張梓鑫，顧瑞，朱亞杰

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430070）

增效劑在混凝土中的作用機(jī)理

張梓鑫，顧瑞，朱亞杰

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430070）

通過在混凝土中摻入增效劑，研究其對混凝土工作及力學(xué)性能的影響，通過宏觀及微觀試驗方法研究了增效劑作用機(jī)理。試驗結(jié)果表明：摻入增效劑后降低粉料（水泥）用量，混凝土的工作性變化不大，7d 強(qiáng)度略有降低，28d 強(qiáng)度高于基礎(chǔ)空白樣；增效劑對混凝土中粉料體系的增效作用主要源于對粉煤灰的激發(fā)效果（28d 活性系數(shù)提高 17.8%），水泥及礦粉受增效劑影響較?。辉鲂┠艽龠M(jìn)粉煤灰玻璃體活性物質(zhì)在早期溶出，從而激發(fā)粉煤灰的早期活性，提高混凝土強(qiáng)度。

混凝土；增效劑；機(jī)理；活性激發(fā)

0　前言

混凝土作為當(dāng)今使用量最大的人造石材，被廣泛應(yīng)用于道路、橋梁、隧道和房屋等領(lǐng)域，其生產(chǎn)方式也由現(xiàn)場攪拌逐步發(fā)展為商品預(yù)拌。水泥工業(yè)是能源和資源消耗型工業(yè)，同時也是 CO2排放的工業(yè)大戶，每生產(chǎn) 1t 的水泥熟料需要排放 1t 的 CO2氣體[1-2]。水泥工業(yè)的 CO2排放量占人類生產(chǎn)活動的碳排放的 5%～10%[3]。因此，降低商品混凝土中水泥的使用量，是實現(xiàn)混凝土向綠色環(huán)保方向發(fā)展的有效途徑之一，但單方面的降低水泥用量會導(dǎo)致混凝土工作性不良和強(qiáng)度降低等諸多問題。

為解決這一問題，近年來混凝土增效劑得到廣泛應(yīng)用。由于增效劑生產(chǎn)廠家采取了嚴(yán)格的保密措施，產(chǎn)品成分不明確，對商品混凝土生產(chǎn)企業(yè)及建筑工程監(jiān)督單位造成較大的質(zhì)量監(jiān)控風(fēng)險。

研究增效劑的作用及其機(jī)理，能指導(dǎo)混凝土生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)原材料及工程需求規(guī)范使用增效劑，并為增效劑的后期改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1　原材料基本性能及指標(biāo)

1.1原材料

（1）水泥：采用華新 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)見表 1 所示。

表1　水泥物理性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：選用陽邏電廠Ⅰ級粉煤灰，其性能指標(biāo)見表 2 所示。

表2　粉煤灰性能指標(biāo)

（3）礦粉：選用武新 S95 級礦粉。

（4）細(xì)骨料：選用細(xì)度模數(shù) 2.5 的岳陽砂。

（5）粗骨料：選用 5～31.5mm 的陽新碎石。

（6）外加劑：選用中建商品混凝土公司聚羧酸高效減水劑，其減水率為 23%。同時選用北京某公司生產(chǎn)的增效劑(BTC)，其性能見表 3 所示。

表3　增效劑性能指標(biāo)

2　試驗結(jié)果及分析

2.1增效劑對混凝土工作性能及強(qiáng)度影響

采用 C40 等級混凝土配合比進(jìn)行試驗。根據(jù)增效劑使用說明，增效劑采用 0.6% 的摻量，水泥用量降低 30kg/m3，同時用水量降低 10kg/m3，將所減少的粉料用量全部回補(bǔ)到粗骨料上。各組混凝土的工作性能和強(qiáng)度如表 4 所示。

表4　增效劑對混凝土工作性能及強(qiáng)度影響

由表 4 可知，當(dāng)減少水泥用量并摻入增效劑后混凝土的工作性能無變化，7d 強(qiáng)度略有降低，28d 強(qiáng)度高于基礎(chǔ)空白樣，強(qiáng)度增幅為 9.5%。

2.2增效劑對粉料活性激發(fā)效果影響

混凝土強(qiáng)度的形成主要源于膠凝材料的水化反應(yīng)?；炷林芯哂心z凝作用的粉料包含水泥、粉煤灰、礦粉，通過膠砂強(qiáng)度試驗對比分析增效劑對粉料體系的增效作用。

粉料體系活性激發(fā)效果檢測方法參照 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》及 GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》中活性指數(shù)試驗方法?；钚约ぐl(fā)指數(shù)按公式 (1) 計算。

式中：A——活性激發(fā)指數(shù)，%；

R28——試驗?zāi)z砂 28d 強(qiáng)度，MPa；

R028——對比膠砂 2d 強(qiáng)度，MPa。

膠砂配比及試驗結(jié)果如表 5 所示。

表5　膠砂配比及活性激發(fā)指數(shù)

從表 5 中數(shù)據(jù)可知，增效劑對混凝土中粉料體系的增效作用主要源于對粉煤灰的激發(fā)效果（28d 活性提高 17.8%）。水泥及礦粉受到增效劑影響較小，其強(qiáng)度的微弱提高主要是由于增效劑中減水成分提高了漿體的流動性，進(jìn)而提高了漿體的密實度。

粉煤灰的化學(xué)活性（火山灰效應(yīng)）是指粉煤灰中的活性氧化硅、氧化鋁與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成具有膠凝作用的水化產(chǎn)物從而增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的性質(zhì)[4]。當(dāng)通常情況下，由于包裹粉煤灰的玻璃體是保持高溫液態(tài)結(jié)構(gòu)排列方式的介穩(wěn)結(jié)構(gòu)，在常溫常壓下其結(jié)構(gòu)仍然很穩(wěn)定，表現(xiàn)出較高的化學(xué)穩(wěn)定性，在自然環(huán)境下要經(jīng)過一個月或更長時間的激發(fā)，才能發(fā)揮其活性[5]。

通過化學(xué)激發(fā)劑及改性劑來激發(fā)粉煤灰的潛在活性是目前常用方法[6]，在增效劑中引入復(fù)合激發(fā)劑成分顯著提高了混凝土中粉煤灰的早期活化反應(yīng)。

2.3增效劑對粉煤灰活性激發(fā)微觀分析

為進(jìn)一步驗證并探究增效劑對粉煤灰活性激發(fā)效應(yīng)的影響，制作了水泥——粉煤灰體系凈漿試件 ，粉煤灰摻量為 30%（質(zhì)量百分比）。試件分為空白樣（FA-0）及試驗樣（FA-BTC），其中對比樣摻入 0.6% 增效劑。

將兩組樣品分別水養(yǎng) 7d、28d 后破碎，將破碎樣浸泡于無水乙醇中終止其水化。分別取浸泡后樣品 60℃ 干燥至恒重，在掃描電鏡下（SEM）觀察斷面區(qū)域粉煤灰顆粒形貌。結(jié)果如圖 1 所示。

圖1　粉煤灰顆粒 SEM 圖

從圖 1(a)、(b) 中可看出，7d 時粉煤灰顆粒均被 Ca(OH)2包裹。其中沒摻增效劑的空白樣（FA-0）中粉煤灰表面較光滑，與水泥之間沒有形成較好的水化黏結(jié)產(chǎn)物。而摻增效劑的試驗樣（FA-BTC）中粉煤灰顆粒表面出現(xiàn)了輕微的腐蝕。

從圖 1(c)、(d) 中可看出，28d 時空白樣（FA-0）中粉煤灰仍然沒有明顯水化反應(yīng)痕跡，而試驗樣（FA-BTC）中粉煤灰顆粒表面在增效劑的激發(fā)下生成了許多短而纖細(xì)的水化產(chǎn)物。粉煤灰與水泥的水化產(chǎn)物相互膠結(jié)在一起提高了二者間界面強(qiáng)度，增加了漿體的密實度。

以上現(xiàn)象說明增效劑能促進(jìn)粉煤灰玻璃體活性物質(zhì)在早期溶出，從而激發(fā)粉煤灰的早期活性，提高混凝土強(qiáng)度。

3　結(jié)論

在混凝土粉料體系中摻入增效劑，通過宏觀及微觀方法探討增效劑對混凝土的作用機(jī)理，得出以下結(jié)論：

（1）摻入增效劑后降低粉料（水泥）用量，混凝土的工作性變化不大，7d 強(qiáng)度略有降低，28d 強(qiáng)度高于基礎(chǔ)空白樣，強(qiáng)度增幅為 9.5%。

（2）增效劑對混凝土中粉料體系的增效作用主要源于對粉煤灰的激發(fā)效果（28d 活性提高 17.8%）。水泥及礦粉受到增效劑影響較小，其強(qiáng)度的微弱提高主要是由于增效劑中減水成分提高了漿體的流動性，進(jìn)而提高了漿體的密實度。

（3）增效劑能促進(jìn)粉煤灰玻璃體活性物質(zhì)在早期溶出，從而激發(fā)粉煤灰的早期活性，提高混凝土強(qiáng)度。

[1] 吳中偉，高性能混凝土——綠色混凝土[J]．混凝土與水泥制品，2000(1): 3-6．

[2] P.K.Mehta. Concrete technology for sustainable development[J]. Concrete International, 1999, 21(11): 47-53.

[3] 沈衛(wèi)國，姜艦，潘洪，等．拋填骨料砼是實現(xiàn)水泥砼低碳排放的途徑之一[J]．新世紀(jì)水泥導(dǎo)報，2009,03:30-34．

[4] Qian Jueshi, Shi Caijun, Wang Zhi. Activation of blended cements containing fly ash[J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(8):1121～1127.

[5] 朱蓓蓉，楊全兵．粉煤灰火山灰反應(yīng)性及其反應(yīng)動力學(xué)[J].硅酸鹽學(xué)報，2004,07:892-896．

[6] 欒曉風(fēng)，潘志華，王冬冬．粉煤灰水泥體系中粉煤灰活性的化學(xué)激發(fā)[J]．硅酸鹽通報，2010, 04: 757-761+783．

［通訊地址］湖北省武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)高科大廈 13 樓（430074）

張梓鑫（1986—），男，助理工程師。