馬永勝，候慶亮，于飛

（1. 哈爾濱佳連混凝土技術(shù)開發(fā)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150076；2. 大元建材科技股份有限公司，河北 滄州 061724）

淺談硫酸鈉在混凝土中的應(yīng)用

馬永勝1，候慶亮1，于飛2

（1. 哈爾濱佳連混凝土技術(shù)開發(fā)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150076；2. 大元建材科技股份有限公司，河北 滄州 061724）

隨著預(yù)拌混凝土的飛速發(fā)展，混凝土外加劑被廣泛的應(yīng)用到混凝土中。本文通過一系列的試驗(yàn)，以及筆者在工程中應(yīng)用硫酸鈉時(shí)，遇到的案例、問題，與大家共同探討關(guān)于硫酸鈉在混凝土中應(yīng)用的利弊。

硫酸鈉；強(qiáng)度；工作性；耐久性

0 引言

硫酸鈉常被稱作元明粉，是工程中常用的早強(qiáng)劑，同時(shí)又是復(fù)配泵送劑時(shí)比較常見的早強(qiáng)組份。本文將硫酸鈉統(tǒng)一稱為“元明粉”。筆者認(rèn)為在混凝土中元明粉的作用不只有早強(qiáng)，并長期將元明粉作為調(diào)節(jié)混凝土外加劑與其他材料相容性的保坍組份。

本文將通過強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)、混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)、以及一些案例來分析元明粉在不同使用條件下對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響。

1 元明粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

1.1.1 原材料

（1）水泥，P·O42.5水泥，其性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥復(fù)檢性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，其性能指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰復(fù)檢性能指標(biāo) %

（3）粗骨料：碎石，5～25mm 連續(xù)級(jí)配，其性能指標(biāo)見表3。

表3 碎石復(fù)檢性能指標(biāo) %

（4）細(xì)骨料：天然砂，其性能指標(biāo)見表4。

表4 細(xì)骨料復(fù)檢性能指標(biāo)

（5）泵送劑，其性能指標(biāo)見表5。

表5 混凝土泵送劑復(fù)檢性能指標(biāo)

（6）元明粉，其性能指標(biāo)見表6。

表6 元明粉性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

按 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》依次將不同元明粉摻量的混凝土進(jìn)行成型試驗(yàn)。試拌量不小于 25L，每組試樣齡期為 3d、7d、28d、60d?；炷僚浜媳纫姳?。

所有混凝土試驗(yàn)使用的原材料為同一廠家、同一批次。混凝土配合比除元明粉摻量外，其它相同。混凝土標(biāo)記為 A-C30-200（S4)-GB/T14902。

表7 對(duì)比試驗(yàn)配合比 k g/m3

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表8 ）

表8 對(duì)比試驗(yàn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)

通過表8 可以看出，當(dāng)元明粉摻量為.5%～1.0%時(shí)，混凝土的 3d 強(qiáng)度、7d 強(qiáng)度有顯著提高。但發(fā)現(xiàn)當(dāng)元明粉摻量提高到1.5%～2.0% 時(shí)，混凝土早期強(qiáng)度的增長趨于平緩。而2.5% 摻量較2.0% 摻量，混凝土強(qiáng)度增長則不明顯。

28d 齡期中當(dāng)元明粉摻量為.5%～1.0% 時(shí)，與不摻元明粉的混凝土差異不大，當(dāng)元明粉摻量為1.5%～2.0% 時(shí)強(qiáng)度要低于沒摻元明粉的混凝土。當(dāng)摻量提高到2.5% 時(shí)較未摻元明粉的混凝土強(qiáng)度下降明顯。

60d 齡期中可以發(fā)現(xiàn)摻加元明粉的混凝土較之沒有摻加元明粉的混凝土，強(qiáng)度均有不同程度的下降，且元明粉摻量越高，強(qiáng)度下降的越明顯。

元明粉加入混凝土后與水泥水化生成的氫氧化鈣反應(yīng)，生成硫酸鈣，硫酸鈣與 C3A 反應(yīng)形成一定量的鈣礬石。并且由于硫酸鈉的加入，Ca(OH)2濃度降低，硅酸三鈣的水化速度增加，所以混凝土的早期強(qiáng)度有所增加，但因?yàn)樵鞣鄣募尤胍约皳搅坎粩嗟奶岣?，混凝土中早期水化的產(chǎn)物生成速度過快，導(dǎo)致混凝土中的膠凝材料漿體結(jié)構(gòu)不均勻，影響混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展。

所以元明粉作為早強(qiáng)劑摻入混凝土?xí)r，0.5%～1.5%的摻量對(duì)混凝土早期強(qiáng)度有明顯提高，并且對(duì)后期強(qiáng)度影響不大。

2 元明粉對(duì)混凝土工作性的影響

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)步驟依據(jù) GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中稠度試驗(yàn)進(jìn)行檢測，記錄混凝土初始坍落度以及 30min、60min 后坍落度的變化，其中混凝土試驗(yàn)中所用原材料與本文強(qiáng)度試驗(yàn)相同，配合比參照表7 ，除元明粉摻量外其它相同。試驗(yàn)溫度20℃、濕度 55%。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表9）

通過表9的數(shù)據(jù)可以看出，隨著元明粉摻量的增加，混凝土的初始坍落度變小，坍落度損失變大。并且當(dāng)元明粉摻量達(dá)到1.5%～2% 時(shí)，急劇加大了混凝土的坍落度損失。

表9 不同元明粉摻量坍落度及坍落度損失

摻入元明粉之后，對(duì)混凝土的工作性有很大的影響，從混凝土坍落度及坍落度損失來看，元明粉摻量不宜超過1%。

那么是否所有的混凝土在加入元明粉后，對(duì)混凝土的工作性都是負(fù)作用呢？筆者認(rèn)為不然。元明粉加入混凝土中除了早強(qiáng)作用之外，還有其他的功效，在調(diào)整外加劑與原材料相容性的時(shí)候，有時(shí)會(huì)遇到一種較難調(diào)整的水泥，水泥中三氧化硫摻量較低，或者水泥中的石膏溶解度有問題，那么往往混凝土的坍落度損失較大，使用常用的緩凝劑不能保證混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失，甚至往往在混凝土出機(jī)后5分鐘到10分鐘的時(shí)間內(nèi)失去工作性。

下面以同樣的試驗(yàn)方法、同樣的配合比、同樣的試驗(yàn)條件，換用另外一個(gè)廠家的水泥進(jìn)行試驗(yàn)，觀察摻入不同摻量元明粉的混凝土初始坍落度與混凝土坍落度損失，結(jié)果見表10。

表10 不同元明粉摻量坍落度及坍落度損失

圖1和2分別為 60min 后坍落度最大和最小的兩組試樣的狀態(tài)對(duì)比圖。

圖1 編號(hào)2試驗(yàn) 60mim

圖2 編號(hào)1試驗(yàn)6mi n

通過表10與圖2可以看到，編號(hào)1的混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失比較大，60min 后混凝土表面發(fā)澀，失去流態(tài)也就是常說的“灰死了”，表面的漿體較少工作性較差。

而編號(hào)2、編號(hào)3的混凝土經(jīng)時(shí)損失很小，60min后混凝土的流態(tài)依舊很好，漿體表面游離水充足，說明對(duì)于此廠家的水泥，在調(diào)整外加劑相容性方面，元明粉起到積極的作用。

當(dāng)元明粉摻量提高到1.5%～2% 時(shí)，編號(hào)4、編號(hào)5的混凝土較編號(hào)2、編號(hào)3的混凝土的初始坍落度變小，坍落度經(jīng)時(shí)損失變大，并且混凝土漿體粘度變大，游離水變少。

這說明當(dāng)元明粉摻量為.5%～1% 時(shí)，調(diào)整外加劑與原材料相容性的效果已經(jīng)達(dá)到，而多余的元明粉此時(shí)對(duì)于混凝土保坍來說起到的是反作用。

3 作用機(jī)理

元明粉作為粉態(tài)外加劑加入混凝土?xí)r，自身會(huì)吸附一定量的水，同時(shí)元明粉摻量的提高會(huì)使得混凝土中的堿含量增加，加速水泥水化，所以隨著元明粉摻量的提高，混凝土的初始坍落度下降，混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失變大。

在欠硫化的水泥中則不然，由于水泥中的可溶性SO3不足或者石膏的溶解度不夠，不得不向混凝土里補(bǔ)入一定的硫酸根離子，去抑制氯酸三鈣對(duì)外加劑的吸附。

在補(bǔ)硫的時(shí)候，元明粉可以用硫代硫酸鹽或其他的硫酸鹽組分替代，但往往發(fā)現(xiàn)有時(shí)候用元明粉可以控制混凝土的坍落度損失，但用其他硫酸鹽則不可以，其實(shí)這種情況元明粉的作用就并非只有補(bǔ)硫了，筆者認(rèn)為元明粉在與水泥反應(yīng)后會(huì)形成一層鈣膜，而這種鈣膜對(duì)水泥中的氯酸三鈣、鐵鋁酸四鈣吸附外加劑有一定的阻礙作用，此時(shí)硫酸鈉的形態(tài)必須是粉態(tài)，而且要先于外加劑與水泥接觸。

4 工程中應(yīng)用元明粉時(shí)常見問題

4.1 混凝土表面鹽析

混凝土中加入元明粉，如果使用的不恰當(dāng)，混凝土表面很容易出現(xiàn)鹽析，這是因?yàn)樵鞣墼谂c水泥反應(yīng)時(shí)，鈉離子不與水化物反應(yīng)，很多都?xì)埩粼诨炷恋谋砻?，所以出現(xiàn)了鹽析，影響混凝土表面的觀感（見圖3～5）。

使元明粉產(chǎn)生鹽析現(xiàn)象的因素有以下幾種：

4.1.1 元明粉摻量

通過多組現(xiàn)場實(shí)例的對(duì)比，當(dāng)元明粉摻量為.5%以下時(shí)，混凝土鹽析現(xiàn)象較少。當(dāng)元明粉摻量超過1%時(shí)，混凝土鹽析的現(xiàn)象比較多，當(dāng)元明粉摻量達(dá)到2%時(shí)混凝土鹽析現(xiàn)象很嚴(yán)重。

圖3 剪力墻出現(xiàn)鹽析

圖4 混凝土樓板出現(xiàn)鹽析

圖5 混凝土板結(jié)泌水表面鹽析嚴(yán)重

4.1.2 混凝土和易性差

當(dāng)混凝土拌合物出現(xiàn)板結(jié)、泌水時(shí)，混凝土表面更容易出現(xiàn)鹽析的現(xiàn)象，并且裸露的骨料表面會(huì)出現(xiàn)白色粉末。當(dāng)混凝土出現(xiàn)泌水時(shí)，部分未反應(yīng)的元明粉會(huì)上浮到表面，當(dāng)混凝土表面失水后析出。

4.1.3 混凝土失水速度快

通過對(duì)多個(gè)現(xiàn)場的觀察與比對(duì)，濕養(yǎng)護(hù)工作做得比較好的混凝土鹽析現(xiàn)象很少出現(xiàn)，而混凝土不采取原漿覆蓋或過早拆模的混凝土鹽析現(xiàn)象較嚴(yán)重。圖3的混凝土拆模時(shí)間為 24h，并且當(dāng)天平均溫度為10℃，混凝土沒有達(dá)到一定的強(qiáng)度過早失水，導(dǎo)致表面出現(xiàn)鹽析現(xiàn)象。

4.2 元明粉結(jié)塊

2016 年綏化市某棚改工程，二層梁板中發(fā)現(xiàn)白色塊狀物體將混凝土表面脹裂，經(jīng)查實(shí)是由于拌合站工人在投放元明粉時(shí)將受潮帶有結(jié)塊的元明粉投入混凝土中。帶有結(jié)塊的元明粉在混凝土攪拌過程中并未完全攪拌開，而是以塊狀的形態(tài)出現(xiàn)混凝土中，而元明粉與水泥反應(yīng)后，局部產(chǎn)生較大的體積膨脹，最終將混凝土表面脹裂，影響混凝土質(zhì)量。

有結(jié)塊的粉態(tài)外加劑應(yīng)禁止用于混凝土中，在粉態(tài)外加劑投放之前可進(jìn)行篩分，并且使用粉態(tài)外加劑時(shí)應(yīng)延長混凝土的攪拌時(shí)間，提高混凝土的均勻性。

4.3 元明粉對(duì)混凝土裂縫的影響

在同一配合比、同一批次原材料、同一工程、同一天澆筑、同一施工工藝的前提下，分別采用～2% 不同元明粉摻量的混凝土澆筑混凝土樓板。為排除鋼筋影響混凝土開裂的因素，其中摻量為～1% 時(shí)采取隔條覆蓋的養(yǎng)護(hù)方法，即覆蓋一條、空出一條。澆筑日期為 2016年6月，澆筑平均溫度為 25℃，風(fēng)力到達(dá)4～5級(jí)。后檢查混凝土開裂情況，見表 11和圖6～11。

表11 不同摻量下混凝土開裂情況

圖6 0.5% 摻量濕養(yǎng)護(hù)混凝土開裂情況

圖7 1% 摻量濕養(yǎng)護(hù)混凝土開裂情況

圖8 2% 摻量濕養(yǎng)護(hù)混凝土開裂情況

圖9 2% 摻量未養(yǎng)護(hù)

圖10 0% 摻量未養(yǎng)護(hù)

圖11 2% 元明粉摻量的混凝土拆除底模

通過對(duì)比試驗(yàn)來看，首先在同樣采取原漿覆蓋的混凝土，無論是否摻入元明粉，混凝土都未出現(xiàn)開裂。而在沒有進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù)的混凝土中，其中摻入元明粉的混凝土的裂縫明顯更多，且裂縫寬度更寬。這么來看開裂的原因并不是混凝土加入了元明粉，而是混凝土的早期失水收縮導(dǎo)致的。但不可否認(rèn)的是，在混凝土同樣未養(yǎng)護(hù)的情況下，摻入元明粉的混凝土裂縫更多，裂縫寬度更大，這是因?yàn)樵鞣鄣募尤氪龠M(jìn)了 C3S 的水化，增加了混凝土的失水速度，而混凝土初期自身的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗混凝土失水造成的收縮應(yīng)力，混凝土則出現(xiàn)了開裂。由于混凝土開裂的時(shí)間更早，空氣進(jìn)入混凝土內(nèi)部進(jìn)一步加劇了混凝土的干燥收縮，形成了貫穿裂縫。同時(shí)元明粉呈堿性，加入混凝土后造成混凝土堿含量的提高，增加了混凝土自身收縮，加快了水泥水化的放熱速度，與外界的溫差較大時(shí)，造成了溫度應(yīng)力裂縫。

5 結(jié)論

元明粉在混凝土工程中作為早強(qiáng)劑對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度有明顯的提高，同時(shí)在某種情況下調(diào)整外加劑相容性時(shí)，起到了良好積極的作用，但在使用元明粉時(shí)應(yīng)注意，為避免對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的影響，應(yīng)找到最適合的摻量。同時(shí)在使用元明粉時(shí)，應(yīng)特別注意混凝土的濕養(yǎng)護(hù)，反之若現(xiàn)場不具備混凝土養(yǎng)護(hù)的條件，則需要慎用元明粉。

每一種外加劑對(duì)混凝土各方面性能均有利弊。 所以在使用每種外加劑前，更有必要經(jīng)過大量的試驗(yàn)才可進(jìn)行應(yīng)用。只有揚(yáng)長避短才能配制出優(yōu)質(zhì)的混凝土。

馬永勝（1974—），男，碩士，高級(jí)工程師。

［通訊地址］哈爾濱佳連混凝土技術(shù)開發(fā)有限公司（150076）