不同减水剂对混凝土抗冻性的应用研究_董敏.pdf

202212Building Construction3018不同减水剂对混凝土抗冻性的应用研究董 敏 高玉福 张 辉 高林峰中国建筑第八工程局有限公司华北分公司 天津 300452摘要：通过研究静水压理论对混凝土抗冻效果的影响，采用ND204和FDN-C两款高效减水剂制备混凝土试块，经过大量试验，分析不同减水剂对混凝土试块抗压强度与抗冻性能的影响。结果表明，添加FDN-C高效减水剂的混凝土，在抗压强度、抗冻性能和耐久性等物性上具有良好性能。关键词：混凝土；高效减水剂；抗冻性能；抗压强度；耐久性中图分类号：TU755 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2022)12-3018-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2022.12.058Study on Application of Different Water Reducing Agents to Frost Resistance of ConcreteDONG Min GAO Yufu ZHANG Hui GAO LinfengChina Construction Eighth Engineering Division Co.,Ltd.,Northern China Branch,Tianjin 300452,ChinaAbstract:By studying the influence of hydrostatic pressure theory on the frost resistance of concrete,concrete test blocks are prepared with ND204 and FDN-C superplasticizers.Through a large number of tests,the influence of different superplasticizers on the compressive strength and frost resistance of concrete test blocks is analyzed.The results show that the concrete with FDN-C superplasticizer has good performance in compressive strength,frost resistance and durability.Keywords:concrete;high performance water reducing agent(superplasticizer);frost resistance;compressive strength;durability善混凝土的物性，增强混凝土的耐久度，提高混凝土的抗冻效果和抗压强度等性能9-11。本文针对混凝土生产应用过程中存在的现实问题，在前人试验的基础上进行改进，采用多种高效减水剂制备混凝土，以期提升混凝土的抗压、抗冻性能。1 理论及试验方法1.1 混凝土的抗冻机理目前，学术界公认的较为成熟的抗冻理论为静水压力学说，本文采用该理论解释混凝土在高寒地区的抗冻性机理。混凝土在发生冻结时，混凝土表面水分膨胀冻结，表面的结冰达到一定面积，将混凝土封闭起来，防止混凝土进一步冻结；表面冻结的混凝土膨胀，向内挤压未冻结的水，导致此时混凝土内部压力增加，拉应力同时增大，混凝土表面气泡在冻环境下结冰，其体积会膨胀9%左右。当温度进一步下降时，这种现象越发严重。当混凝土内部拉力达到某一极限值时，混凝土内部结构因静压过高而对混凝土物性产生破坏，致使混凝土发生不可逆损坏，降低混凝土的使用寿命，且各种物性参数低于工程施工标准。1.2 混凝土力学性能测试方法根据SL 3522007水工混凝土试验规程标准，采用压力试验机对混凝土试块进行强度测试，待混凝土凝结混凝土因具有经济效益高、可塑性强、承载力高、易维护、高散热性和抗冻融性等优点而备受工程青睐，在生产生活中具有广泛的应用1-5。我国北方高寒地区土层容易发生冻融现象，混凝土自重过大且表面冻结膨胀，容易导致混凝土从内部发生裂缝或断裂，对工程质量造成不可逆损害。因此，提升混凝土的抗冻性能，拓宽混凝土在工程中的应用范围，对提升工程质量、确保工程安全等方面都有积极意义。混凝土是我国工程建设的重要的基础建材，仅2019年我国消耗的商品混凝土就有27亿 m3之多。我国混凝土行业在经历了爆发增长后，目前市场已经趋近于稳定，落后的混凝土生产工艺逐渐淘汰，向着智能化模式转变，处在粗放式发展向资源节约发展的转型期。在此期间，行业对混凝土各个性能均有了更高的要求6-8。综合国内外研究成果，在混凝土制备过程中加入减水剂不仅能够提升混凝土抗压强度，降低工程成本，还能改作者简介：董 敏（1975），女，本科，高级工程师。通信地址：天津市滨海新区响螺湾商务区滨河路2599号（300452）。电子邮箱：收稿日期：2022-08-01科学研究SCIENTIFIC RESEARCH建筑施工第44卷第12期301928 d后，取3个试块的均值作为分析值，其理论公式按照抗压强度标准来计算。1.3 混凝土抗冻性能测试方法试验测试仪器KDR-10快速冷冻机如图1所示。采用快冻法模拟混凝土在寒冷地区的外界环境，对混凝土进行固定次数的冰冻融化试验，通过快速冻融机测试试验混凝土试块的质量损失率。图1 KDR-10快速冷冻机试验参照（GB/T 500822009）标准，每天进行2次试验，4 h快速冻，1 h进行融化。每组试块中放有3个样本，将样本标号按照固定顺序放入KDR-10快速冷冻机，取试验误差在5%以内的数据作为试验分析数据。根据国家标准，混凝土质量损失率采用如下公式：100WGGGn00n=-（1）式中：Wn试块质量损失率，%；G0试块冻融前的质量，g；Gn试块冻融后的质量，g。1.4 试验数据处理方法影响混凝土物性的因素有很多，传统试验数据处理往往是建立单一模型，只分析某一变量对试验结果的影响，而忽略了各材料之间的相互作用。本文通过建立回归方程，对试验数据进行集中分析，使得试验结果与理论分析更加契合。2 混凝土试验材料的选取 采用大连水泥厂海鸥牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥，大连大发供热有限公司的二级粉煤灰，骨料粒径为1030 mm，表面粗糙且多棱角，石灰石的堆积密度1 545 kg/m3，ND204和FDN-C这2款高效减水剂、引气剂、缓凝剂、抗碳化剂及激发剂来进行矿物掺合料混凝土的配制。2.1 水泥对于水泥的选取，既要保证其与石灰、砂等建材的黏性，又要保证其能够在空气中实现快速硬化。综合物理化学性质，本文采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥物性各参数如表1所示，指标均符合GB 1752007标准。表1 水泥参数水泥细度/%标准用水量凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa比面积/（m2/kg）安定性初凝 终凝3d28d3d28dP.O42.54.029.3210020024.0 29.05.08.0310合格2.2 矿物掺合物在混凝土制备过程中，矿物掺合料的掺入对于其多方面性能的改善具有十分积极的作用。粉煤灰和硅粉的化学组成十分丰富，富含铁、铝、钙、镁等多种元素的化合物，多为发电厂排出的固体废弃物，成本低廉易获取。制备混凝土时将粉煤灰和硅粉按照一定比例掺入，作为制备混凝土的主要原料，能够有效提升混凝土的物理性能，因此成为制备混凝土的首选原料。2.2.1 粉煤灰粉煤灰是混凝土制备中的重要原料，与石灰等原料发生化学反应，能够极大地增加凝浆体积，缩短混凝土内部气泡间的距离，对提高混凝土的抗压性能与耐久性有很好的作用。工程实践中粉煤灰的掺入量一般控制在040%，一般30%效果最优。本文中使用的粉煤灰物性参数如表2所示，指标均符合GB 1752007标准。表2 粉煤灰参数SiO2/%Al2O3/%Fe2O3/%CaO/%MgO/%含水率/%烧失量/%密度/（kg/m3）52.9029.508.682.152.341.081.3856702.2.2 硅粉硅粉颗粒小，富含二氧化硅，比表面积远大于传统材料，物理活性较高，加入到混凝土中，能够很好地填充在水泥颗粒周围，使混凝土的物理性质有很大提升。工程实践中发现，硅粉与氧化钙能够紧密结合生成硅酸钙凝胶，对混凝土的强度、抗冻性、流动性等物理性质均有很大改善。本文中使用的硅粉物性参数如表3所示，指标均符合GB 1752007标准。工程实践中为降低混凝土中气泡系数，一般把硅粉的掺入量控制在015%之间。表3 硅粉参数SiO2/%Al2O3/%Fe2O3/%CaO/%MgO/%SO3/%烧失量/%87.603.401.470.641.581.283.722.3 骨料试验使用河砂。河砂表面粗糙，与水泥黏结较好，搅拌出来的混凝土硬化强度较高。采用细度模数为2.85河砂，董敏、高玉福、张辉、高林峰:不同减水剂对混凝土抗冻性的应用研究202212Building Construction3020含沙率为2%。石灰石用作碎石，碎石的黏土含量0.565%。石灰石的粒径在1030 mm之间，密度为2.43 g/cm3，堆积密度为1 545 kg/m3。本文中使用的碎石物性参数如表4所示，指标均符合JGJ 532006标准。表4 碎石特征压碎值/%黏土含量/%含泥量/%堆积密度/（kg/m3）3.8300.5650.56515452.4 水试验所用水采用自来水，符合JGJ 632006标准。2.5 减水剂物性表减水剂作为基础添加剂，在混凝土制备过程中起着非常重要的作用。减水剂能够提高混凝土的强度，节约工程成本，对增强混凝土的耐久度、提升抗压强度和抗冻性有着明显作用。减水剂在混凝土制备过程中应与水泥有良好的适用性。本文中使用的2款减水剂物性参数如表5所示。表5 减水剂物性类型减水率/%含气量/%泌水率比/%凝结时间之差/min抗压强度比/%对钢筋锈蚀作用参考掺量/%初凝终凝3d28dFDN-C 18 2.0 909012090120130 120无0.42.0ND204 143.0909012090120160 125无0.51.82.6 其他原料为改善混凝土的自身性能，应在混凝土配制过程中添加引气剂、氢氧化钙等原料。3 试验结果及分析3.1 水泥与减水剂相容性试验在进行混凝土配制之前，首先测试减水剂与水泥的相容性，减水剂与水泥的相容性对混凝土抗压强度和坍落度等多项指标有重要影响。本文采用ND204和FDN-C这2款高效减水剂进行试验，掺入比例区间为0.5%1.1%，以0.2%递增。试块采用500 g水泥，配比150 g水，水胶比0.3，试验温度为20，试验结果如表6所示。由图2可知，当减水剂掺入量小于4.5 g时，水泥浆流动梯度较大，受减水剂掺量的影响也较大；当减水剂掺入量大于4.5 g时，水泥浆的流动速率开始放缓，流动性能基本保持不变。由图可得，2种减水剂在2 h后的流动度均能达到试验设计标准。表6 2种减水剂参数水胶比 减水剂掺入比例/%水泥/g 水/g减水剂/g初始流动度/mm2h流动度/mm0.3FDN-C0.55001502.5135700.75001503.52701330.95001504.53071911.15001505.5312196ND2040.55001502.5144830.75001503.52831450.95001504.53151951.15001505.5335201 流动度/mm掺入量/g409014019024029034039023456FDN-C初始流动度FDN-C 2 h流动度ND204初始流动度ND204 2 h流动度图2 2种减水剂与水泥相容性3.2 ND204减水剂对混凝土抗冻性能的影响ND204减水剂在水胶比为0.3的试验条件下，混凝土试块的配比方案为：水泥500 g，水150 g，减水剂4.5 g，减水剂掺量比例为0.9%。根据表7可得，掺入ND204防水剂的混凝土在凝结28 d后，随着混