增效劑在水工高性能混凝土中增效機(jī)理的研究及其應(yīng)用

雷 皓，宋曉波

（1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，430070，武漢；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，430070，武漢）

增效劑在水工高性能混凝土中增效機(jī)理的研究及其應(yīng)用

雷 皓1，宋曉波2

（1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，430070，武漢；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，430070，武漢）

鄂北地區(qū)水資源配置工程高性能混凝土配合比優(yōu)化研究中，重點(diǎn)對(duì)不同材料比例和不同XCL增效劑摻量配合比進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)不同配比混凝土拌和物水化熱、不同齡期混凝土進(jìn)行XRD圖譜和SEM微觀分析，確定了適宜的增效劑摻量，并驗(yàn)證了混凝土的力學(xué)和耐久性能。

鄂北地區(qū)水資源配置工程；高性能混凝土；增效劑

鄂北地區(qū)水資源配置工程輸水線路含倒虹吸11座，長(zhǎng)76.104 km，采用3根預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）并排同槽布置。PCCP是由鋼板、預(yù)應(yīng)力鋼絲、混凝土和水泥砂漿4種基本原材料經(jīng)過(guò)鋼筒成型、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力控制技術(shù)的施加和保護(hù)層噴射等制造工藝后形成的一種新型復(fù)合管材。PCCP管壁厚度400mm，其中管芯混凝土厚度340mm，砂漿保護(hù)層凈厚度25mm。管芯為高性能混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C55，采用立式澆筑震動(dòng)成型，混凝土總方量約110萬(wàn)m3。

本研究項(xiàng)目通過(guò)不同摻量XCL增效劑對(duì)高性能混凝土帶來(lái)的增強(qiáng)效果及對(duì)混凝土不同水化熱的分析，確定適宜的增效劑摻量并通過(guò)生產(chǎn)性試驗(yàn)及混凝土力學(xué)和耐久性能的檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化配合比的效果。

一、原材料

1.一般材料

本項(xiàng)目所用水泥為普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰；減水劑為聚羧酸高性能減水劑，推薦摻量為1.3%；細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.65，處于級(jí)配2區(qū)，其他各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)檢驗(yàn)滿足《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）Ⅰ類(lèi)砂標(biāo)準(zhǔn)要求；粗骨料級(jí)配范圍為5～25 mm連續(xù)級(jí)配，其他各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)檢驗(yàn)滿足《建筑用卵石、 碎石》（GB/T 14685—2011）Ⅱ類(lèi)碎石標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.XCL增效劑

本項(xiàng)目選用XCL型增效劑，推薦摻量為0.6%～0.8%的膠凝材料用量，增效劑具有改善和易性、提高混凝土勻質(zhì)性、大幅度降低成本、較好的強(qiáng)度保證及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

二、基準(zhǔn)配合比

根據(jù)摻用XCL增效劑前的配合比試驗(yàn)結(jié)果和線性回歸方程，選定滿足設(shè)計(jì)要求的配合比參數(shù)及每立方米混凝土各材料用量（見(jiàn)表1）。

三、配合比優(yōu)化

XCL增效劑作為一種由高分子聚合物加功能性材料在常溫下合成的一種新型外加劑，具有極強(qiáng)的分散和滲透功能，能有效提高富余水泥顆粒的分散性，改善混凝土工作性能，且顯著降低混凝土膠凝材料用量，能有效解決本研究項(xiàng)目的關(guān)鍵問(wèn)題。

1.確定增效劑摻量

（1）XCL增效劑摻量的分析

保證水膠比、砂率、減水劑用量不變，把基準(zhǔn)配合比的水泥用量降低9%，分析XCL增效劑不同摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，隨著XCL增效劑摻量的增加，混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)了先增加后基本平穩(wěn)的趨勢(shì)；當(dāng)摻量達(dá)到0.6%時(shí)，混凝土強(qiáng)度與基準(zhǔn)配合比混凝土的抗壓強(qiáng)度持平；當(dāng)摻量為0.8%時(shí)，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯，基本與摻量為0.6%的混凝土一致。綜合考慮增強(qiáng)效果及經(jīng)濟(jì)性兩方面因素，確定C55管芯混凝土中XCL增效劑的最佳摻量為0.6%。

（2）XCL增效劑不同摻量對(duì)混凝土水化熱的分析

試驗(yàn)采用摻量為0%、0.4%、0.6%、0.8%XCL增效劑進(jìn)行測(cè)試，分析XCL增效劑對(duì)混凝土膠凝漿體水化熱特征和水化程度的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1可見(jiàn)，隨著增效劑摻量增加，3天水化放熱量略有增大，溫峰出現(xiàn)時(shí)間略有提前。當(dāng)增效劑摻量≤0.6%時(shí)，增效劑摻量的增加對(duì)水泥分散和水化程度促進(jìn)作用明顯，但分散增強(qiáng)組分摻量＞0.6%時(shí)，水泥和膠凝漿體水化程度隨其摻量的增加而提高幅度較小，這可能是由于0.6%摻量已經(jīng)接近其對(duì)水泥顆粒分散能力的臨界點(diǎn)，因此，增效劑的適宜摻量為膠凝材料的0.6%。

2.配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，通過(guò)摻入0.6%的增效劑，在降低水泥用量上設(shè)7%、9%、11%共3個(gè)試驗(yàn)，考慮到增效劑的混凝土增強(qiáng)效果，在水膠比上設(shè) 0.30、0.32、0.34 共 3 個(gè)試驗(yàn)段，進(jìn)行了9組配合比試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的配合比及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，在降低相同膠凝材料用量的配合比時(shí)，為保證混凝土的工作性能滿足設(shè)計(jì)要求，減水劑的摻量有所變動(dòng)，隨著水膠比增大，混凝土抗壓強(qiáng)度隨之降低；相同水膠比時(shí)，降低膠凝材料用量越多，混凝土的抗壓強(qiáng)度越低。工作性能和力學(xué)性能均滿足C55管芯混凝土要求的配合比編號(hào)為 Z1-1、Z1-2、Z2-1、Z2-2。綜合經(jīng)濟(jì)效益考慮，最終選擇降低膠凝材料用量較多、減水劑摻量較少的配合比Z2-2與基準(zhǔn)配合比J1-1進(jìn)行全面的對(duì)比分析。

表1 基準(zhǔn)混凝土配合比參數(shù)及每立方米原材料用量

表2 混凝土配合比原材料用量

圖1 XCL增效劑摻量對(duì)混凝土膠凝漿體水化放熱速率和水化放熱量的影響

表3 推薦優(yōu)化混凝土配合比參數(shù)及每立方米原材料用量

表4 混凝土總堿量計(jì)算表

3.XCL增效劑對(duì)混凝土力學(xué)性能影響機(jī)理分析

（1）XCL增效劑對(duì)混凝土影響的XRD分析

XRD即X射線衍射，通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行X射線衍射，分析其衍射圖譜，以獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息。選取配合比編號(hào)為Z2-2與基準(zhǔn)配合比為J1-1進(jìn)行不同齡期XRD測(cè)試分析，編號(hào)J1-1未摻XCL增效劑的混凝土3個(gè)齡期水化物有氫氧化鈣、鈣礬石等，同時(shí)還有未參加反應(yīng)的C3S、C2S、SiO2等礦物；編號(hào)Z2-2摻入XCL增效劑后，混凝土的3個(gè)齡期水化物基本與未摻時(shí)相同，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)的生成，說(shuō)明XCL增效劑并不改變混凝土水化物的種類(lèi)。

（2）XCL增效劑對(duì)混凝土影響的SEM分析

SEM主要是利用二次電子信號(hào)成像來(lái)觀察樣品的表面形態(tài)，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像。對(duì)基準(zhǔn)配合比J1-1與摻增效劑配合比Z2-2的混凝土3天、28天齡期SEM照片進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)28天時(shí)兩組中Ca(OH)2含量均較3天時(shí)有較大增加，主要原因是隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥的水化程度不斷加深所致。摻XCL混凝土增效劑比未摻的基準(zhǔn)配合比水化更充分。由此證明了XCL增效劑可以讓摻入的水泥充分水化發(fā)揮作用，大大增加水泥水化勢(shì)能，提高水泥顆粒的利用率。

4.XCL增效劑對(duì)混凝土耐久性能的影響分析

按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352—2006）中的試驗(yàn)方法，分別測(cè)試基準(zhǔn)配合比J1-1與優(yōu)化配合比Z2-2配制混凝土的抗?jié)B和抗凍性能，所測(cè)性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.推薦優(yōu)化配合比

（1）推薦優(yōu)化配合比參數(shù)

根據(jù)配合比試驗(yàn)結(jié)果，滿足設(shè)計(jì)要求且經(jīng)濟(jì)合理的配合比參數(shù)及每立方米混凝土各材料用量推薦見(jiàn)表3。從表3結(jié)果與表1基準(zhǔn)配合比結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，采用0.6%的增效劑摻量的配合比可比基準(zhǔn)配合比降低9%水泥用量。

（2）混凝土堿含量

《混凝土堿含量限值標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 53：93）第4章表4.1.2規(guī)定：潮濕環(huán)境中重要工程結(jié)構(gòu)混凝土最大堿含量不應(yīng)大于3.0 kg/m3。從混凝土總堿量計(jì)算（表4）可見(jiàn)，優(yōu)化后推薦混凝土配合比總堿量為1.938 kg/m3，比基準(zhǔn)混凝土配合比總堿量降低0.241kg/m3，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

四、經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)生產(chǎn)性試驗(yàn)測(cè)算，摻XCL增效劑后配合比的原料成本為271.2元/m3，每立方米混凝土比基準(zhǔn)配合比可以節(jié)約成本4.3元。按鄂北水資源配置工程PCCP總方量約110萬(wàn)m3來(lái)推算，共可節(jié)約原材料成本約473萬(wàn)元?？梢?jiàn)，在滿足混凝土配合比設(shè)計(jì)要求的前提下，使用摻XCL增效劑的混凝土可帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

五、結(jié) 論

綜上所述，研究結(jié)論有三：

①鄂北地區(qū)水資源配置工程PCCP高性能混凝土XCL增效劑適宜的摻量為0.6%，且采用0.6%的摻量可降低9%水泥用量。

②XCL增效劑并不改變混凝土水化產(chǎn)物的種類(lèi)，但能更好地分散水泥顆粒，提高水泥顆粒的利用率，在強(qiáng)度上具有明顯的增強(qiáng)效果。

③摻XCL增效劑混凝土因膠凝材料用量降低，可有效控制混凝土溫升，提高混凝土性能，并產(chǎn)生明顯經(jīng)濟(jì)效益。

Studies on synergistic mechanism of potentiating agent for hydraulic high-performance concrete and itsapplication/

/Lei Hao,Song Xiaobo

During study on how to optimize mixture proportion of high-performance concrete in water allocation scheme in the northern part of Hubei Province,experiments were conducted on percentage of various materials and mixture proportion of different XCL potentiating agents.The reasonable amount of admixture has been determined by microanalysis of XRD atlas and SEM for hydration heat of concrete mixing content and concrete of different ages.Test is also given to mechanics and endurance performance of concrete.

water allocation scheme in northern part of Hubei Province;high-performance concrete;potentiating agent

TV42

B

1000-1123（2017）12-0030-03

2017-05-05

雷皓，高級(jí)工程師。

湖北省2016年省直部門(mén)科研項(xiàng)目《鄂北地區(qū)水資源配置工程高性能混凝土配合比優(yōu)化研究》。

責(zé)任編輯 韋鳳年