Basf早强剂对混凝土耐久性能的影响及作用机理分析.pdf

2023 年 25 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and ApplicationBasf 早强剂对混凝土耐久性能的影响及作用机理分析张翯1，宋长清1，姚军1，宋旭艳2，石鹏程2*（1.苏州新亿泰建材有限公司，江苏 苏州 215143；2.苏州科技大学，江苏 苏州 215011）混凝土的耐久性包括钢筋锈蚀、化学腐蚀、冻融破坏和碱集料破坏1。耐久性对工程量浩大的混凝土意义重大，耐久性不足将会产生极严重的后果，甚至对未来社会造成极为沉重的负担2。如何提高混凝土的耐久性，获得不同条件下混凝土的破坏机理已成为近年来混凝土技术发展的首要课题。本文重点研究新型外加剂 Basf 对混凝土耐久性的影响，分析作用机理，为工程应用提供参考。1试验材料1.1水泥采用 42.5 普通硅酸盐水泥，由江苏金峰水泥集团有限公司生产，其物理性能指标见表 1，均符合GB 1752020 通用硅酸盐水泥 规定3。1.2集料细集料为河砂，产自赣江，表观密度为 2 640 kg/m3，细度模数 2.9，含泥量为 0.5%，属于域级配区且级配良好。粗集料选用产自浙江湖州的两种不同碎石，一种是花岗岩碎石，表观密度为 2 800 kg/m3，压碎值 6.0%，含泥量 1.0%，粒径在 2.5耀20.0 mm，连续级配；另一种是石灰岩碎石，表观密度为 2 740 kg/m3，压碎值 7.9%，含泥量 1.0%，粒径在 2.5耀40.0 mm，连续级配。1.3粉煤灰采用苏州望亭发电厂生产的玉级粉煤灰，其技术指标见表 2。1.4外加剂用于试验的外加剂是德国进口的减水型早强剂Basf，主要成分为纳米硅酸钙；外加剂类型为液剂，减水率为 10%。Basf 主要含有水化硅酸钙和有羟基有机物。基金项目：江苏省住房和城乡建设厅科技指导性项目（2020ZD78）第一作者简介：张翯（1979-），男，硕士，高级工程师。研究方向为建筑材料。*通信作者院石鹏程（1981-），男，硕士，高级实验师。研究方向为道路材料，建筑材料。摘要：以新型早强剂 Basf 为研究对象，采用泵送 C30、振捣 C60 混凝土为基础配合比，对添加 Basf 的混凝土进行碳化、冻融、抗渗和收缩试验。结果表明，C60 混凝土的抗碳化能力远好于 C30 混凝土，Basf 对 C60 混凝土碳化性能影响较小，但使得 C30 混凝土碳化深度增加；添加 Basf 后，C60 和 C30 混凝土试件的抗渗性和抗冻性能得到显著提高，但混凝土的收缩值变大。关键词：Basf；混凝土；碳化；冻融；抗渗；收缩中图分类号院TU528文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0074-04Abstract:Taking the new early strength agent Basf as the research object,using pumping C30 concrete and vibrating C60concrete as the basic mix ratio,the carbonation,freeze-thaw,impermeability and shrinkage tests of concrete with Basf were carriedout.The results show that the carbonation resistance of C60 concrete is much better than that of C30 concrete,and Basf has littleeffectonthecarbonationperformanceofC60concrete,butincreasesthecarbonationdepthofC30concrete,andtheimpermeability and frost resistance of C60 and C30 concrete specimens are significantly improved with the addition of Basf,butthe shrinkage value of concrete becomes larger.Keywords:Basf;concrete;carbonation;freeze-thaw;impermeability;shrinkage表 1水泥物理性能指标项目比表面积/(m2kg-1)安定性（沸煮法）初凝时间/min终凝时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa3 d28 d3 d28 d实际值366合格1452005.98.225.354.3标准值300合格456001742.53.56.5DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.01874-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期1.5级配设计采用泵送 C30、振捣 C60 混凝土为基础配合比，以外加剂 Basf 为研究对象，掺量分别为 10%和 14%（其成型试件的编号分别为 B10、G14），并与相应的基准混凝土 C30、C60 试件（试件编号分别为 B0、G0）进行对比。根据文献4-5及 JGJ 552011 普通混凝土配合比设计规程6确定 C30、C60 混凝土的配合比，各组试件混凝土配合比及拌合物性能指标见表 3、表 4。表 2粉煤灰技术指标粉煤灰品种细度（0.045 mm筛筛余）烧失量含水量需水量比三氧化硫游离氧化钙级粉煤灰8.41.600.3950.260.161.6试验方法根据 GB/T 500822009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准7规定，对 4 种混凝土的抗碳化、抗冻、抗渗及收缩等耐久性能进行测定，以期得到变化规律，指导生产实践。2试验结果分析2.1抗碳化性能混凝土的抗碳化性是耐久性的一个重要方面，未碳化混凝土的 pH 可达 12.6耀13.0，这种强碱环境可以有限保护混凝土中钢筋不被锈蚀8，当混凝土碱度降低到 pH11.5 时，钢筋的钝化膜遭到破坏，混凝土耐久性会降低，其主要反应可用下列方程式表示Ca（OH）2+H2O+CO2寅CaCO3+H2O3CaO 2SiO2 3H2O+3CO2寅3CaCO3 2SiO2 3H2O3CaO SiO2+3CO2+酌H2O寅3CaCO3+SiO2 酌H2O2CaO SiO2+2CO2+酌H2O寅2CaCO3+SiO2 酌H2O本文试验采用 100 mm伊100 mm伊100 mm 立方体试件进行碳化实验，4 种混凝土结果见表 5、图 1。从表 5及图 1 中可以得出，不管 Basf 是否被掺入，C60 混凝土在 4 个龄期时的碳化深度都为零，明显好于 C30 混凝土，这是由于 C60 混凝土水灰比小，混凝土密实度高，二氧化碳不容易进入混凝土内部，C60 混凝土中水泥用量远高于 C30 混凝土，在水泥水化时生成的氢氧化钙含量高，在碳化过程保护了水化硅酸钙等水化产物，而且生成的少量 CaCO3堵塞了水泥中的毛细孔，使水泥石变得密实，从而进一步抑制混凝土碳化，所以 C60碳化深度小，不容易被碳化。但 C30 混凝土碳化程度较大，在 28 d 龄期内 B10 的碳化深度要比 B0 高出 30%，掺 Basf 的 B10 试样中的氢氧化钙含量低于 B0 试样，随着碳化龄期增长，氢氧化钙不断被反应，水泥石中的碱性不断变低，水化产物不断分解，使混凝土碳化破坏，抗碳化性能变差。表 5混凝土抗碳化试验结果同时从图 1 中可以看出，随着碳化龄期的延长，混凝土碳化深度的增长幅度变小，这是因为反应生成的碳酸钙堵塞在混凝土空隙中，增加了混凝土的密实度，随着碳酸钙含量增大，混凝土表面密实度越来越高，阻止了碳化反应的进行，从而使混凝土的碳化深度不断趋于稳定。表 3各组试样的配合比设计编号W/C水泥/kg粉煤灰/kg砂/kg石子/kgBasf掺量（%）B00.5300608569750B1010G00.31600062010300G1414表 4不同种类混凝土拌合物的性能指标编号初凝/min终凝/min坍落度/mm含气量（%）泌水率（%）030 min60 min90 minB038347980404002.50.36B10243334160145130504.00G019930052.10G1493146454.30混凝土类型碳化深度/mm3 d7 d14 d28 dB00.82.43.25.0B101.03.74.56.5G00000G140000%75-2023 年 25 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application图 1C30 混凝土 B0尧B10 在不同龄期的碳化深度2.2抗冻性能混凝土的抗冻性是评价混凝土耐久性的重要指标之一9，其主要影响因素为水灰比、密实度、含气量及强度。本次试验采用慢冻法，设定循环次数 100 次，每个循环冷冻 2 h，冷冻时温度为原15 益，试验结果见表 6、图 2。表 6冻融前后试件的基本物理特征图 2各组试件在不同冻融循环后强度损失用于试验的试件都达到 F100 抗冻等级，冻融试验结束后混凝土试件表面出现大量微裂纹，虽然混凝土试件没有发生明显破坏，但试件内部出现冻涨破坏，混凝土强度下降。从表 6 和图 2 中可以看出，试件在冻融循环 100次以后质量仍然损失很小，说明混凝土表面没有发生明显破坏，试件强度在冻融循环 50 次后下降也不是很大，但在冻融循环 50 次到 100 次之间混凝土强度损失急剧增大，C30 混凝土的强度损失要比 C60 大得多，所以 C60高强混凝土的抗冻性要好于 C30 普通混凝土。这是由于C30 混凝土的水灰比大，混凝土强度低，水化产物少，密实度差，空隙率大，空隙中填充的水分愈多，在冻融过程中混凝土受到的破坏压力变大，所以抗冻性能差。从图 2中可以明显看出，掺 Basf 的混凝土的强度损失要小，这是因为 Basf 具有一定的引气作用，提高了 C30、C60混凝土含气量，缓解了结冰产生的膨胀力。同时，气泡容纳了自由水的迁入，缓解了混凝土的渗透压力。由于Basf 在早期能促进水泥的水化，水泥石更加致密，水泥石中空隙变少，因此，在同类型混凝土中掺入 Basf 的抗冻性能较好。2.3抗渗性能混凝土的孔隙率及孔结构是影响其抗渗性的主要因素，在拌和混凝土时所用的水远远超过水泥水化所需的水，因此，混凝土中存在着早期蒸发水、水化剩余水和泌水通道等留下的孔缝，加上拌和时带入的空气等原生孔缝，这些均会成为混凝土的渗水通道10-11。根据规范，试验6个试件为一组，结果见表7。从表7中可以看出，C60高强混凝土的抗渗等级为大于P12，明显好于C30普通混凝土，这是因为高强混凝土的水灰比低，混凝土的拌合用水量少，在水泥水化过程中形成的空隙较少，成型的混凝土试块比较密实，渗水通道少。在混凝土中掺入Basf后抗渗性得到很大提高，其中在C30混凝土掺Basf后混凝土试件的抗渗等级能从P10提高到P12。表 7各组试件的抗渗试验结果在C60中掺入Basf后的渗水高度只有原来的17%左右，究其原因是掺入的外加剂Basf的有效成分为纳米硅酸钙，在混凝土水化过程中纳米固体颗粒分散进入混凝土内部空隙中，堵住了混凝土试件中的渗水通道，从而使混凝土试件变得更加密实，同时Basf具有一定的减水引气作用，能提高混凝土的和易性，使拌合物的离析和泌水性降低，混凝土中连通的大毛细孔减少，提高了抗渗性能。从Basf对水泥水化影响得知，Basf能使混凝土中的水化产物多，氢氧化钙含量低，在流水侵蚀的作用下水泥中碱度变化小，水化产物转变较少，使混凝土试件更加稳定，抗渗性相比于基准样也得到了提高。2.4收缩性能当混凝土收缩受到限制产生的拉应力超过混凝土自身的抗拉强度时，就会产生裂纹导致混凝土力学性能、抗渗性能下降，钢筋腐蚀、结构破坏。因此，有必要掌握混凝土的收缩特性。按照耐久性规范要求，收缩试混凝土类型 试件渗水高度/mm 抗渗等级 B0 0 P10 B10 0 P12 G0 60 P12 G14 10 P12 混凝土类型 冻融循环/次 强度损失率（%）质量损失率（%）抗冻等级 B0 25 0.90 0.066 F100 50 1.40 0.133 100 14.1 0.300 B10 25 0.59 0 F100 50 1.51 0.136 100 11.84 0.334 G0 25 0.58 0 F100 50 0.71 0.134 100 4.71 0.299 G14 25 0.23 0.067 F100 50 0.70 1.530 100 2.93 0.101 76-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期验采用 100 mm伊100 mm伊515 mm 长方体试件，收缩试验结果见表 8 及图 3。表 8收缩值测定数据图 3混凝土在不同龄期时收缩值变化从表 8 和图 3 中可以看出，混凝土是在 010 d 龄期时收缩值大幅上升，但到 14 d 后增长显著减慢。在不掺 Basf 的情况下，1 d 和 3 d 龄期普通混凝土的收缩值要比高强混凝土大，这是由于：淤普通混凝土水灰比大，拌合用水量大，导致混凝土孔隙中吸附较多的自由水，随着自由水的蒸发使混凝土收缩变大。于混凝土拌合用水量多也加速了水泥的水化速率，使水泥石的早期化学收缩变大。盂粗集料对水泥石未水化完全前的限制作用也影响了收缩值。试验时成型 C60 试件用的粗集料为花岗岩碎石，而成型 C30 试件使用的粗集料为石灰岩碎石，花岗岩的弹性模量要低于石灰岩，所以其抵抗收缩的作用大。以上原因同时使普通混凝土收缩值大于高强混凝土。而在 7 d 龄期之后 C60 混凝土的收缩值却又明显高于 C30 混凝土，这是因为此时水泥大量水化并且C60 水泥用量比 C30 大得多，在早期时 C60 混凝土水泥水化用水量不够延缓了水泥水化，推迟了混凝土干缩的发生与发展，但当水泥水化慢慢达到高峰时水泥石大量生成，使混凝土的收缩值变大。同时可以看到，掺 Basf 的 C30 混凝土在早期 1 d 和 3 d 时的收缩值比基准 C30 混凝土要小，这是因为 Basf 在早期能加速水泥的水化，产生了钙矾石补偿了由于水化而造成的化学收缩。到 7 d 龄期时掺 Basf 的混凝土的收缩值变大，这是由于 Basf 大幅加速水泥熟料的水化速度，使混凝土的早期化学收缩变大。同时，生成的钙矾石不断分解成单硫型水化硫铝酸钙而失去膨胀作用。另外，Basf 具有一定减水作用，释放了包裹在絮凝水泥中的自由水，使混凝土孔隙中的自由水增多，随着自由水的蒸发使混凝土收缩变大，加上 Basf 的引气作用，使混凝土中的气孔率增高，混凝土试件收缩变大。C60 混凝土由于水泥用量比较大，其收缩值主要是因为水化反应而引起的，又因为 Basf 能促进水泥水化，所以使得掺 Basf 的C60 混凝土在各个龄期时的收缩值都要比不掺的大。从分析中可以看出，随着 Basf 的掺入，不同强度等级的混凝土在不同龄期的收缩值也不同，其中 Basf对 C60 高强混凝土的收缩值影响更大。因此，在实际施工时要合理掺加 Basf 以控制混凝土的收缩值。3结论1）C60 混凝土的抗碳化能力远好于 C30 混凝土，掺 Basf 的 C60 混凝土对碳化性能几乎没有影响，但对于 C30 混凝土掺入 Basf 后可使碳化深度增加。2）C60 混凝土的抗冻性和抗渗性都好于 C30 混凝土，掺 Basf 后混凝土试件的抗渗性和抗冻性能得到显著提高。3）C60 混凝土收缩值大于 C30 混凝土，掺 Basf 后混凝土试件的收缩值变大。参考文献院1 高广骥.混凝土抗冻性的研究J.科技资讯，2009（25）：131.2 李歌.混凝土的耐久性J.中国科技信息，2010（13）：84-86.3 通用硅酸盐水泥：GB 1752020S.2020.4 董海涛，何超.C60 高强混凝土配合比设计J.北方交通，2010（6）：82-84.5 朱红娟，朱文通，罗思欣.C60 高性能混凝土配合比J.公路交通技术，2009（4）：45-49.6 普通混凝土配合比设计规程：JGJ 552011S.北京：中国建筑工业出版社，2011.7 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准：GB/T500822009S.北京：中国建筑工业出版社，2009.8 何廷树援混凝土外加剂M援西安：陕西科学技术出版社，2003：44-49.9 韩静云.混凝土工学D.苏州：苏州科技学院，2008：90-97.10 徐辉东，张慧，李雷.高强高性能混凝土耐久性试验研究J.施工技术，2008，37（S2）：58-61.11 高振国，韩玉芳，王长瑞援无碱混凝土早强剂的配制与作用机理研究J援武汉理工大学学报，2009（7）：81-83.试件型号混凝土收缩值/m1 d3 d7 d14 d28 d45 dB073158162214201223B1046104187216245289G061133227214270306G1485163266284310378滋77-