| 混凝土增效剂的研究进展 |
| 2016-04-11 孙振平教授课题组 同济混凝土外加剂
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| 2016/4/11 10:24:54 |
本文由同济大学孙振平教授课题组曾文波整理
0 引言
混凝土是目前用量最大的建筑材料，混凝土技术伴随着国家创新驱动和低碳节能的政策要求不断向前发展，降低混凝土生产过程的能耗势在必行。国内外研究表明，常规环境下混凝土中约有20%~30%的水泥水化反应不充分，只起到填充作用，不能有效发挥水泥强度[1]，是混凝土应用中最大的成本浪费。因此，如何充分利用水泥资源，对实现节能减排、可持续发展具有非凡的意义。
混凝土增效剂是近年来新出现的一种混凝土外加剂，其一面世便引起许多争论，看好的认为它给市场竞争日趋激烈的商品混凝土行业带来了一线希望，尚如此，建议将其名称改为“混凝土减胶剂”更加贴切，而担忧者则心存怀疑，并担心其与其它外加剂(尤其是减水剂和泵送剂等)的适应性以及因胶凝材料减少而带来的耐久性等问题。据多家推广单位介绍，掺加混凝土增效剂能在降低一定量胶凝材料(每立方米混凝土可减少30kg左右的水泥)和保持工作性能不变的前提下，还能使混凝土强度和耐久性能与原有配合比的混凝土相当，因而能降低混凝土的原材料成本。混凝土增效剂推广应用后，也引起了市场上褒贬不一的评价。原因主要在于对其增效机理研究不够深入，缺乏产品标准和对应的应用技术规范，以及增效剂的应用效果对混凝土原材料、配合比等具有一定的选择性等多方面。
应行业内广大混凝土制备者的要求，本文从中立的角度，收集资料，综述混凝土增效剂的研究进展，包括混凝土增效剂的成分、作用机理以及对混凝土性能的影响，以帮助大家深入了解混凝土增效剂。
1 混凝土增效剂的成分及作用机理
混凝土企业希望通过技术手段降低生产成本，作为用量较大的水泥自然成为关注的重点，已有的外加剂如减水剂能够降低混凝土水胶比，也能够降低水泥用量，但面临着与原材料的适应性问题，原材料的差异以及外加剂掺量的敏感性给混凝土生产企业质量控制造成困扰。而据介绍，市场上出现的混凝土增效剂有CTF增效剂、LBD增效剂和LSY增效剂等，它们与其他外加剂协同配伍能够改善混凝土的工作性能，降低水泥等胶凝材料用量。
由于混凝土增效剂生产厂家对其产品的组成采取严格保密措施，其产品说明书中不提供准确的成分表。这为生产厂家随意改变组成提供了方便，同时也使用户和建筑工程质量监督检验单位无法对其进行质量检验和品质监管，因此造成了混凝土增效剂的成分和性质的不确定性。关于混凝土增效剂的成分和性质，目前还未有完整定论。胡伟伟等人[2]认为混凝土增效剂是一种高聚物，带有很多离子键，既有亲水基团，又有憎水基团，还有一些保水基团。刘斌等人[3]利用三乙醇胺、酒石酸、马来酸酐为主要材料添加苯酚等辅助添加剂制备了混凝土增效剂。王强[4]利用三异丙醇胺、聚合醇胺、改性聚羧酸高效减水剂、纸浆黑液提取物和水制备了混凝土增效剂。王镇[5]公开的增效剂专利中，含有三异丙醇胺、聚合醇胺、脂肪酸脂等。
从已公开的资料来看，混凝土增效剂的主要作用就是分散，通过降低水泥的表面能，提高水泥颗粒的分散性。其中醇胺类物质可作为水泥助磨剂的组分，通过原子基团与水泥颗粒的吸附和重构效应，使得水泥颗粒成为极性分子，增大水泥颗粒间的静电斥力，提高水泥浆体的流动性。另外醇胺类物质还能促进水泥中C3A和C4AF的水化，具有一定的激发作用。
目前对混凝土增效剂的作用机理还存在争议，大多数人认为混凝土增效剂作为一种表面分散剂，与减水剂作用机理类似，但混凝土增效剂能使普通减水剂不能分散的特细颗粒聚集体分散开，从而使水泥颗粒更为充分地与水接触，提高其反应活性，最大限度地促进水泥水化反应。混凝土增效剂还可以充分活化具有潜在活性的矿物掺和料，从而提高胶凝材料的水化程度，达到提高混凝土强度或降低水泥用量的目的。杨正刚[6]也认为增效剂主要通过激发水泥和矿物掺合料的活性来达到增效的目的。阎培渝 [7]推测混凝土增效剂具有表面分散和活性激发的作用，具体情况也没有确切定论。
上述研究均只针对具体厂家的增效剂，且研究缺乏足够数据支撑，重复性试验较少，关于混凝土增效剂在混凝土中的作用机理仍需深入研究。
2 混凝土增效剂对混凝土性能的影响
2.1 增效剂对混凝土工作性能的影响
研究认为，加入增效剂能改善混凝土的工作性能，尤其是改善保水性和粘聚性，使得混凝土可泵性提高。郑平[8]研究了LBD增效剂在混凝土中的使用效果，在保持混凝土水胶比不变的情况下，减少10%的水泥用量，测试结果表明混凝土坍落度较基准组增大，扩展度与基准一致，增效剂的加入对混凝土凝结时间无明显影响。刘辉[9]研究了增效剂对不同强度等级混凝土工作性能的影响，发现增效剂的加入均能有效改善混凝土的工作性能，避免较高强度等级混凝土出现粘聚抓底等现象，且能减少水泥用量，节省成本。赵家声[10]通过试验发现增效剂与聚羧酸系减水剂和萘系减水剂的相容性较好，可使混凝土泌水率降低，水泥浆体对骨料的包裹性增强，扩展度明显增加。混凝土增效剂作为辅助外加剂，其掺量对混凝土工作性能有影响，研究表明[11, 12]混凝土增效剂最佳掺量为胶凝材料质量的0.6%时混凝土工作性能良好，单方混凝土生产造价最低。
2.2 增效剂对混凝土强度的影响
一般认为增效剂的加入对混凝土强度无不良影响，但不同研究者的试验结论也略有差异。潘亚波等人[13]测试了增效剂掺量0.6%、水泥用量减少15%时，C30和C50两种等级的混凝土强度，加入增效剂的混凝土3d和7d强度高于基准混凝土，28d强度则比基准组略低。彭春元[14]研究了混凝土增效剂对C60以上混凝土强度的影响，增效剂掺量为胶凝材料质量的0.6%，水泥用量减少10%，测得的混凝土强度与基准混凝土相当。胡伟伟等人[15]通过外掺方式研究了增效剂对矿物掺合料及山砂混凝土强度的影响，发现增效剂能激发矿物掺合料的活性，同时对山砂混凝土表现出良好的适应性，强度均明显提高。该研究也发现添加增效剂并减少胶凝材料用量后对混凝土强度无负面影响，如图1所示。
2.3 增效剂对混凝土收缩的影响
混凝土由于自身水化、塑性收缩和环境湿度变化会产生体积变化，胶凝材料是引起混凝土干缩的重要原因。混凝土增效剂一般能减少10%~15%的胶凝材料，对混凝土收缩变形必定造成一定影响。
减少胶凝材料的用量，降低水泥水化热能够降低混凝土构件在干燥环境下的体积变形。许富[16]研究了增效剂对水泥基材料收缩率的影响，发现加入增效剂、降低水泥用量能减少水泥基材料的收缩率。郑平等人[8]的研究表明加入增效剂对混凝土收缩的降低作用在后期较明显，如图2所示。
图2 增效剂对混凝土收缩的影响
混凝土增效剂对混凝土的减缩作用主要来源于胶凝材料用量的减少，而胶凝材料的水化易引起混凝土自身收缩；其次使用混凝土增效剂可提高混凝土拌合物的工作性能和均匀性，减少毛细孔率；此外有些混凝土增效剂能够锁水保水，使得混凝土具有部分自养护的功能。这几种效应共同提供了混凝土增效剂的减缩功能。
2.4 增效剂对混凝土耐久性的影响
混凝土耐久性包括抗渗性、抗碳化及抗冻性等，混凝土耐久性与混凝土密实度相关，成型越密实的试件其抵抗渗透压力和外界介质侵蚀的能力越强。目前国内已取得有关混凝土增效剂对耐久性影响的研究进展。
(1)抗渗性
刘道胜[17]在外掺0.6%的混凝土增效剂，减少10%水泥用量情况下测试了混凝土抗渗性。该研究发现与基准组相比，混凝土的平均渗透高度降低，细小均匀的孔结构阻止了毛细孔水分压力的释放，混凝土的抗渗性能得到提高。程臻赞[18]在测试混凝土耐久性时同样发现，在相同的渗透压力下，混凝土渗透高度较基准组降低，同时发现混凝土的致密度较高。
(2)抗碳化
混凝土结构在长期服役过程中，空气中的CO2和SO2等气体通过毛细孔进入混凝土内部，发生碳化反应，对混凝土长期耐久性不利。郑平[8]研究了LBD增效剂对混凝土抗碳化性能的影响，发现加入LBD增效剂后混凝土碳化深度降低，混凝土抗碳化能力提高。刘道胜[17]系统研究了增效剂在不同强度等级混凝土中的应用情况，测试了混凝土碳化深度，发现混凝土增效剂的加入能够显著抑制混凝土的碳化，如图3所示。
a)基准混凝土 b)掺增效剂的混凝土
图3 掺增效剂后混凝土碳化情况
(3)抗冻性
夏热冬冷地区混凝土不仅面临干湿交替，在温度低于0℃以下时，会出现由于孔隙水冻融引起构件劣化。混凝土增效剂的加入在一定程度上增加了微小气泡的数量，使混凝土含气量略有增加，改善了拌合物的和易性、自流平能力和抗冻性。刘道胜[17]等人利用快速冻融法测试了混凝土抗冻性能，发现在经历100次冻融试验后，混凝土质量无明显损失，混凝土完整性良好，强度能够保持。
3 结语
从以上资料来看，在保持28d抗压强度不变的情况下，掺加增效剂能使水泥用量降低10%左右，而且混凝土工作性能有所改善其对混凝土耐久性无负面影响。掺加增效剂对混凝土成本的影响主要来源于掺增效剂引入的成本、减少水泥用量节省的成本和单位立方米混凝土中其它原材料补差引入的成本的平衡
虽然宣传资料介绍，混凝土增效剂在广东、广西、浙江等地应用效果良好，但应加强对其基础理论的研究并积极总结应用经验，尽快编制出版标准规范。
