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

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?？箟簭姸仍囼瀮x器采用的是KYES-1000數(shù)顯空心砌塊壓力機。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，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 抗壓強度

WGS摻料混凝土28d抗壓強度如表2，圖2所示：

表2 WGS摻料混凝土28d抗壓強度（MPa）

圖2 取代率與抗壓強度關(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的抗壓強度要略高于0‰取代率的混凝土的抗壓強度，但1‰取代率的WGS摻料混凝土28d的抗壓強度要大幅度低于0‰取代率的混凝土的抗壓強度。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‰時抗壓強度值達(dá)到最大，在取代率為1‰時抗壓強度值最小。

2.1.4 抗壓強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度的影響規(guī)律，計算出P1、P2、P3各組28d抗壓強度的平均值相對于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，所以可以看出三組中D2組的抗氯離子滲透能力是最強的，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。

2.2.2 氯離子擴散系數(shù)模型的建立

氯離子在混凝土中的傳輸主要有擴散、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)氯離子的擴散行為。而大部分研究氯離子擴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，氯離子擴散系數(shù)與電通量有著很大的聯(lián)系，因而氯離子擴散系數(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散系數(shù)

2.2.3 WGS摻料混凝土抗壓強度與氯離子擴散系數(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，影響氯離子擴散系數(shù)。為了研究抗壓強度與氯離子擴散系數(shù)的關(guān)系，以28d抗壓強度為X軸，以氯離子擴散系數(shù)為Y軸繪制WGS摻料混凝土28d抗壓強度與氯離子擴散系數(shù)的散點圖，如圖5所示。

圖5 抗壓強度與氯離子擴散系數(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，得到抗壓強度與氯離子擴散系數(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抗壓強度與氯離子擴散系數(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抗壓強度小于43.27MPa時，氯離子擴散系數(shù)隨著抗壓強度的增大而增大；當(dāng)WGS摻料28d抗壓強度大于43.27MPa時，氯離子擴散系數(shù)隨著抗壓強度的增大而減小。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散系數(shù)隨著28d抗壓強度的增大而減小。

2.3 氯離子對混凝土破壞機理分析

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。

（3）根據(jù)表5氯離子擴散系數(shù)計算結(jié)果結(jié)合其28d抗壓強度利用Origin軟件建立模型并進(jìn)行擬合，得出抗壓強度與氯離子擴散系數(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。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‰。