复合外加剂对水泥混凝土冬季施工性能的影响研究

李育林，梁鸿杰，梁军林，3，容洪流，3，杨小龙，3 编译

（1.广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001；2.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；3.广西特殊地质公路安全工程技术研究中心，广西南宁 530004）

0 引言

在冬季，水泥混凝土由于温度降低使得其和易性降低，因此，在水泥混凝土路面施工过程中需要采取特殊措施，目前最常用的方法是通过加热或在混凝土中加入防冻剂。在较低温度下，混凝土的强度增长缓慢，而当温度为零度以下时，混凝土内部冻结并停止水化反应，且在冻融循环交替过程中，水泥混凝土路面的耐久性会受到影响［1-3］。

有关研究表明［4-7］，通过降低路面水泥混凝土的水灰比，可以提高混凝土的抗裂性。在低温条件下进行水泥混凝土路面铺筑时，混凝土中的水可能会冻结，从而影响混凝土的流动性，因此有必要将其用水量减至最低。目前使用最广泛的外加剂是萘系高效减水剂，基于萘磺酸盐甲醛（SNF）的高效减水剂对增塑作用的有效性并不低于聚羧酸高效减水剂，且与聚羧酸盐不同，SNF 外加剂与不同水泥具有良好的相容性［8-10］。

此外，随着水泥混凝土材料的精细化发展，纳米改性水泥混凝土应运而生，其中纳米二氧化硅（nanoSiO2）是常用的纳米材料。传统的水泥基材料强度较低，添加一定量的纳米二氧化硅代替部分掺合料，可显著提高水泥混凝土强度，其主要原因是纳米二氧化硅较高的比表面积可以在水泥（石灰）环境中发生火山灰反应形成高强度的硅酸钙水合物，从而提高混凝土强度［11-13］。但用于水泥混凝土的纳米二氧化硅的最佳用量是不确定的，需要在试验中确定［14］。

提高冬季路面混凝土铺筑效率的常用方法是采用防冻剂，主要是通过降低冰点的方式来确保材料在负温下混凝土内部始终保持一定的液相水存在，以保持水泥水化反应能持续进行［15-16］。在冬季5 ℃以下的环境中现浇施工时，不仅要选择适当的防冻剂，而且要严格控制其用量，用量与规范稍有偏差将导致混凝土质量明显低于规范标准［17-19］。尹明等［20］通过理论分析和公式推导，建立了混凝土成熟度与养护时间及温度的关系，并结合施工现场实际温度及条件，确定了防冻剂的掺量。

尽管在冬季水泥混凝土路面浇筑工艺中使用了大量的单体和复合外加剂，但其中许多外加剂对公路小型构造物混凝土的流动性、离析以及抗压强度的影响还没有得到充分的研究。为此，本文开发一种新型复合外加剂，可防止在冬季浇筑小型构造物施工过程中混凝土产生离析，同时也能起到防冻和养护的作用。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥

水泥采用普通硅酸盐水泥（42.5），其28 d 抗压强度为49.1 MPa，初凝时间和终凝时间分别为175 min、230 min，比表面积为410 m2/kg，化学组成见表1。

表1 水泥的化学组成和矿物组成

（2）集料

细集料采用天然河砂，细度模数2.05，密度2.63 g/cm3。粗集料采用两档花岗岩碎石：5～10 mm 和10～20 mm，密度2.66 g/cm3。

（3）外加剂

萘磺酸盐甲醛（SNF）型萘系高效减水剂，其磺化缩聚物含量为82%～84%、8%～10%的硫酸钠、水分不超过10%；松香皂（WSR），一种以深棕色浓缩物（50%～55%）形式存在的引气剂；硝酸钠（NaNO3）作防冻剂；纳米二氧化硅（nanoSiO2），为白色的纳米粉末，平均粒径为20 nm，比表面积为122.17 m2/g，二氧化硅的质量分数为99.8%。

根据原材料所设计的试验配合比如表2 所示。

表2 不掺加外加剂的C12/15 混凝土配合比

为研究冬季复合外加剂对水泥混凝土流动性和离析的影响，在混合料中都添加了防冻剂NaNO3，不同混合料的组成见表3～5。为改善混凝土的均匀性，在（SNF+SiO2）复合的外加剂中添加了引气剂WSR（表4）。本研究的复合外加剂应用于水泥混凝土冬季施工的配比，如表5 所示。

表3 纳米改性（SNF+SiO2）高效减水剂 %

表4 SNF+SiO2+WSR 外加剂 %

表5 复合外加剂在混凝土配合比中的应用

1.2 试验方案

室内制备C15 水泥混凝土用于测定其流动性、离析，并制作试样以测定抗压强度。试样的制作依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020），尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每次试验的最小试样数量为5 个，其中，没有添加外加剂的样品数量为3 个，共计样本324 个。按照规范的要求，混凝土试件在标准养护室中养护28 d。

图1 为具有均匀结构和明显成分分离的混凝土立方体。

图1 混凝土试件

由图1 可知：在混凝土中加入0.05%WSR 的复合外加剂，可得到结构均匀的试样，而仅添加SNF和SiO2+SNF 外加剂的混凝土试件具有明显离析现象。

根据规范要求，对混凝土的坍落度与坍落扩展度进行测试，离析指标采用ISI表示。

式中：Ml为混凝土上部的粗骨料质量；Mu为混凝土下部的粗骨料质量。

混凝土的离析指标不应超过表6 中的数值。

表6 混凝土配合比分层的允许值

2 结果与讨论

2.1 水泥混凝土流动性

在恒定水量和不同硅酸盐水泥掺量的条件下，对混凝土的性能进行了研究。在不引入外加剂的情况下，保证混凝土的初始流动性相同，通过测量坍落度和坍落扩展度来确定混凝土的流动性。在冬季浇筑混凝土，混凝土需要尽可能短的时间来完成凝结和强度发展，而高效减水剂会延长混凝土的凝结时间，这是一个不利的特性。为抵消上述因素对水泥混凝土凝结时间的影响，需调整减水剂的掺入量。混凝土的流动性是其施工性能中最重要的特征，图2为混凝土的流动性与纳米改性外加剂的关系变化图。

图2 混凝土的流动性

衡量高效减水剂对混凝土配合比有效性的主要指标是它们的液化能力；以不含外加剂的混合料的坍落度为2～6 cm 作为参考标准。

由图2 可知：在初始流动性相同时，W/C分别为0.65、0.56、0.50，其平均坍落度h0=2.7 cm，平均坍落扩展度D0=21.3 cm；外加剂掺量为0.2%时，W/C=0.65、0.56、0.50，其平均坍落度h0.2%=7.67 cm，平均增加了184.07%；平均坍落扩展度D0.2%=30.33 cm，平均增加了42.39%；外加剂掺量为0.4%时，W/C=0.65、0.56、0.50，其平均坍落度h0.4%=13.67 cm，平均增加了78.23%；平均坍落扩展度D0.4%=38.67 cm，平均增加了27.49%；外加剂掺量为0.6%时，可获得高流动性的混凝土，W/C=0.65、0.56、0.50，获得其平均坍落度h0.6%=17.67 cm，平均增加了29.26%；平均坍落扩展度D0.6%=46 cm，平均增加了18.96%。

如图2 所示，混凝土流动性随着纳米改性高效减水剂掺量增加而增加，在0.2%～0.6% 的掺量范围内，混凝土的流动性增长速率最大，随着外加剂用量从0.6%进一步增加到1.0%，流动性增长速率缓慢，故高效减水剂的最佳掺量范围为0.2%～0.6%，能起到最大的增塑效果，超过0.6%时纳米改性外加剂的效果减弱，而且过高的流动性易导致离析风险增加。此外，混合料中水泥用量的增加有助于增强纳米改性高效减水剂的效果。

通过试验数据，建立混凝土的坍落度和坍落扩展度的数学模型；根据设计的混凝土流动性，可计算出所需纳米改性（SNF+SiO2）高效减水剂的用量，其由以下公式确定：

对于坍落度：

对于坍落扩展度：

式中：Nh、ND分别为坍落度和坍落扩展度的纳米改性高效减水剂（SNF+SiO2）的用量；h、D分别为混凝土拌和料坍落度和坍落扩展度的设计值。

用最小二乘法建立数学模型（2）、（3），并将所需流动性参数与纳米改性高效减水剂的掺量关联起来。应用所开发的模型，可以根据规定的流动性参数设计混凝土配合比。为了验证所提出的公式，进行了混凝土的计算和试样制备，并测定了混凝土的坍落度和坍落扩展度，验证结果见表7。

表7 纳米改性高效减水剂用量计算模型的验证指标

从表7 可看出：应用该数学模型的SNF+SiO2用量所得的实际流动性与数学模型中的流动性数据相吻合，故所研发的数学模型可应用于实际工程。

2.2 混凝土离析

混凝土离析的发生与其流动性有关，流动性越大越容易出现离析现象。混凝土离析是由于最大数量的粗骨料向混凝土结构的下部移动而水泥浆体和细骨料位于结构的顶部所致；根据溶解值变化对混凝土的离析进行了研究，图3 为混凝土中掺加不同纳米改性高效减水剂用量时溶解值的变化。

图3 混凝土的溶解值

由图3 可知：在混凝土中纳米改性高效减水剂掺量为0.2%～0.6%时，其溶解速率相对稳定，且略有下降趋势；溶解速率在高效减水剂掺量为0.6%～1.0%范围内降低明显。W/C=0.50 整体上都比W/C=0.56 与W/C=0.65 的溶解速率低，这一特征是由于密度较大的水泥浆体抑制了混凝土组分的离析。溶解速率不仅受高效减水剂用量的影响，还受水灰比的影响，水泥用量的增加有助于减少溶解速率。在硅酸盐水泥中加入0.2%～1.0%的纳米改性高效减水剂，其溶解速率比允许值高137%～250%。因此，高溶解值可作为混凝土离析的风险标志。

为了降低混凝土成分离析的风险，采用在纳米改性高效减水剂中掺入松香皂（WSR）引气剂，用量分别为0.01%、0.05%、0.07%。图4～6 为将松香皂（WSR）掺入纳米改性高效减水剂（SNF+SiO2）中后混凝土流动性的变化图。

图4 掺0.01%WSR 的混凝土的流动性

图5 掺0.05%WSR 的混凝土的流动性

图6 掺0.07%WSR 的混凝土的流动性

由图4～6 可知：①掺0.01%WSR 的纳米改性高效减水剂，坍落度比不掺WSR 的水泥平均增加0.8 cm，坍落扩展度平均增加2.2 cm。混凝土流动性的增加不超过试验计划的置信区间，认为其影响可忽略 不 计。WSR 掺 量 为0.05%、0.07% 时，W/C=0.50、0.56、0.65 的平均坍落度分别增加了3.13 cm、4.13 cm；②混凝土的流动性随着WSR 用量的增加而增加，故WSR 能提高混凝土流动性，而且对于高流动性混凝土发生离析具有抑制作用。此外，WSR对不同水灰比的混凝土具有塑化作用，而在W/C=0.50 时，WSR 对混凝土流动性增幅最小。掺入引气剂的混凝土由于引入了大量均匀分布的、闭合而稳定的微小气泡，在这些球状气泡的吸附作用、滚动作用和浮托作用下，使拌和混凝土黏度增大，同时改善混凝土拌和物的和易性、保水性和黏聚性，从而大大降低了混凝土离析的风险［22］。

混凝土离析风险性试验结果见表8。

表8 掺入SNF+SiO2+WSR 的混凝土的溶解值

由表8 可知：在掺入该复合外加剂时，混凝土未出现离析现象，表中各组分分离的指标不高于临界值4.0%，符合要求。

2.3 混凝土抗压强度

试样在标准养护室中养护28 d 后进行抗压强度试验。图7 为在不同水灰比下，混凝土试件的抗压强度随纳米改性高效减水剂用量的变化情况。

图7 纳米改性高效减水剂对混凝土抗压强度的影响

由 图7 可 知：W/C=0.65、0.56 和0.50 的 对 照 试样的抗压强度分别为18.1 MPa、18.5 MPa 和19.2 MPa。当纳米改性高效减水剂掺量为0.2%～0.6%时，纳米改性高效减水剂对混凝土抗压强度的影响表现相对稳定。当掺量为0.6%时，其对混凝土抗压强度的影响出现拐点，而当外加剂掺量继续增加时，混凝土的抗压强度出现明显降低。故过高混凝土流动性易导致离析现象的出现，混凝土试件强度的降低是由于混合料成分在成型时离析增加所致。

在纳米改性高效减水剂的基础上加入引气剂，能够增加混凝土的均匀性从而降低混凝土离析的风险。图8～10 为在纳米改性高效减水剂的基础上分别添加0.01%、0.05%、0.07%WSR 的效果图。

图8 纳米改性高效减水剂+0.01%WSR 对混凝土抗压强度的影响

图9 纳米改性高效减水剂+0.05%WSR 对混凝土抗压强度的影响

图10 纳米改性高效减水剂+0.07%WSR 对混凝土抗压强度的影响

由图8～10 可知：W/C=0.50 的混凝土抗压强度最大，掺入WSR 的试件抗压强度平均为19.4～19.6 MPa，比不掺外加剂时提高0.9%～1.2%，满足试验计划所提供的容许误差。结果表明：WSR 掺量在0.01%～0.07%范围不会降低混凝土的抗压强度，适量的引气剂可改善混凝土的和易性，降低其离析风险，同时使混凝土具有必要的流动性。

综合上述试验结果可知：在环境温度为5 ℃以下的冬季中，为确保水泥水化反应顺利进行与防止离析现象的发生，得到水泥混凝土所需的流动性，其复合外加剂的组成应为：SNF：0.4%；WSR：0.05%；NaNO3：4.0%；nanoSiO2：0.1%。对所配比的复合外加剂进行试验验证，制备了混凝土试件，试件在标准养护3 d、7 d、14 d 和28 d 后进行抗压强度测试，结果如图11 所示。

图11 掺加了复合外加剂混凝土试件的抗压强度

由图11 可知：在龄期为3 d、7 d、14 d 和28 d 时，混凝土试件的平均抗压强度分别为4.4 MPa、6.7 MPa、13.6 MPa 和19.6 MPa，混凝土强度随龄期增长而增长，表明硅酸盐水泥的水化反应顺利进行，没有自由水的冻结和结晶。

因此，由萘磺酸盐甲醛、纳米二氧化硅、松香皂和硝酸钠所组成的复合外加剂，确保了水泥混凝土在低温下的浇筑和正常养护。

3 结论

通过不同组合、不同掺量的方式配成多种外加剂制备水泥混凝土，研究了混凝土的流动性、离析和抗压强度，得出以下结论：

（1）纳米改性高效减水剂掺量为0.2%～0.6%时能够显著地提高混凝土的流动性，增塑效果最好。所研发的数学模型，依据纳米改性高效减水剂的用量与坍落度和坍落扩展度关系，可设计出所需流动性的混凝土。

（2）根据混凝土的溶解值变化可知，高溶解值可作为离析风险的标志，过高的混凝土流动性易导致离析风险的发生；引气剂能改善混凝土的和易性、保水性和黏聚性，提高混凝土流动性，从而减少离析的风险。

（3）纳米改性高效减水剂掺量为0.2%～0.6%时其抗压强度相对稳定，掺量继续增加则抗压强度降低；在掺量为0.2%～0.6%的纳米改性高效减水剂中掺入引气剂0.01%～0.07%，不会降低抗压强度。

（4）基于本文研究可知，最佳复合外加剂的配比可选为：SNF：0.4%；nanoSiO2：0.1%；WSR：0.05%；NaNO3：4.0%。经试验验证，混凝土强度与时间变化呈正相关，水泥的水化反应成功进行，没有自由水冻结和结晶，故最佳外加剂配比适用于在冬季5 ℃以下的环境中进行水泥混凝土的浇筑与养护。