聚羧酸超塑化剂对水泥土强度影响的试验分析

陈三姗 陈 峰

(福建江夏学院工程学院 福建福州 350108)

0 引言

超塑化剂又称混凝土外加剂，国外一般称为超塑化剂，在中国主要是指减水率高的高效减水剂和高性能减水剂。已有研究表明，超塑化剂会影响水泥浆的流动性，改善水泥浆强度。如逢建军[1]分析了聚羧酸超塑化剂的侧链长度对水泥浆流动性的影响，研究发现侧链长度越长，越有利于提高水泥浆强度。李延伟[2]研究了聚羧酸超塑化剂与纳米SiO2颗粒协同作用对固井水泥浆的强度、流变性能以及微结构的影响，研究结果发现超塑化剂对水泥浆强度有明显的积极改善作用。

由于超塑化剂对水泥浆的积极作用，超塑化剂被应用于混凝土中，以提高混凝土的流动性及早期强度。如周敏[3]将自行配制的超塑化剂掺入陶粒混凝土，发现能得到最佳混凝土流动度和黏聚度的超塑化剂掺量为1.0%。然而水泥土的结构和混凝土不同，在混凝土的拌合料中，水泥胶体可以充分包裹在所有骨料的外表面，并填满骨料间的孔隙。而水泥土中的水泥胶体并没有充分的包裹于土料的外表面，也没有填满所有土料间的孔隙，而是将一些没有粘结的材料分割成许多细小的团粒，然后再将这些细小团粒胶结起来[4]。因此，是否能将超塑化剂应用于混凝土的研究成果直接用于水泥土尚待考究。已有学者研究将超塑化剂应用于水泥土，如燕仲彧[5]通过室内试验，发现在水泥浆中掺入不同剂量的JM-HF灌浆剂、磺化三聚氰胺高效减水剂、生石膏、粉煤灰等，可以提高水泥土的无侧限抗压强度。叶观宝[6]等对掺加了SN-Ⅱ高效减水剂、氢氧化铝和氯化钙的水泥土微观结构进行研究，发现三种添加剂均能够提高水泥土无侧限抗压强度，但是提高水泥土强度的方式不同。王淑波、童小东[7-8]等通过室内强度试验也得到了类似结论。宋作宝[9]利用X射线衍射仪研究了北京某黏土的化学成分，研究结果认为黏土含量在10%，超塑化剂掺量在0.5%时，试样的性能达到最佳效果。

将超塑化剂应用于水泥土的研究成果目前并不多，且由于土体具有地方区域性特征，因此研究成果不尽相同。因此，本文将处于沿海地区具有软土多、氯离子成分大等特点的福州地区土体作为研究对象，首先通过无侧限抗压强度试验，探究其对水泥土强度的影响，然后通过扫描电镜试验观察超塑化剂作用下水泥土微结构的变化，其研究成果有利于工程人员进一步认识外加剂在水泥土领域的应用。

1 超塑化剂作用下的水泥土强度试验

1.1 试验材料

试验材料为超塑化剂、水泥以及淤泥质粘土，其中水泥采用福建水泥股份有限公司炼石水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥，其化学成分和性能指标经检测合格。超塑化剂来自福州兴大建材有限公司的聚羧酸超塑化剂，土料来自福州某工地的淤泥质粘土，其性能指标如表1所示。

表1 试验用淤泥质粘土的物理力学性质指标

1.2 试验方案

通常来说，获得水泥土无侧限抗压强度的方法主要有两种：一种是采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试件，通过压力机以一定的加载速率直接压缩，记录其破坏荷载，从而换算为试件的抗压强度；另一种是采用直径39.1 mm，高80 mm的圆柱体试件，通过三轴压缩仪在围压为零的情况下进行压缩，进而计算出其抗压强度。由于本试验所用设备为WED-600A型万能试验机，因此强度试验中，试件选用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试件开展试验。

无侧限抗压强度试验配比方案如表2所示，表中水泥掺入比为水泥质量/湿土质量×100%，超塑化剂掺量为超塑化剂质量/凝胶材料质量×100%，其掺量取工程常用掺量1.2%，水灰比(w/c)为0.45。每个配比方案同一龄期制作3个试样做平行试验，取平均值作为该配比的强度值。

表2 水泥土无侧限抗压强度试验配比方案

1.3 试验过程

(1)按表2配比方案称取土样和自来水放入胶砂搅拌机进行搅拌直至均匀。按配比方案称取相应的水泥、水和超塑化剂，放入胶砂搅拌机进行搅拌直至均匀，配置成水泥浆。

(2)振动成型，并将制作好的试样在20±3℃的环境中静置1d～2d，拆模后立即放入温度20±3℃，相对湿度90%以上的环境中养护，养护龄期为7d、28d、60d、90d。

(3)将试件置于WED-600A型万能试验机底座正中，使试件受压均匀，试验机以0.15kN/s的速度连续均匀加载，直至试样破坏，记录峰值荷载，并按公式(1)计算试件的无侧限抗压强度。

(1)

其中，P为峰值荷载(N)；A为试样底面积(mm2)。

(7)无侧限抗压强度试验完成以后，将破坏的试件敲碎，取试样约1 cm×1 cm×1 cm，经电吹风低温吹干，经过筛分、烘干、表面镀金处理等步骤制作不同超塑化剂掺量下的试样放入扫描电镜观测，扫描电镜试验所用仪器为德国蔡司扫描电镜EVO 10，如图1所示。

图1 德国蔡司扫描电镜EVO 10

2 实验结果分析

2.1 无侧限抗压强度试验结果分析

无侧限抗压强度试验所得试验结果如表3所示。图2给出了超塑化剂下作用下不同龄期时的水泥土的强度变化规律。

由表3以及图2可以看出，超塑化剂的掺加能够提高水泥土的强度，7 d龄期提高了0.27 MPa，28 d龄期提高了0.14 MPa，60 d龄期提高了0.08 MPa，90 d龄期提高了0.08 MPa。但其提高水泥土强度的能力随龄期增长而变小。7d龄期时超塑化剂提高水泥土强度的程度最大。工程实际中，水泥土强度标准值通常以90d龄期强度为准，因此，可以得出超塑化剂的掺加对于水泥土强度影响不大，超塑化剂的掺加能够明显改善水泥浆和水泥土的流动性，这对水泥土的工程施工具有很高的应用价值。

图2 掺加与不掺加超塑化剂下水泥土强度变化情况

表3 无侧限抗压强度试验结果

2.2 扫描电镜试验结果分析

试样的扫描电镜图片分别如图3～图4所示。图3、图4分别为超塑化剂掺量为0%、1.2%时的水泥土试样扫描电镜照片。在水泥水化完全的环境中，C-S-H约占70%，对水泥土强度起决定性作用；Ca(OH)2约占20%；水化硫铝酸钙约占7%；3%为其他水化产物。

(a)7d 1000倍

(b)7d 7500倍

(c)28d 1000倍

(d)28d 7500倍

(a)7d 1000倍

(b) 7d 7500倍

(c) 28d 1000倍

(d) 28d 7500倍

2.2.1 水泥土微结构的形成

由图3、图4可知，7 d龄期时，板片状、凝絮状的水化产物在土颗粒之间生成。根据水泥水化产物的形貌和晶体大小可以确定呈板片状的晶体为Ca(OH)2，凝絮状的为C-S-H凝胶。从图中还可以见到一定量的短棒状水化产物，这些短棒状水化产物为AFt，可见在7d龄期时已经有了一定量AFt生成。28d龄期时，凝絮状水化产物明显较7d龄期时多，短棒状的水化产物相互交错搭接，大部分的颗粒表面已经被水化产物覆盖。

放大倍数1000倍下，对比7 d、28 d龄期扫描照片发现，7 d龄期时，土颗粒的表面和土颗粒之间已经出现了一定量的水化产物，不过此时土颗粒结构较为分散，土颗粒周围的凝胶物质并未完全填满土颗粒之间的孔隙；28 d龄期时，土颗粒之间的凝胶物质含量增加，土颗粒表面覆盖了大量的凝胶物质，大部分的大孔隙都被凝胶物质填充，能够明显看到土颗粒胶结在一起。

放大倍数7500倍下，对比7 d、28 d龄期扫描照片发现，28 d龄期时，土颗粒表面及土颗粒之间的凝絮状、短棒状水化产物数量更多。短棒状水化产物在孔隙中相互交错，形成结构更为密实的整体。

上述说明，随着龄期的增长，水泥土的结构越来越紧密，土颗粒胶结越来越强，从宏观来说即强度增强。

2.2.2 聚羧酸超塑化剂对水泥土微结构的影响

7 d龄期时，图4(a)掺加超塑化剂的水泥土试样可以见到晶型较好的Ca(OH)2晶体，而图3(a)未掺加超塑化剂的试样并未见到晶型较好的Ca(OH)2晶体；图4(a)的水化产物呈凝絮状覆盖于水泥和土颗粒表面，这对于水泥的水化是不利的。而图3(a)大部分的水化产物呈不等大的粒子状，这些产物自身凝聚而没有覆盖在水泥颗粒表面，这对于水泥的水化有很有利。掺加了超塑化剂的水泥土Ca(OH)2的结晶程度较高。

28d龄期时，图4(c)和图3(c)对比可知，掺加超塑化剂的水泥土中Ca(OH)2结晶程度更高，并且水化产物中存在不等大粒子状的水化产物。说明超塑化剂的掺加能够促进AFt晶体的形成，对水泥土的强度具有增强作用。

2.2.3 超塑化剂改善水泥土早期强度的原因分析

(1)从SEM试验结果可以看出，聚羧酸超塑化剂有利于AFt晶体的形成。而AFt结晶的形成有利于水泥土和水泥石早期强度的提高。

(2)聚羧酸超塑化剂的减水作用，使得水泥土中水泥颗粒分散开来，能有效提高水泥浆和水泥土流动性，并能够促进水泥的水化，使凝胶物质生成更多。

(3)超塑化剂对水化产物形貌的改变。聚羧酸超塑化剂使C-S-H(Ι)型凝胶转变成C-S-H(ΙΙ)型网络状和C-S-H(ΙΙΙ)型不规则等大粒子状，使水泥石结构更为致密，这对提高水泥石强度产生积极作用。

3 结论

本文通过掺入超塑化剂水泥土的无侧限抗压强度试验及SEM试验，得出以下两点结论：

(1)超塑化剂的掺加主要是提高水泥土的早期强度，不过其提高水泥土强度的能力随龄期增长而变小。

(2)由扫描电镜试验可知，超塑化剂的掺加，可以使水泥土中Ca(OH)2的结晶程度较高，并能够促进AFt晶体的形成，从而改善水泥水化产物胶结的形貌，这对于水泥土强度的改善是有利的。