固废基胶凝材料混凝土增强剂的试验研究

谢瑞兴，岳光亮，郭文倩，唐樱燕，彭立刚，于彭，莫立武

（1.山东众森新材料有限公司，山东 济南 250000；2.山东众森科技股份有限公司，山东 济南 250000；3.南京工业大学 材料科学与工程学院，材料化学工程重点实验室，江苏 南京 210000）

0 引言

在混凝土材料组成中，胶凝材料是一个最基础的组成部分。近年来，在国家倡导的“双碳”背景下，越来越多的企业以及研究院所研究低碳固废基混凝土，主要采用钢渣、粉煤灰等不同种类固废材料制备胶凝材料，应用于耐久性良好的混凝土中，降低行业的碳排放，提高混凝土行业的经济效益[1-3]。但固废基胶凝材料在混凝土中大量的应用，造成固废混凝土凝结时间延长、早期强度低、极大地影响了混凝土施工性能[4-5]。针对固废基胶凝材料混凝土存在的一系列问题，为进一步有效、合理、科学地应用固废基混凝土，本研究采用公司自主研发的固废基胶凝材料增强剂ZS-10Z，对比验证了固废基混凝土的各项性能，可为固废基胶凝材料混凝土的应用起到良好的推动作用。

1 试验

1.1 原材料

（1）增强剂制备原材料

异丁烯醇聚氧乙烯醚（HPEG）：相对分子质量4000，含量≥99%，工业级；甲基丙烯酸（MAA）：工业级；次磷酸钠：含量≥99.5%，工业级；过硫酸铵：含量≥98.5%，优等品；三乙醇胺：含量≥85%，工业级；水：自来水。

（2）混凝土试验材料

水泥：P·O42.5散装水泥，山东创新水泥厂；固废基胶凝材料：ZS-Ⅰ型，山东众森新材料有限公司，材料组成为钢渣、自燃煤矸石、矿渣粉、锂渣粉，产品性能符合T/CECS 689—2020《固废基胶凝材料应用技术规程》要求，其粒径分布见图1，胶凝材料的主要化学成分见表1、物理力学性能见表2；细骨料：当地石灰岩破碎的碎屑砂，细度模数3.0，含粉量12.6%，亚甲蓝值2.8 g/kg；粗骨料：当地5～30 mm连续级配石灰岩碎石，含泥量0.5%，泥块含量为0.2%，压碎值指标为9.8%；减水剂：聚羧酸减水剂，固含量10.5%，减水率25.5%，山东众森新材料有限公司；早强剂：市售，QX-1型，固含量10.0%，推荐掺量1.0%；拌合水：自来水。

图1 固废基胶凝材料的粒径分布

表1 胶凝材料的主要化学成分 %

表2 胶凝材料的主要物理力学性能

1.2 增强剂的制备

室温下将一定质量的聚醚单体（HPEG）和水加入四口瓶中，搅拌溶解后，加入过硫酸铵搅拌分散均匀，向四口瓶中分别滴加一定量甲基丙烯酸和次磷酸钠，2 h匀速滴加完后，加入三乙醇胺，搅拌均匀，加水稀释，得到固含量为10.0%的固废基胶凝材料混凝土增强剂ZS-10Z。

1.3 测试与表征

（1）固废基胶凝材料混凝土（以下简称固废基混凝土）的力学性能测试：参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行。

（2）固废基混凝土的工作性能测试：参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

（3）固废基混凝土的耐久性能测试：参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试抗碳化性能、抗水渗性能以、电通量和抗硫酸盐侵蚀性能。

（4）SEM分析：采用JSM-7610F型扫描电子显微镜分别对空白固废混凝土、掺加QX-1和ZS-10Z固废混凝土的水化产物进行测试。

C30固废基混凝土的配合比参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》和T/CECS 689—2020进行设计，试验配合比如表3所示，其中QX-1和ZS-10Z的掺量均为胶凝材料质量的1.0%。

表3 C30固废基混凝土的试验配合比kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 ZS-10Z对固废基混凝土工作性能的影响

为验证增强剂ZS-10Z对固废基混凝土施工性能的影响，进行混凝土出机、1 h坍落度/扩展度、含气量、凝结时间及倒提排空时间试验，并与市售早强剂QX-1进行对比，试验结果如表4所示。

表4 增强剂对固废基混凝土工作性能的影响

从表4可见：与1#空白固废基混凝土相比，掺入1.0%早强剂QX-1时，混凝土的坍落度和扩展度略有降低，含气量无明显变化，凝结时间缩短3 h，但混凝土的排空时间延长，说明市售早强剂QX-1在缩短凝结时间的同时也增大了混凝土的黏度，不利于施工泵送；掺入1.0%ZS-10Z时，混凝土的坍落度、扩展度以及1 h损失明显改善，含气量略有增大，凝结时间缩短5～6 h，混凝土倒提排空时间缩短，说明加入ZS-10Z后，在缩短固废基混凝土凝结时间的前提下，混凝土的流动性能和黏聚性良好，适合固废混凝土的泵送浇筑。ZS-10Z具有很强的分散性能，能使胶凝材料细颗粒在混凝土拌合时均匀分散，充分与水接触参与水化反应，缩短混凝土的凝结时间，进而提高了固废基混凝土的施工性能。

2.2 ZS-10Z对固废基混凝土力学性能的影响

测试掺增强剂ZS-10Z前后固废基混凝土各龄期的抗压强度，并与市售早强剂QX-1进行对比，结果如表5所示。

表5 增强剂对固废基混凝土各龄期抗压强度的影响

从表5可见，相对1#空白固废基混凝土，掺入1.0%早强剂QX-1时，固废基混凝土的3、7 d抗压强度增长较快，但28 d抗压强度略微降低，甚至后期56 d强度低于1#混凝土，早强剂QX-1不利于混凝土强度的长期发展，不适合在固废混凝土中应用；掺入1.0%ZS-10Z时，混凝土早期强度发展较快，并且固废混凝土的28 d抗压强度较1#空白固废基混凝土提高了6.1 MPa，后期强度持续增长，ZS-10Z在提高固废混凝土早期强度的同时，对后期强度仍然有促进作用。ZS-10Z的化学络合激发作用促使胶凝材料水化加快[6-8]，拌合成型后的混凝土凝结时间明显缩短，各龄期抗压强度提高。

2.3 ZS-10Z对固废基混凝土耐久性能的影响

测试掺ZS-10Z前后固废基混凝土各龄期的碳化深度、抗渗等级、电通量和抗硫酸盐侵蚀循环性能，并与市售早强剂QX-1进行对比，试验结果如表6所示。

表6 增强剂对固废基混凝土耐久性能的影响

由表6可见：

（1）与1#空白固废基混凝土相比，掺入QX-1和ZS-10Z后，固废基混凝土各龄期的碳化深度、抗硫酸盐侵蚀强度损失率降低。与1#和2#固废基混凝土相比，掺1.0%ZS-10Z的3#固废基混凝土，7、14、28 d碳化深度、抗硫酸盐侵蚀强度损失率下降优势明显，尤其是后期28 d的碳化深度更低，同时抗渗等级提高。这是由于，掺ZS-10Z混凝土致密的结构使CO2、Na2SO4难以进入混凝土内部，因此抗碳化性能和抗硫酸侵蚀性能提高，同时，内部的致密结构，使其具有更高的抗水渗透性能。

（2）相对于1#空白固废基混凝土和掺1.0%QX-1的2#固废基混凝土，掺1.0%ZS-10Z的3#固废基混凝土的电通量在不同龄期都明显较低，尤其是3 d电通量降低明显，说明固废基混凝土中掺入ZS-10Z后，混凝土的匀质性良好，胶凝材料的水化更快，早后期都能形成更多的水化产物，混凝土内部孔隙数量减少，阻碍了氯离子电荷的移动，降低了电通量。

2.4 掺增强剂ZS-10Z对固废基混凝土水化微观形貌的影响

对掺增强剂ZS-10Z前后固废基混凝土的微观结构进行SEM分析，并与市售早强剂QX-1进行对比，结果如图2所示。

图2 固废基混凝土7、28 d龄期的SEM照片

由图2可见，相对于1#空白固废基混凝土和掺1.0%早强剂QX-1的2#固废基混凝土，掺1.0%增强剂ZS-10Z的3#固废基混凝土可生成更多的C-S-H水化产物，且7、28 d水化产物更密实，晶形发育良好，孔隙率较小，表明固废增强剂促进了固废基胶凝材料的水化[9-10]，可提高固废基混凝土的强度，缩短混凝土凝结时间，有利于固废混凝土的施工应用。

3 结论

（1）固废基胶凝材料混凝土增强剂ZS-10Z可增大固废基混凝土的坍落度和扩展度，并减小经时损失，尤其是在不影响抗压强度的前提下，缩短固废基混凝土的凝结时间，有利于固废混凝土的施工应用。

（2）ZS-10Z不仅能提高固废基混凝土的早期抗压强度，同时后期抗压强度持续提高，明显优于市售早强剂对固废基混凝土的作用。

（3）电通量测试和SEM分析表明，固废基混凝中掺入ZS-10Z可生成更多的C-S-H水化产物，使体系的电通量降低，混凝土结构更加致密。ZS-10Z的化学激发和分散作用，提高了固废基混凝土拌合物的密实度，能提高混凝土的抗渗性能、抗碳化性能及抗硫酸盐侵蚀性能。