謝學(xué)儉 俞尊玉 竇通宇

（南陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院， 河南 南陽 473000）

0 前言

有許多物質(zhì)可以作為混凝土緩凝劑，國內(nèi)應(yīng)用較多的緩凝劑是糖蜜減水劑和木質(zhì)素磺酸鈣減水劑。王曉慧[1]等人研究出糖蜜不僅可以作為緩凝劑，同時也可作為減水劑，不但能增加混凝土的流動性和凝固時間，還能提升混凝土的抗壓和抗折能力；王慶彥[2]等人研究出木質(zhì)素磺酸鈣減水劑可以不僅可以減少用水量,還能對混凝土起到緩凝作用，提高強(qiáng)度,減緩鋼筋的腐蝕。以上兩種緩凝劑雖然也會提升混凝土的抗壓能力，但效果并不明顯，在實際應(yīng)用的過程中也會存在著一些問題。在一些比較大的建筑工程中，有些緩凝劑不但用量大，成本高，而且效果并不一定符合相關(guān)的要求。本文通過對建筑市場的調(diào)研結(jié)果和相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)白砂糖（WGS)摻料對混凝土不僅具有緩凝劑的作用，而且具有成本低廉，對混凝土力學(xué)性能及其抗?jié)B性能提升顯著的優(yōu)良特性，可以說是一種具有極高性價比的外加劑。通過對相關(guān)的論文進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)很少有WGS摻料對混凝土力學(xué)性能及其抗?jié)B性能影響的試驗研究，故對此進(jìn)行研究，以便找出規(guī)律，得到WGS摻料的最佳取代率。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用P·P 32.5級火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥；粗骨料采用粒徑5～31.5mm的碎石；細(xì)骨料采用中砂，表觀密度為2650kg/m ,細(xì)度模數(shù)為2.8；外加劑采用河南恒源新材料有限公司生產(chǎn)的一級粉煤灰；白砂糖采用舒可曼食用白砂糖；水取南陽市自來水廠的水。

1.2 試驗儀器

KYES-1000數(shù)顯空心砌塊壓力機(jī)

氯離子電通量測定儀

1.3 試驗配合比及分組

1.3.1 配合比

本次試驗所設(shè)計的混凝土的強(qiáng)度等級為C40，并設(shè)置了0.5‰，0.75‰和1‰的WGS摻料去等質(zhì)量代換水泥。經(jīng)等質(zhì)量法計算出配合比，如表1所示。

表1 A、B和C組不同取代率橡膠混凝土配合比（kg/m3）

1.3.2 分組

由于本次試驗研究混凝土的兩種性能，故將混凝土分為兩大組。每個大組又分為四個小組，分別為一個基準(zhǔn)組和三個對照組。

對于研究抗壓強(qiáng)度的這一組，本文將P0定為基準(zhǔn)組。取P1,P2,P3為該試驗的對照組，分別代表WGS摻料等質(zhì)量取代0.5‰，0.75‰，1‰水泥的混凝土。將本組的每小組按100mm×100mm×100mm規(guī)格做出六個試件，以提高試驗的可信度。

對于研究抗?jié)B性能的這一組，本文將D0定為基準(zhǔn)組。取D1,D2,D3為該試驗的對照組，分別代表WGS摻料等質(zhì)量取代0.5‰，0.75‰，1‰水泥的混凝土。同上，另為了便于電通量法試驗槽中，將本組的每小組按Ф 100mmH50mm規(guī)格做出三個試件。

1.4 試件的制作步驟及養(yǎng)護(hù)

（1）計算與稱量。根據(jù)之前計算的配合比將各原料稱量好并裝入不同的容器中，備用（注意：為了使糖更好地融入混凝土中，先將每次應(yīng)加入的糖先溶解在攪拌用水中）。

（2）攪拌與振動。將各原料按照順序依次倒在鐵板上，人工進(jìn)行攪拌均勻，裝入刷好油的試模中，然后放在振動臺上振動三十秒。取下試件，貼上帶有編號的紙條。

（3）養(yǎng)護(hù)與脫模。將貼好紙條的試件放入養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)24h后，對試件進(jìn)行脫模。脫模后在混凝土寫上編號，放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28d。取出，通風(fēng)晾干，進(jìn)行抗壓與抗?jié)B試驗。

1.5 試驗方法

本文抗壓試驗參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）執(zhí)行?？箟簭?qiáng)度試驗儀器采用的是KYES-1000數(shù)顯空心砌塊壓力機(jī)。當(dāng)試件接近破壞臨界點時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整加載力速度（加載力速度減速），直至試件破壞，并記下破壞極限荷載[1]。

抗?jié)B試驗參照標(biāo)準(zhǔn)GB-T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，采用電通量法測其抗?jié)B性能。試件在進(jìn)行通電試驗前應(yīng)真空飽水，具體操作是先將試件放入全自動控制真空飽水機(jī)，擰緊蓋上的就螺絲使其完全密封，然后啟動設(shè)備，壓水完畢后擦干表面水分。將試件安裝在氯離子電通量測定儀的試驗槽內(nèi)并擰緊。檢查其密封性并確定其密封性良好后，將0.3mol·L-1的NaOH溶液注入正電槽，并將質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的NaCl溶液注入負(fù)電槽。安裝完畢后，啟動儀器，6h后查看并記錄電通量數(shù)值。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 WGS摻料對混凝土力學(xué)性能的影響

2.1.1 破壞形態(tài)

對于WGS摻料對混凝土力學(xué)性能影響的研究，本文通過對試件的破壞形態(tài)初步分析不同取代率的WGS摻料對混凝土抗壓性能的影響，并在大量的試驗試件圖片中選取了兩組具有代表性的試件28d破壞形態(tài)圖片，如圖1所示。

圖1 28d破壞形態(tài)

通過圖1的兩組圖片可以分析得出P0，P1，P2的破壞程度是逐漸減小的，然而P3的破壞程度是最大的，在宏觀角度上可以得到一個初步結(jié)論——在WGS取代率在0‰-1‰的范圍內(nèi)時，混凝土的抗壓能力隨著WGS摻料取代率的增加呈現(xiàn)先增大后減小，在取代率為0.75‰時達(dá)到最大。

2.1.2 試驗結(jié)果及計算

混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度[2]fcu（MPa）為

fcu=Fmax/A

式中，F(xiàn)max：破壞極限荷載（單位：N）；A：試件受壓面積（單位：mm2）。

2.1.3 抗壓強(qiáng)度

WGS摻料混凝土28d抗壓強(qiáng)度如表2，圖2所示：

表2 WGS摻料混凝土28d抗壓強(qiáng)度（MPa）

圖2 取代率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

根據(jù)表2，圖2可以分析得出：0.5‰，0.75‰取代率的WGS摻料混凝土28d的抗壓強(qiáng)度要略高于0‰取代率的混凝土的抗壓強(qiáng)度，但1‰取代率的WGS摻料混凝土28d的抗壓強(qiáng)度要大幅度低于0‰取代率的混凝土的抗壓強(qiáng)度。圖2中的線性圖像也呈現(xiàn)了一種先緩慢上升后急速下降的趨勢。故由圖表中的大量試驗數(shù)值與線性關(guān)系可得出結(jié)論——在WGS取代率在0‰-1‰的范圍內(nèi)時，WGS摻料混凝土的抗壓能力隨著WGS摻料取代率的增加先平緩增大后急速減小，在取代率為0.75‰時抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最大，在取代率為1‰時抗壓強(qiáng)度值最小。

2.1.4 抗壓強(qiáng)度平均值的改變值及改變率

為了更加深入的探究WGS摻料取代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，計算出P1、P2、P3各組28d抗壓強(qiáng)度的平均值相對于P0組的改變值及改變率，并繪制出各組改變值及改變率的數(shù)據(jù)表和變化圖，如表3，圖3所示。

表3 各組抗壓強(qiáng)度平均值改變值與改變率

圖3 取代率與改變率關(guān)系圖

由表3可以得出，P1組相對于基準(zhǔn)組P0組抗壓強(qiáng)度上升了0.93MPa,改變率為1.8%；P2組相對于基準(zhǔn)組P0組抗壓強(qiáng)度上升了1.63MPa,改變率為3.2%；P3組相對于基準(zhǔn)組P0組抗壓強(qiáng)度下降了13.25MPa,改變率為26.6%。結(jié)合圖三，可以得到一個更加直觀的結(jié)論——在WGS摻料取代率在5‰—0.75‰時，WGS摻料混凝土的28d抗壓強(qiáng)度會緩慢增加；然而當(dāng)取代率達(dá)到1‰時，WGS摻料混凝土的28d抗壓強(qiáng)度會急劇下降，低于基準(zhǔn)組。

2.2 WGS摻料對混凝土抗?jié)B性能的影響

2.2.1 試驗數(shù)據(jù)及分析

WGS摻料混凝土進(jìn)行6h通電通量試驗后，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理并繪制了6h電通量與取代率的關(guān)系圖，如表4，圖4所示．

表4 WGS摻料混凝土6h電通量（C）

圖4 取代率與電通量關(guān)系圖

依據(jù) JGJ/T 193 2009《混凝土耐久性檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》，對表四中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：D1、D2、D3組混凝土6h電通量相較于基準(zhǔn)組D0組混凝土6h電通量是都是減小的，減小率依次為20.7%，32.5%，8.1%。因為混凝土6h電通量越小，其抗?jié)B能力越強(qiáng)，所以可以看出三組中D2組的抗氯離子滲透能力是最強(qiáng)的，其次是D1、D3、DO。在圖4的線性圖像中也呈現(xiàn)了一種先下降后上升的趨勢。結(jié)合圖表中的大量試驗數(shù)值與線性關(guān)系可得出結(jié)論——在WGS取代率在0‰-1‰的范圍內(nèi)時，WGS摻料混凝土的抗?jié)B能力隨著WGS摻料的取代率增加呈現(xiàn)先增強(qiáng)后降低的趨勢，在WGS摻料取代率為0.75‰時混凝土的抗?jié)B能力最強(qiáng)。

2.2.2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)模型的建立

氯離子在混凝土中的傳輸主要有擴(kuò)散、滲透、物理或化學(xué)吸附、毛細(xì)作用等多種方式[3]。一般認(rèn)為，擴(kuò)散作用作為混凝土內(nèi)部氯離子傳播的主要方式，混凝土處在復(fù)雜的實際工程環(huán)境下，氯離子的侵入將由某一種傳輸方式起主導(dǎo)作用，但也受其它傳輸方式的影響[4]。相較于電通量而言，引入氯離子擴(kuò)散系數(shù)模型可以從更加微觀的角度去分析混凝土內(nèi)氯離子的擴(kuò)散行為。而大部分研究氯離子擴(kuò)散行為的方法就是研究在通電的情況下氯離子從負(fù)極溶液跑向征集溶液的趨勢。故在研究混凝土的抗?jié)B性能時，氯離子擴(kuò)散系數(shù)與電通量有著很大的聯(lián)系，因而氯離子擴(kuò)散系數(shù)也是研究混凝土抗?jié)B性的一個重要指標(biāo)。試驗中，混凝土的 6h 電通量與混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間存在著線性關(guān)系[5]，表達(dá)關(guān)系式如下

Y= 2.57765+ 0.00429X

式中：Y 表示氯離子擴(kuò)散系數(shù)（×10-13m2/s）；

X表示混凝土的 6h 總電通量（C）。

通過該公式計算出本試驗各組氯離子擴(kuò)散系數(shù)，計算結(jié)果如表5所示。

表5 各組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

2.2.3 WGS摻料混凝土抗壓強(qiáng)度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系分析

能夠影響混凝土的抗?jié)B性的因素有很多，如配合比，溫度等[6]。這些因素會在混凝土養(yǎng)護(hù)時期影響其硬化，從而使其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的變化，進(jìn)而影響混凝土內(nèi)部的密實程度，因此氯離子進(jìn)入混凝土的難易程度也會發(fā)生變化[7]。除此之外，混凝土的摻合料中也會有氯離子吸附在上面，影響氯離子擴(kuò)散系數(shù)。為了研究抗壓強(qiáng)度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系，以28d抗壓強(qiáng)度為X軸，以氯離子擴(kuò)散系數(shù)為Y軸繪制WGS摻料混凝土28d抗壓強(qiáng)度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的散點圖，如圖5所示。

圖5 抗壓強(qiáng)度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系圖

如圖5所示，利用Origin作圖軟件對兩者進(jìn)行擬合，得到抗壓強(qiáng)度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的函數(shù)關(guān)系式

Y=-230.2494+11.4339X-0.13211X2

擬合優(yōu)度：R2=0.98797

從圖5可以看出，WGS摻料混凝土的28d抗壓強(qiáng)度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)存在著一定的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.98797。經(jīng)線性擬合分析，當(dāng)WGS摻料混凝土28d抗壓強(qiáng)度小于43.27MPa時，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著抗壓強(qiáng)度的增大而增大；當(dāng)WGS摻料28d抗壓強(qiáng)度大于43.27MPa時，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著抗壓強(qiáng)度的增大而減小。故得出一個初步結(jié)論——當(dāng)WGS摻料取代率在0‰-0.75‰之間時，WGS摻料混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著28d抗壓強(qiáng)度的增大而減小。

2.3 氯離子對混凝土破壞機(jī)理分析

在實際建筑項目中，大多數(shù)工程使用的混凝土都是鋼筋混凝土。鋼筋混凝土在養(yǎng)護(hù)過程中往往會因為水化反應(yīng)產(chǎn)生Ca(OH)2溶液，使其溶液pH達(dá)到13以上，使鋼筋表面生成一層致密的鈍化膜[8]。由于氯離子具有非常強(qiáng)的穿透能力，他會穿過混凝土進(jìn)入孔隙液內(nèi)，使鋼筋表面的pH值降低到4以下。所以當(dāng)鋼筋周圍混凝土孔隙液中的氯離子達(dá)到一定濃度時，鈍化膜就會完全破壞。鈍化膜被破壞之后，鋼筋處于活化狀態(tài)，氯離子也會增強(qiáng)電化學(xué)腐蝕，進(jìn)一步使鋼筋銹蝕[9]。

3 結(jié)論

（1）在WGS摻料取代率為0‰-1‰時，WGS摻料混凝土28d的抗壓強(qiáng)度隨著WGS摻料取代率的增大呈現(xiàn)先緩慢增大后急速減小的的趨勢，當(dāng)WGS摻料取代率為0.75‰時，其28d抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最大，為51.33MPa。

（2）在WGS摻料取代率為0‰-1‰時，WGS摻料混凝土的抗?jié)B能力隨著WGS摻料的取代率的增加呈現(xiàn)先增強(qiáng)后降低的趨勢，當(dāng)WGS摻料取代率為0.75‰時，混凝土的抗?jié)B能力最強(qiáng)。

（3）根據(jù)表5氯離子擴(kuò)散系數(shù)計算結(jié)果結(jié)合其28d抗壓強(qiáng)度利用Origin軟件建立模型并進(jìn)行擬合，得出抗壓強(qiáng)度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系式Y(jié)=-230.2494+11.4339X-0.13211X2，擬合優(yōu)度為R2=0.98797。

（4）WGS摻料混凝土的抗壓能力和抗?jié)B能力都會隨著WGS摻料取代率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)取代率為0.75‰時，其抗壓能力和抗?jié)B能力最強(qiáng)。故在WGS摻料取代率為0‰-1‰時，WGS混凝土的最佳摻料取代率為0.75‰。