条件下，分别针对聚羧酸减水剂掺量为0%、0.5%，1%和1.5%的混凝土拌合物流动性、和易性进行对比分析，试验结果如表5 所示。

表5 混凝土工作性能试验结果

根据表5 可知，在不掺入聚羧酸减水剂时，混凝土拌合物的坍落度较小，坍落度损失值较大，和易性较差较低，在掺入少量聚羧酸减水剂后，混凝土的工作性能均得到很大提升，说明聚羧酸减水剂的掺入对提升混凝土的工作性能具有很好效果。随着聚羧酸减水剂掺量的增大，混凝土坍落度不断增大，说明增大聚羧酸减水剂掺量可以增强混凝土流动性，但掺量超过1%后，坍落度损失值会增大，说明过大掺入聚羧酸减水剂会不利于混凝土流动性。当聚羧酸减水剂掺量小于1%时，混凝土的粘聚性和保水性都较好，但聚羧酸减水剂掺量超过1%后，混凝土的保水性开始下降，由此可知，当聚羧酸减水剂掺量为1%时，混凝土的流动性最好、和易性最优。

2.2 抗弯拉强度

为研究聚羧酸减水剂对混凝土抗弯拉强度的影响，试验通过制备聚羧酸减水剂掺量分别为0%、0.5%、1%和1.5%的混凝土试件，并针对龄期为7d 和28d 的混凝土试件进行抗抗弯拉强度测试，试验结果如图1 所示。

根据图1 可知，在不掺入聚羧酸减水剂时，混凝土抗弯拉强度较低，在掺入少量聚羧酸减水剂后，混凝土的抗弯拉强度得到很大提升，说明聚羧酸减水剂的掺入对提升混凝土的抗弯拉强度具有很好效果。随着聚羧酸减水剂掺量的增大，混凝土抗弯拉强度不断增大，说明增大聚羧酸减水剂掺量可以增强混凝土抗弯拉强度，但掺量超过1%后，抗弯拉强度有所下降，说明过大掺入聚羧酸减水剂会不利于混凝土抗弯拉强度。由此可知，当聚羧酸减水剂掺量为1%时，混凝土的抗弯拉强度最强。

图1 混凝土抗弯拉强度变化曲线

2.3 抗冲击性能

混凝土的抗冲击性能是评价水泥混凝土耐久性的重要指标，同时也是决定混凝土路用性能的关键因素。为研究聚羧酸减水剂对混凝土抗冲击性能的影响，试验通过制备聚羧酸减水剂掺量分别为0%、0.5%、1%和1.5%的混凝土试件，并针对龄期为7d 和28d 的混凝土试件进行抗冲击试验，得到混凝土初裂和最终开裂次数如图2 所示。

图2 混凝土抗冲击性能变化曲线

根据图2 可知，无论是否掺入聚羧酸减水剂，龄期为7d 的混凝土抗冲击性能都要远强于龄期为28d 的混凝土，说明混凝土龄期长短对抗冲击性能有较大影响。龄期为7d 和28d 的混凝土初裂和最终开裂次数相差不大，分析原因是在外力荷载作用下混凝土最先从内部开始被破坏，当表面开始出现裂纹时混凝土基本达到完全破坏状态，因此分析过程中主要以终裂次数为依据进行分析。随着聚羧酸减水剂掺量的增大，龄期为7d 和28d 的混凝土最终开裂次数均呈先增后减趋势变化，当聚羧酸减水剂掺量为1%时，龄期为7d 和28d 的混凝土终裂次数均为最大值，说明聚羧酸减水剂对混凝土的抗冲击性能具有较大影响。当聚羧酸减水剂掺量小于1%时，混凝土终裂次数呈不断增大趋势，说明此时增大减水剂掺量可以增强混凝土抗冲击性能，当减水剂掺量超过1%时，混凝土终裂次数开始急剧下降，说明过大掺入聚羧酸减水剂会导致混凝土抗冲击性能下降。因此为保证混凝土的抗冲击性能，聚羧酸减水剂掺量选择1%可以有效增强混凝土的耐久性。

2.4 耐磨性能

混凝土耐磨性是评价水泥混凝土砂浆层在长期外力和环境作用下保持完整性的重要标准。为研究聚羧酸减水剂对混凝土耐磨性能的影响，试验通过制备聚羧酸减水剂掺量分别为0%、0.5%、1%和1.5%的混凝土试件，依次对试件进行磨耗转数为30 转和60 转的耐磨试验，得到混凝土单位面积质量损失如图3 所示。

图3 混凝土耐磨性能变化曲线

根据图3 可知，随着聚羧酸减水剂的增大，混凝土单位面积磨损质量呈逐渐增大趋势变化。当磨耗转数为30时，未掺入聚羧酸减水剂的混凝土磨损质量最小，而掺入聚羧酸减水剂的混凝土磨损质量均较大，分析原因是由于混凝土掺入聚羧酸减水剂后产生的气泡经拌合后均停留在浆体表层，导致表层强度较低，而未掺入聚羧酸减水剂的混凝土表层没有引起气泡层，因此混凝土磨损质量较低。当磨耗转数为60 时，未掺入聚羧酸减水剂的混凝土磨损质量最大，而掺入聚羧酸减水剂的混凝土磨损质量均较小，其原因是当混凝土表层气泡层磨损完后，混凝土内部由于掺入聚羧酸减水剂的原因耐磨性增强，而未掺入聚羧酸减水剂的混凝土表层虽然未引起气泡层，但内部也没有减水剂的作用，因此混凝土磨损质量较大。由此可知，混凝土掺入聚羧酸减水剂在前期对耐磨性能增强效果不太明显，但中后期对混凝土耐磨性能的提升效果比较显著。

2.5 干燥收缩性能

混凝土干燥收缩是导致水泥混凝土路面早期出现开裂的重要原因。为研究聚羧酸减水剂对混凝土干燥收缩性能的影响，试验通过制备聚羧酸减水剂掺量分别为0%、0.5%、1%和1.5%的混凝土试件，并针对混凝土试件进行为期120d 收缩变化观测，得到混凝土干燥收缩率如图4 所示。

图4 混凝土干燥收缩率变化曲线

根据图4 可知，随着聚羧酸减水剂的增大，混凝土干燥收缩率呈先增后减趋势变化，当聚羧酸减水剂掺量小于1%时，混凝土干燥收缩率随着聚羧酸减水剂掺量的增大而变大，当聚羧酸减水剂掺量超过1%后，混凝土干燥收缩率开始急剧减小，说明适当增大聚羧酸减水剂掺量可以提高混凝土干燥收缩率。随着龄期的增长，不同聚羧酸减水剂掺量的混凝土干燥收缩率均呈不断增长趋势，当龄期由0d 增至28d 时，混凝土干燥收缩率增长趋势较大，当龄期超过30d 后，混凝土干燥收缩率增长趋势开始变小。由此可知，混凝土掺入聚羧酸减水剂可以提升水泥混凝土干燥收缩性能，但聚羧酸减水剂掺量不宜超过1%，否则会导致混凝土干燥收缩性能下降。