摘要：研究了混凝土萘系高效減水劑中硫酸納含量對(duì)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(duì)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(dòng)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(huì)對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(jí)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(huì)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(gè)重要性質(zhì)。無(wú)機(jī)鹽的加入必然會(huì)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(cè)試了硫酸納對(duì)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(duì)水泥凈漿流動(dòng)性的影響
疏酸納含量對(duì)水泥凈漿流動(dòng)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(dòng)度初始值隨著硫酸納含量增加的變化趨勢(shì)，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(dòng)度達(dá)到了最大值；而硫酸納含量達(dá)到35%時(shí)，流動(dòng)度僅為初始時(shí)的56%。測(cè)試0.5h和1h的漿體流動(dòng)度，發(fā)現(xiàn)隨著硫酸納含量的增加，漿體流動(dòng)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(dòng)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(dòng)性。
因此，上述試驗(yàn)結(jié)果證明了硫酸納加入量過大，對(duì)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(duì)增長(zhǎng)值達(dá)125%。而對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)。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(zhǎng)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(cè)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(shì)。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(duì)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(zhǎng)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(duì)溫度(10±5)%，溫度(20±5)℃。測(cè)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(zhǎng)，混凝土的融化深度量先降低后增長(zhǎng)的趨勢(shì)。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?duì)于提高混凝土的抗碳化性能是有利的。
2.7 氯離子滲透性試驗(yàn)
中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)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(cè)定流過混凝土的電量或氯離子擴(kuò)散系數(shù)來(lái)快速評(píng)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(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，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(zhǎng)的趨勢(shì)。在硫酸納含量為10%時(shí)，通過的電量值最低，為1642C，說(shuō)明硫酸納含量在10%左右，混凝土抗氯離子滲透能力相對(duì)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(huì)改變混凝土的泌水情況，同時(shí)硫酸納對(duì)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(zhǎng)。
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(zhǎng)時(shí)，由于后期生成過多鈣礬石引起的體積不穩(wěn)定，將會(huì)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(huì)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)性，如超出這一范圍，繼續(xù)增大硫酸納摻量，流動(dòng)性會(huì)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(zhǎng)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(duì)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(shì)。
(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。
參考文獻(xiàn)：
[1J劉秉京.混凝土技術(shù)(第二版)[M].北京：人民交通出版社，2004
[2]汪瀾.水泥混凝土—組成•性能•應(yīng)用[MJ.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2005.
[3J伍勇華，李國(guó)新，申富國(guó)，等.無(wú)機(jī)鹽早強(qiáng)劑對(duì)高效減水劑與水泥相容性的影響[J].四川建筑科學(xué)研究，2006，32（6）：166—169.
[4]長(zhǎng)江，陶成云.硫酸鈉的摻量對(duì)混凝土坍落度的影響[J].低溫建筑技術(shù)，2003，6：88—89.
[5]葛勇，常傳利.常用無(wú)機(jī)鹽對(duì)溶液表面張力及混凝土性能的影響[J]混凝土，2007（6）：7—9.
[6]何真，梁文泉，陳美祝，等.堿對(duì)水泥基材料早期收縮性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2004，32(10):1293-1297.
[7]馬保國(guó)，李相國(guó).堿對(duì)水泥基材料收縮性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32(1):33-35.
[8J符芳，等.土木工程材料（第三版）[M].南京：東南大學(xué)出版社，2006.
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
