掺聚羧酸减水剂矿渣粉混凝土耐久性的研究

滕可祖　王文龙

[摘要]近几年来，随着原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏，人们逐渐认识到：过早破坏的原因不是由于强度不足，而是由于混凝土耐久性不良。从建筑物的“百年大计”来讲，混凝土的耐久性应比强度更为重要。本课题是基于企业生产实际，从解决普通混凝土力学性能和耐久性能差这一情况着手，在混凝土中同掺高性能聚羧酸减水剂和磨细矿渣粉，使新拌混凝土更均匀密实，硬化混凝土的骨料与凝胶粘结更加牢固，从而使混凝土的各项性能指标提高，最终实现混凝土的高性能化。对混凝土进行力学性能、抗渗性、抗侵蚀性、抗冻性试验，并将新配制高性能混凝土与基准混凝土的耐久性进行了全面分析。研究表明，磨细矿渣粉的使用既减少混凝土中的水泥用量，降低混凝土生产成本，又变废为宝、化害为利，更大发挥高性能混凝土的优势，改善混凝土的工作性、耐久性和物理力学性能。取得更大的环保与技术经济效益，值得大量推广。

[关键词]聚羧酸减水剂；矿渣粉；高性能混凝土；耐久性

1.试验优选配合比

为使试验结果更加切合生产实际，本文所用原材料均从生产现场获取。

1.1原材料

（1）水泥 采用胜利P042.5水泥，其强度指标见表1。

（2）矿渣粉 采用中铁产的矿渣粉，其化学成分见表2。

（3）骨料

a.砂子采用机制砂，细度模数3.0，比重2.58，含泥量2%。

b.石子采用自产5mm～25mm碎石，比重2.58，含泥量2%，压碎值11%。

（4）外加剂 采用瑞士西卡公司生产的聚羧酸高性能减水剂（本厂一直应用的）。

1.2高性能混凝土力学性能试验

本文配制復合掺加聚羧酸减水剂和矿渣粉的混凝土，通过测试其力学性能，确定矿渣粉在混凝土中的最佳掺量和最优配比，进而为进一步通过掺人矿渣粉来配制高性能混凝土积累经验，使其更好地运用于工程实践。复合掺加聚羧酸减水剂矿渣粉混凝土配合比试验情况见表3。

1.3试验结果分析

从强度试验结果看，无论是早期强度还是后期强度，矿渣粉掺量为25%混凝土高于不掺矿渣粉的混凝土相应龄期的强度。掺矿渣粉混凝土的早期强度随着矿渣粉掺量的增加而降低，在矿渣粉掺量为25%时，强度最高，但是从塌落度和扩展度试验结果看，所有配比的混凝土均可以满足管道需要的流动性和粘聚性。在此试验基础上，以矿渣粉掺量为25%混凝土为基准，改变聚羧酸减水剂的掺加量后进行了大量的力学性能试验（分别为总胶凝材料用量的1.7%和2.2%），试验结果均不十分理想。通过对试验结果进行分析发现：水泥用量、水胶比及灰渣比始终是影响矿渣粉混凝土坍落度和强度的重要因素，砂率对混凝土的坍落度和7d强度影响较大，28d以后，由于矿渣粉的活性发挥主要作用，砂率对其的影响不是很大。矿渣粉微细颗粒的填充作用使集料周围的空隙减小，使水泥浆本体结构和界面区结构致密，高性能混凝土的抗压强度明显提高。

1.4确定用于混凝土耐久性试验的配合比

通过以上试验，综合考虑混凝土力学性能和流动性相互制约因素，提出矿渣粉和聚羧酸减水剂的最佳掺量为矿渣粉掺量为25%，聚羧酸减水剂最佳掺量为2%，在此基础上最终确定用于混凝土耐久性试验的配合比见表4。

在上述混凝土配合比中，C50表示基准高强混凝土，H50表示高性能混凝土，C50水泥用量与H50总胶结料用量相等，聚羧酸减水剂的掺加以总胶凝材料用量为基准。掺聚羧酸减水剂和活性掺和料是改进混凝土结构和性能的常用措施，它们的主要作用是改进混凝土中水泥浆体的结构和性能，受成型及应用条件影响，聚羧酸减水剂和活性掺和料的掺量有严格限制，在实际工程中，它们的掺量一般不可能达到明显改进界面结构所需掺量。

2.耐久性试验

2.1力学性能试验

混凝土抗压强度始终是非常重要的指标，而又是最容易准确测量的参数，因此，本研究选用不同龄期（3 d，7 d，28 d，90 d）的抗压强度作为混凝土力学性能的考核指标。

2.1.1试验结果

混凝土力学性能试验结果如表5所示。

2.1.2试验结果分析

从强度试验结果看，无论是早期强度还是后期强度，掺矿渣粉混凝土均高于不掺矿渣粉的混凝土相应龄期的强度。由此可见，单从力学性能角度来看，掺矿渣粉混凝土的耐久性要高于不掺矿渣粉的混凝土的耐久性。掺人矿渣粉能较好地提高混凝土强度，其机理是矿渣粉在二次水化反应中吸收大量的CH晶体，使混凝土中尤其是在界面区的CH晶粒变小变少，改善了界面粘结强度，由于CH被大量吸收掉，从而促进了水化反应速度，使掺矿渣粉混凝土的早期强度少受或不受影响，而后期强度也因矿渣粉的不断水化使强度增长较多。

2.1.3工程应用

在混凝土中掺人矿渣粉具有降低混凝土水化热的作用，高强混凝土通常使用硅酸盐水泥或普通水泥，且水泥用量大，水化放热速度快，当混凝土内外温差超过30℃时，混凝土有开裂的危险，掺入矿渣粉对控制混凝土温升有显著作用。此外，在混凝土中掺入聚羧酸减水剂与矿粉粉两者相结合可使混凝土获得高流动性、高强度，还具有减少新拌混凝土用水量，改善混凝土耐久性的作用。

2.2抗冻性试验

2.2.1试验结果

复合掺加聚羧酸减水剂矿渣粉混凝土与普通基准混凝土的冻融试验结果见表6。

从表6可见，经过100次冻融循环之后，H50混凝土强度损失率很小，C50混凝土的强度损失率较大，经200次冻融循环后，C50混凝土强度损失率明显增大，而H50混凝土的强度损失率依然很小，经过300次冻融循环后，C50混凝土的强度损失率增大更为明显，而H50混凝土的强度损失仅与C50经过100次冻融循环之后的强度损失率相当；经过300次冻融循环后，H50混凝土的质量损失率为2.75，而C50混凝土的损失率为10.99。

2.2.2试验结果分析

经过对两种混凝土的冻融试验结果进行比较看来，在冻融循环过程中，H50混凝土的抗压强度损失率、质量损失率均显著低于基准混凝土C50，且H50与C50各项损失率的差距在冻融后期更为明显，这说明H50混凝土耐久性劣化速度小于C50混凝土。以上冻融试验说明，高性能混凝土采用冻融循环试验的方法来评价其抗冻性，周期太长。由此可见，在经过100次，200次，300次冻融循环，复合掺加聚羧酸减水剂矿渣粉混凝土试样与普通基准混凝土相比，其重量损失和强度损失均大为减少。由此足以证明复合掺矿渣粉和聚羧酸减水剂的混凝土具有较高的抗冻融耐久性。

2.2.3结论

相比于C50基准混凝土，复合掺加聚羧酸减水剂矿渣粉混凝土可视其为具有高抗冻性的高性能混凝土。

2.3抗硫酸盐侵蚀试验

2.3.1试验结果

抗硫酸盐侵蚀试验结果见表7。

2.3.2结果分析

试验结果表明两种类型混凝土试件随着浸泡时间的延长，经5%Na2SO4溶液侵蚀后，复合掺加聚羧酸减水剂矿渣粉混凝土试样与普通基准混凝土试件都发生了膨胀，抗折、抗压强度均明显降低，90d测试5%NazSO4溶液侵蚀后的基准混凝土膨胀率为0.95%，复合掺加聚羧酸减水剂矿渣混凝土试样膨胀率为0.21%，比基准混凝土膨胀率小4倍，即复合掺加聚羧酸减水剂矿渣混凝土抗硫酸盐侵蚀性比基准混凝土提高4倍，90d抗折强度、抗压强度损失率比基准混凝土降低2倍。试验结果说明，在本试验模拟条件下随着时间的延长，复合掺加聚羧酸减水剂矿渣混凝土试件比普通基准混凝土试件更耐腐蚀，复合掺加聚羧酸减水剂矿渣混凝土试样比普通基准混凝土试件抗硫酸盐侵蚀性能有明显改善。

2.3.3结语

（1）基准混凝土和复合掺加聚羧酸减水剂矿渣粉混凝土均选用了聚羧酸减水剂，使混凝土在等水胶比前提下工作性大大改善，混凝土成型更加密实；聚羧酸减水剂的减水分散作用使混凝土中孑L结构得到改善，大孔减少，小孔增多，混凝土结构更为致密；磨细矿渣粉的掺入能有效的改善混凝土的各项性能参数，提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。

（2）在硫酸盐侵蚀环境中，复合掺加聚羧酸减水剂矿渣粉混凝土的耐久性能指标优于普通基准混凝土的耐久性能指标。

3.課题研究结论

通过本课题的研究，可以得到以下结论和建议：（1）水胶比对混凝土性能始终是一项重要的影响因素。但是，在一定范围内，掺合料掺量对于耐久性的影响更加显著，因此，在实际应用中应该多重视掺和料的有利作用，使其在混凝土中发挥更大的作用。（2）矿渣粉、聚羧酸减水剂和较低的水胶比能够改善混凝土的各项性能参数，提高混凝土的耐久性能。（3）在硫酸盐侵蚀环境中，掺加矿渣粉的混凝土耐久性能指标较好，说明矿渣粉对于抵制恶劣环境中的硫酸盐侵蚀有较大的潜力。（4）采用矿渣粉取代部分水泥配制高性能混凝土，可明显降低水泥用量，混凝土可在3 h内保持良好的工作性能，并能降低水泥水化热，减少收缩，避免温度应力及裂缝，有利于抑制碱集料反应，提高混凝土的耐久性和抗腐蚀性能等。（5）复合掺加聚羧酸减水剂矿渣混凝土不离析，不泌水，有稳定的表观密度，硬化后混凝土的收缩、变形较小，温度变形系数较小，不产生不均匀的变形，无非荷载作用下的有害裂缝。（6）研究掺矿渣粉的高性能混凝土，对发展绿色环保建材，实现水泥混凝土工业资源优化配置和可持续发展具有重大的意义。本文通过对掺超细矿渣的高性能混凝土进行初步试验研究，其成果对工程设计、施工和混凝土生产具有一定的指导意义。