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來源：《混凝土》雜誌2015年第四期
外加劑對機制砂清水混凝土性能的影響梁遠博;牟廷敏;丁慶軍;周孝軍;115-118+122
【機構】 武漢理工大學；四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院； 西華大學；
【摘要】 根據遂廣遂西高速公路中清水混凝土的設計與施工要求,優化配合比設計,通過正交試驗和極差分析,研究了引氣劑、增黏劑和減縮劑對機制砂清水混凝土性能的影響,確定其最佳摻量,並對混凝土的體積穩定性、耐久性和微觀機理進行分析。結果表明:摻入0.2‰引氣劑、1.0%減縮劑和2.0‰增黏劑,製備的混凝土黏聚性、勻質性好,色澤均勻、表觀質量優異,微結構緻密,28 d乾燥收縮率<250×10-6,早期抗裂等級達IV,耐久性好,並在依託工程中成功應用。
0 引言
清水混凝土以“素面朝天”的表現形式，獨特的質感和裝飾效果，越來越多地受到建築設計師和市民的青睞[[i]]。隨著用於配製清水混凝土的天然砂逐漸枯竭，機制砂逐漸得到了關注和研究，並已大量應用於橋樑工程。但清水混凝土結構表面直接作為飾面層，對混凝土的工作性、體積穩定性和耐久性要求較高，而機制砂的級配、顆粒粒型都較差，配製的混凝土易出現離析、泌水，導致硬化混凝土表觀缺陷嚴重，限制了其在清水混凝土中的應用。
目前，對提高機制砂混凝土工作性能的研究主要集中於改善機制砂的特性和優化配合比等[[ii]-[iv]]方面，利用外加劑改善其工作性和耐久性尚缺乏研究。有研究表明引氣劑、增粘劑、減縮劑等外加劑可以改善混凝土性能，但這些研究側重於天然砂配製的混凝土[[v]-[vii]]，針對機制砂混凝土的較少。本文以C40機制砂清水混凝土為研究對象，通過混凝土的工作性、力學、幹縮、早期抗裂、抗滲和抗凍等試驗，考察引氣劑、減縮劑、增粘劑與減水劑複合使用對混凝土性能的影響，並進行微觀形貌分析，揭示外加劑對混凝土性能影響的機理。
1 工程概況
遂廣高速是完善四川省高速公路網，形成遂寧、廣安之間最便捷的高速公路通道；遂西高速將綿遂內高速、成南高速等有機地連接起來，形成更為完善的高速公路網絡。為保證橋樑等混凝土結構與環境相協調，提高工程質量，項目採用清水混凝土設計方案。經調查，項目沿線天然砂匱乏，從外地採購則會增加成本且無法保證工程進度，而機制砂供應量豐富且價格低廉，適宜大規模應用。
2 原材料
水泥：P.O 42.5R水泥，主要技術指標見表1。粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，需水量比102%，細度6.6%（0.045mm方孔篩篩餘）。細集料：機制砂，細度模數2.8，石粉含量5.0%，亞甲藍值1.0g/kg。粗集料：卵石破碎型，粒徑5-25mm，含泥量0.2%，針片狀含量3.8%，壓碎指標12.1%。外加劑：聚羧酸系減水劑，脂肪醇類引氣劑，纖維素類增粘劑，聚醚類減縮劑。拌合水：自來水。
對圖中多項式求一階導數，得緻密堆積因子α=7%，β=43%，此時最大單位重Uw=2020kg/m3。進而計算出最小空隙率Vv=22.1%，通過試配確定所需的潤滑漿量富餘係數n=1.4，最後依據強度和耐久性需求設定水膠比0.35，從而確定機制砂高性能混凝土的初步配合比。由於機制砂的稜角性強，級配偏差，宜適當提高砂率、增加水膠比，對基本參數優化後，得到C40機制砂混凝土的基準配合比為：水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶減水劑∶水=388∶43∶780∶1036∶4.31∶155。
4 試驗結果與討論
4.1引氣劑、減縮劑和增粘劑對混凝土性能的影響
針對機制砂混凝土易離析、泌水和勻質性差等特點，研究引氣劑、減縮劑和增粘劑對混凝土的工作性能、力學性能的影響。設計三因素三水平正交試驗，試驗結果見表2。
由表中數據知，摻入0.2‰引氣劑和2.0‰增粘劑時，混凝土的粘聚性、包裹性有明顯改善，坍落度略有增大，含氣量在3.0%左右。當引氣劑摻量達0.4‰時，混凝土含氣量在5.0%以上，而增粘劑每增加2.0‰的摻量，含氣量增加約0.6%。當增粘劑摻量達4.0‰時，混凝土拌合物粘聚性過大，搗實困難。減縮劑對混凝土工作性能和含氣量基本沒有影響。
引氣劑是陰離子表面活性劑，憎水基在水-氣界面上定向吸附，力圖靠近空氣表面，顯著降低水的表面張力，使混凝土在拌和中產生大量微氣泡。因為這些氣泡帶有相同電荷的定向吸附層，所以氣泡之間相互排斥並能均勻分佈，可以改變混凝土拌合物的性能，顯著提高混凝土的可澆築性、和易性等非測量指標[[i]]。隨引氣劑的摻量增加，引入的氣泡數量激增，導致混凝土含氣量增大。為滿足清水混凝土低含氣量的要求，減少出現氣泡缺陷，引氣劑摻量不宜過大。增粘劑（羥乙基纖維素）作為非離子型的表面活性劑，能夠附著在水泥顆粒表面，而且分子中的羥基和醚鍵上的氧原子會與水分子作用形成氫鍵，在溶液中形成一種立體的網絡，與水泥水化產物的網絡之間互相交織，使混凝土的粘稠度提高，分層度降低，粘聚性和保水性明顯改善。但增粘劑過多，混凝土粘稠度大，導致振搗密實性差，不利於工程施工，其摻量不宜過大。
對機制砂混凝土抗壓強度結果進行極差分析（見表3）。
由表可以看出，各因素對抗壓強度指標的影響程度：B>C>A。相對於7d齡期，28d齡期各因素之間和水平之間的強度極差更大，說明各因素、水平對強度的影響隨齡期延長而增大。減縮劑對強度的影響最大，當摻量在2.0-4.0%時，抗壓強度明顯降低；摻量為4.0%時，28d抗壓強度降低約16%。增粘劑對強度的影響居中，摻量在2.0-4.0‰時，抗壓強度下降較明顯；摻量為4.0‰時，28d抗壓強度降低約10%。引氣劑摻量小於0.2‰時，對混凝土的抗壓強度無不利影響；當摻量達0.4‰時，28d抗壓強度下降約6%。
減縮劑主要是通過降低液體的表面張力來減小收縮，但會降低溶液的鹼度，影響水泥的水化，不利於抗壓強度[[i]]。纖維素類增粘劑會增加漿體中50nm以上幾乎所有孔徑的數量，使混凝土含氣量增大[[ii]]，降低表觀密度、影響強度，其摻量不宜大於2.0‰。引氣劑使混凝土含氣量增大，但引入的是微小、均勻分佈的氣泡，改善了微孔結構，對強度影響較小。
綜合工作性能、含氣量和抗壓強度，確定最佳摻量：引氣劑0.2‰，增粘劑2.0‰。
4.2減縮劑對混凝土幹縮的影響
減縮劑是可以降低混凝土收縮的外加劑，但其作用大小隨摻量改變而不同。對其在0-2.0%的摻量範圍內進行混凝土的乾燥收縮試驗，試驗結果如圖3所示。
由圖3可知，隨著減縮劑摻量的增加，混凝土的各個齡期的乾燥收縮率均相應降低。摻量從0%增加到1.5%時，幹縮明顯降低。當摻量達到1.5%以上時，幹縮下降幅度較小，其減縮效果趨緩，尤其是在90d齡期時，1.5%和2.0%摻量的乾燥收縮率差別只有5×10-6。根據毛細管張力理論，毛細孔拉應力與毛細孔溶液表面張力成正比，而減縮劑可以降低溶液的表面張力，從而直接降低拉應力，達到抑制收縮的目的[[i],[ii]]。但這種降低表面張力的作用有限，達到一定程度後即使增加減縮劑摻量也不會有明顯降低收縮的效果，結合工程實際，確定減縮劑摻量為1.0%，此時混凝土28d乾燥收縮率僅為243×10-6。
4.3複合外加劑對混凝土表觀質量的影響
在減水劑中復配0.2‰的引氣劑和2.0‰的增粘劑，與1.0%的減縮劑組成複合外加劑，對比減水劑和複合外加劑配製的機制砂清水混凝土試件表觀效果，如圖4、圖5所示。
摻加減水劑的試件表面氣泡較多，麻面、蜂窩、色差嚴重，無法滿足清水混凝土表觀質量的要求。而摻加複合外加劑的試件表面平整、光滑，色澤均勻，無明顯的表觀缺陷，達到了飾面效果。這是因為未摻複合外加劑的混凝土拌合物和易性較差，易出現不同程度的分層、離析所致；且拌合物勻質性差導致氣泡、粉煤灰等分佈不均勻，致使表面出現色差、單位面積上氣泡多等缺陷。而複合外加劑提高了機制砂混凝土的工作性能，增加混凝土硬化後的密實度，改善了硬化混凝土表面質量。
4.4複合外加劑對混凝土早期抗裂和耐久性的影響
不作表面修飾的清水混凝土長期處於大氣環境下，受自然條件的影響大，對耐久性要求高。分別對減水劑與複合外加劑進行混凝土抗裂性能和耐久性能試驗，結果見表4。
由表可知，雖然兩組混凝土早期抗裂等級都達到Ⅳ，但摻複合外加劑的試件初裂時間長，裂縫寬度小，單位面積的總開裂面積只有214.6mm2/m2，早期抗裂性能更優異。可見減縮組分有效抑制混凝土的收縮，降低了毛細孔拉應力，減少了早期漿體因抗拉能力低而產生裂紋。
抗滲性是混凝土耐久性最重要的指標，反應了混凝土的孔結構和緻密性，是抗侵蝕、抗碳化等性能的基礎[[i]]。由表可知，摻入複合外加劑，混凝土的抗水滲等級由P10提高到P12，28d抗氯離子滲透能力也有所增強，整體耐久性能有所提高。複合外加劑改善了混凝土拌合物工作性能，使其更易於振搗，改善了硬化混凝土的密實性、勻質性和微孔結構，增強了抗滲能力。引氣劑和增粘劑引入了部分微小氣泡，且改善了整體孔隙結構，使混凝土的抗凍等級由F250提高到F300。
4.5微觀機理分析
圖6是28d齡期的混凝土試樣的掃描電鏡圖，在內泌水混凝土的界面過渡區，CH的尺寸大、數量較多，如左圖中部分區域，這降低了過渡區的性能，影響混凝土的抗裂性能和耐久性[[ii]]。摻入複合外加劑後，改善了混凝土的和易性，減少了離析、泌水，所以右圖中上述現象較少。
觀察未水化完全的粉煤灰和石粉顆粒的分佈，可知摻加複合外加劑的試件顆粒分佈更均勻，C-S-H凝膠空間網絡上的整體性也較好，混凝土的勻質性好。圖6中左圖凝膠體結構比較鬆散，微裂紋和孔隙的數量較多，而右圖中孔隙較少，水化產物緻密。在混凝土中摻入複合外加劑後，減縮劑抑制了收縮，減少微裂紋的形成，而引氣劑和增粘劑則改善了混凝土的工作性能，減少了因泌水留下的大孔隙，並改善了微孔結構，使混凝土微結構顯得更密實。混凝土在宏觀上表現為乾燥收縮小，抗裂性能和耐久性優異。
5 工程應用
通過摻加複合外加劑，製備的C40機制砂清水混凝土：坍落度210mm，擴展度550mm，和易性和粘聚性良好，無離析泌水，勻質性良好，28d抗壓強度達57.5MPa，28d乾燥收縮率243×10-6，早期抗裂等級達Ⅳ，抗滲等級達P12，28d抗Cl-遷移係數3.0×10-12m2/s，抗凍等級F300，外觀質量達到了飾面效果，成果應用於遂廣遂西高速中墩柱、梁板等清水混凝土結構（圖7）。
6 結論
a.通過密實骨架堆積法進行配合比設計，並根據機制砂的特點優化混凝土基本參數，得到機制砂清水混凝土的基準配合比。
b.通過混凝土各項性能和表觀質量試驗，得到複合外加劑組分的最佳摻量：引氣劑0.2‰，減縮劑1.0%，增粘劑2.0‰；製備的C40機制砂清水混凝土，工作性能性好，強度高，耐久性優異，外觀達到飾面效果。
c.微觀形貌試驗表明，複合外加劑的摻入減少了微裂紋，改善了微孔結構和C-S-H凝膠空間網絡的整體性，使混凝土宏觀上的勻質性、抗裂性和耐久性等性能優異。
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