摘要：研究了混凝土萘系高效減水劑中硫酸納含量對混凝土的力學(xué)性能、氯離子滲透性能、碳化以及變形等方面性能的影響，并對相關(guān)的機(jī)理進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)增加混凝土萘系高效減水劑中硫酸納含量可以改善水泥凈漿的流動性，提高混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度、抗氯離子滲透能力和抗碳化性能，但會對混凝土的收縮與變形性能產(chǎn)生不利影響。
關(guān)鍵詞：減水劑；硫酸鈉；變形；碳化；氯離子滲透性
0 前言
由于目前萘系高效減水劑的應(yīng)用最為普遍，且品種又多，因此，其勻質(zhì)性指標(biāo)中硫酸納含量存在較大的差異。通常硫酸鹽作為一種早強(qiáng)劑而被摻入混凝土中，因而有必要研究萘系外加劑中硫酸納含量對混凝土物理力學(xué)性能和耐久性的影響規(guī)律，從而控制外加劑中硫酸納含量，達(dá)到確保及改善混凝土的各項(xiàng)性能的目的。
1 原材料及試驗(yàn)配合比
1.1 原材料
水泥：p.Ⅱ52.5，江南小野田公司產(chǎn)。
細(xì)集料：長江中砂，粒徑0－5mm。
粗集料：石灰?guī)r碎石，粒徑5-10mm。
Na2S04：分析純，通過它配制出不同硫酸納含量的 5種復(fù)合荼系高效減水劑。
外加劑：JM-B茶系減水劑(粉劑)，江蘇產(chǎn)，勻質(zhì)性指標(biāo)列于表1。
1.2 試驗(yàn)配合比
混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C4O，在固定外加劑JM-B摻量的前提下，再摻入一定量的分析純Na2S04，使其含量分別達(dá)到外加劑質(zhì)量的3%、6%、10%、15%和35%。表2列出了各混凝土試驗(yàn)配合比。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 不同硫酸納含量外加劑的表面張力
混凝土孔隙中的溶液會影響混凝土的凝結(jié)硬化過程及混凝土的各項(xiàng)性能間，其表面張力則是孔溶液的一個重要性質(zhì)。無機(jī)鹽的加入必然會改變孔溶液的表面張力和蒸汽壓，從而影響到混凝土的塑性收縮、干燥收縮、早期開裂等性能。試驗(yàn)測試了硫酸納對含外加劑JM-B的水溶液表面張力的影響，結(jié)果見表3。
由上述試驗(yàn)結(jié)果可見，隨著外加劑中硫酸納含量的增加，溶液的表面張力逐漸降低，但降低幅度不大。
2.2 硫酸納含量對水泥凈漿流動性的影響
疏酸納含量對水泥凈漿流動性影響的試驗(yàn)按GB8077-2000《混凝土外加劑勾質(zhì)性試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表4。
由表4可看出水泥凈漿流動度初始值隨著硫酸納含量增加的變化趨勢，即先增大而后明顯下降。在外加劑中硫酸納含量達(dá)到10%時(shí)，初始流動度達(dá)到了最大值；而硫酸納含量達(dá)到35%時(shí)，流動度僅為初始時(shí)的56%。測試0.5h和1h的漿體流動度，發(fā)現(xiàn)隨著硫酸納含量的增加，漿體流動度的經(jīng)時(shí)損失也在不斷增加。當(dāng)外加劑中硫酸納含量為35%時(shí)，初始流動度僅為113mm，放置0.5h后，降為65mm，降幅遠(yuǎn)大于前面4組。
在水泥漿體中加入硫酸納，此電解質(zhì)中的反離子將向水泥粒子周圍的雙電層擴(kuò)散，壓縮雙電層，甚至可能使粒子表面電荷中和，從而降低水泥粒子間的靜電排斥作用，破壞分散體系的穩(wěn)定性，這將影響到水泥凈漿的擴(kuò)展度和流動性。
因此，上述試驗(yàn)結(jié)果證明了硫酸納加入量過大，對混凝土坍落度的經(jīng)時(shí)損失影響很大。
2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果
按表2中配合比制備混凝土，成型試件并養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，按GB/T50081-2002規(guī)定進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果分別列于表5、表6。
由表5可以看出，混凝土的早期抗壓強(qiáng)度值隨外加劑中硫酸鈉含量的增加而逐漸增大，相對增長值達(dá)125%。而對于28d抗壓強(qiáng)度，硫酸納含量在3%—10%時(shí)，隨硫酸納含量的增加而增加。當(dāng)硫酸納含量超過10%后，28d抗壓強(qiáng)度值下降，但降幅不大。而對于后期強(qiáng)度(60d及90d)，當(dāng)硫酸納含量大于3%后，抗壓強(qiáng)度隨硫酸納含量增加而下降的規(guī)律更加明顯。
由表6可知，各組混凝土的早期抗折強(qiáng)度(3d、7d)隨硫酸納含量的增加而增加；但對于28d齡期，當(dāng)硫酸納含量大于10%時(shí)，抗折強(qiáng)度隨硫酸納摻量的加大而下降；對于90d齡期，這一規(guī)律更明顯。硫酸納含量超過6%時(shí)，抗折強(qiáng)度便明顯下降。所有這些同樣表明，硫酸納含量過大將明顯降低其后期強(qiáng)度。
2.4 干燥收縮性能試驗(yàn)
采用表2中配合比進(jìn)行自由干縮試驗(yàn)，試驗(yàn)參照GBJ82-85標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，結(jié)果見表7。
由表7可以看出，在同一齡期下，隨著硫酸納含量的增加，干燥收縮值呈先增后降的趨勢。14d之前，當(dāng)硫酸鈉含量為6%時(shí)，混凝土的干燥收縮值最大。在28d齡期及更長齡期，硫酸納含量為10%時(shí)，混凝土的干操收縮值達(dá)到最大。
2.5 限制干縮開裂試驗(yàn)
試驗(yàn)參照CCES01-2004《混凝土耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中水泥及水泥基膠凝材料抗裂試驗(yàn)的方法進(jìn)行。試件養(yǎng)護(hù)48h后拆模，測試開裂試件的裂縫寬度，試驗(yàn)結(jié)果見表8。
由表8可以看出，隨著硫酸納含量的增加，最大裂縫寬度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。硫酸納含量為35%時(shí)，裂縫寬度達(dá)到最大值，且韌裂時(shí)間為1d，相對前三組，開裂時(shí)間提前了1d。
2.6 碳化試驗(yàn)
試驗(yàn)按照GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)中碳化環(huán)境為：CO2體積分?jǐn)?shù)(20土3)%，相對溫度(10±5)%，溫度(20±5)℃。測試其 7d、14d、28d的碳化深度，試驗(yàn)結(jié)果見表9。
根據(jù)表9可以得出，隨著硫酸納含量的增長，混凝土的融化深度量先降低后增長的趨勢。在28d時(shí)，硫酸鈉鋪含量為3%的混凝土碳化較快，碳化深度為20mm；而硫酸納摻量為15%時(shí)，碳化深度最低，僅為9.1mm。由此可知，采用硫酸納含量適當(dāng)?shù)幕炷镣饧觿τ谔岣呋炷恋目固蓟阅苁怯欣摹?/P>
2.7 氯離子滲透性試驗(yàn)
中國土木工程學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)CCES01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中規(guī)定通過測定流過混凝土的電量或氯離子擴(kuò)散系數(shù)來快速評價(jià)混凝土滲透性的高低。本文的試驗(yàn)結(jié)果列于表10。
由表10可以看出，各組混凝土的氯離子摻透性都在1000—2000范圍內(nèi)，均屬低滲透性。雖然同在一個評價(jià)等級，但是電通量值還是有一定差別，電量值隨硫酸納含量的增加，呈現(xiàn)先降低后增長的趨勢。在硫酸納含量為10%時(shí)，通過的電量值最低，為1642C，說明硫酸納含量在10%左右，混凝土抗氯離子滲透能力相對較強(qiáng)。
3 機(jī)理分析
3.1 混凝土力學(xué)性能的影響
試驗(yàn)中，5組混凝土的水灰比雖然保持一致，但由于硫酸納的摻入會改變混凝土的泌水情況，同時(shí)硫酸納對水泥的水化硬化具有激發(fā)增強(qiáng)作用，因此，抗壓與抗折強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨硫酸納摻量增加保持增長。
還有觀點(diǎn)認(rèn)為硫酸納的早強(qiáng)作用是由于硫酸鋪加入水中，可與Ca(OH)2反應(yīng)生成分散度極高的CaS04•2H2O，它比水泥中石膏的比表面積大得多，所以可以和水泥中的鋁酸鈣迅速反應(yīng)生成鈣礬石，體積膨脹，使水泥石致密，從而提高了強(qiáng)度。
但在硫酸納摻量過大，特別是在齡期較長時(shí)，由于后期生成過多鈣礬石引起的體積不穩(wěn)定，將會導(dǎo)致強(qiáng)度的倒縮現(xiàn)象，因此必須嚴(yán)格控制硫酸納的摻量。
3.2 混凝土開裂性能的影響
當(dāng)硫酸納摻量過大時(shí)，容易大量、快速生成高硫型水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)而使混凝土膨脹，造成裂縫。
另一方面，硫酸納的摻入會加速水泥的水化速度，迅速而集中的釋放出大量的水化熱，從而導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高，由此造成較大的溫度應(yīng)力而導(dǎo)致裂縫。此外，硫酸納的過量摻入，無疑增加了混凝土中的堿含量，加速了水泥漿體的水化、硬化及水分的損失，產(chǎn)生更大的約束應(yīng)力，削弱了漿體的抗裂能力。
3.3 混凝土耐久性的影響
混凝土耐久性多表現(xiàn)為長期性能，且耐久性與混凝土密實(shí)性密切相關(guān)。因此，影響耐久性的機(jī)理與上述的長期力學(xué)性能及密實(shí)性的影響機(jī)理是一致的。
4 結(jié)論
(1)隨著外加劑中硫酸納含量增加，溶液的表面張力逐漸降低，但降幅不大。
(2)硫酸納的摻量在一定范圍(3%—19%)內(nèi)可提高水泥漿體的流動性，如超出這一范圍，繼續(xù)增大硫酸納摻量，流動性會急劇下降，且經(jīng)時(shí)損失也隨之增大。
(3)在減水劑摻量一定的前提下，摻入硫酸納，可以提高混凝土的早期強(qiáng)度，但28d以后的強(qiáng)度增長率降低。
(4)混凝土隨著硫酸納含量的增加，其早期干燥收縮率明顯增大；28d時(shí)硫酸納含量對混凝土的干燥收縮率的影響各不相同。其中，硫酸納含量為10%時(shí)，混凝土的干燥收縮值達(dá)到最大。90d時(shí)的影響規(guī)律與28d時(shí)的相近。
(5)混凝土的開裂性隨疏酸納摻量的增加而逐漸加大，且裂縫寬度呈增大趨勢。
(6)硫酸納含量在較低的范圍內(nèi)增加時(shí)，可提高混凝土抗碳化和抗氯離子滲透的能力。
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作者：東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 崔東霞 秦鴻根 郭偉
江蘇省高速公路建設(shè)指揮部 潘衛(wèi)育 楊毅文
蘇州混凝土水泥制品研究院 崔東霞
