復合外加劑對水泥混凝土冬季施工性能的影響研究

李育林，梁鴻杰，梁軍林，3，容洪流，3，楊小龍，3 編譯

（1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；3.廣西特殊地質公路安全工程技術研究中心，廣西南寧 530004）

0 引言

在冬季，水泥混凝土由于溫度降低使得其和易性降低，因此，在水泥混凝土路面施工過程中需要采取特殊措施，目前最常用的方法是通過加熱或在混凝土中加入防凍劑。在較低溫度下，混凝土的強度增長緩慢，而當溫度為零度以下時，混凝土內部凍結并停止水化反應，且在凍融循環交替過程中，水泥混凝土路面的耐久性會受到影響［1-3］。

有關研究表明［4-7］，通過降低路面水泥混凝土的水灰比，可以提高混凝土的抗裂性。在低溫條件下進行水泥混凝土路面鋪筑時，混凝土中的水可能會凍結，從而影響混凝土的流動性，因此有必要將其用水量減至最低。目前使用最廣泛的外加劑是萘系高效減水劑，基于萘磺酸鹽甲醛（SNF）的高效減水劑對增塑作用的有效性并不低于聚羧酸高效減水劑，且與聚羧酸鹽不同，SNF 外加劑與不同水泥具有良好的相容性［8-10］。

此外，隨著水泥混凝土材料的精細化發展，納米改性水泥混凝土應運而生，其中納米二氧化硅（nanoSiO2）是常用的納米材料。傳統的水泥基材料強度較低，添加一定量的納米二氧化硅代替部分摻合料，可顯著提高水泥混凝土強度，其主要原因是納米二氧化硅較高的比表面積可以在水泥（石灰）環境中發生火山灰反應形成高強度的硅酸鈣水合物，從而提高混凝土強度［11-13］。但用于水泥混凝土的納米二氧化硅的最佳用量是不確定的，需要在試驗中確定［14］。

提高冬季路面混凝土鋪筑效率的常用方法是采用防凍劑，主要是通過降低冰點的方式來確保材料在負溫下混凝土內部始終保持一定的液相水存在，以保持水泥水化反應能持續進行［15-16］。在冬季5 ℃以下的環境中現澆施工時，不僅要選擇適當的防凍劑，而且要嚴格控制其用量，用量與規范稍有偏差將導致混凝土質量明顯低于規范標準［17-19］。尹明等［20］通過理論分析和公式推導，建立了混凝土成熟度與養護時間及溫度的關系，并結合施工現場實際溫度及條件，確定了防凍劑的摻量。

盡管在冬季水泥混凝土路面澆筑工藝中使用了大量的單體和復合外加劑，但其中許多外加劑對公路小型構造物混凝土的流動性、離析以及抗壓強度的影響還沒有得到充分的研究。為此，本文開發一種新型復合外加劑，可防止在冬季澆筑小型構造物施工過程中混凝土產生離析，同時也能起到防凍和養護的作用。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥

水泥采用普通硅酸鹽水泥（42.5），其28 d 抗壓強度為49.1 MPa，初凝時間和終凝時間分別為175 min、230 min，比表面積為410 m2/kg，化學組成見表1。

表1 水泥的化學組成和礦物組成

（2）集料

細集料采用天然河砂，細度模數2.05，密度2.63 g/cm3。粗集料采用兩檔花崗巖碎石：5～10 mm 和10～20 mm，密度2.66 g/cm3。

（3）外加劑

萘磺酸鹽甲醛（SNF）型萘系高效減水劑，其磺化縮聚物含量為82%～84%、8%～10%的硫酸鈉、水分不超過10%；松香皂（WSR），一種以深棕色濃縮物（50%～55%）形式存在的引氣劑；硝酸鈉（NaNO3）作防凍劑；納米二氧化硅（nanoSiO2），為白色的納米粉末，平均粒徑為20 nm，比表面積為122.17 m2/g，二氧化硅的質量分數為99.8%。

根據原材料所設計的試驗配合比如表2 所示。

表2 不摻加外加劑的C12/15 混凝土配合比

為研究冬季復合外加劑對水泥混凝土流動性和離析的影響，在混合料中都添加了防凍劑NaNO3，不同混合料的組成見表3～5。為改善混凝土的均勻性，在（SNF+SiO2）復合的外加劑中添加了引氣劑WSR（表4）。本研究的復合外加劑應用于水泥混凝土冬季施工的配比，如表5 所示。

表3 納米改性（SNF+SiO2）高效減水劑 %

表4 SNF+SiO2+WSR 外加劑 %

表5 復合外加劑在混凝土配合比中的應用

1.2 試驗方案

室內制備C15 水泥混凝土用于測定其流動性、離析，并制作試樣以測定抗壓強度。試樣的制作依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420—2020），尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每次試驗的最小試樣數量為5 個，其中，沒有添加外加劑的樣品數量為3 個，共計樣本324 個。按照規范的要求，混凝土試件在標準養護室中養護28 d。

圖1 為具有均勻結構和明顯成分分離的混凝土立方體。

圖1 混凝土試件

由圖1 可知：在混凝土中加入0.05%WSR 的復合外加劑，可得到結構均勻的試樣，而僅添加SNF和SiO2+SNF 外加劑的混凝土試件具有明顯離析現象。

根據規范要求，對混凝土的坍落度與坍落擴展度進行測試，離析指標采用ISI表示。

式中：Ml為混凝土上部的粗骨料質量；Mu為混凝土下部的粗骨料質量。

混凝土的離析指標不應超過表6 中的數值。

表6 混凝土配合比分層的允許值

2 結果與討論

2.1 水泥混凝土流動性

在恒定水量和不同硅酸鹽水泥摻量的條件下，對混凝土的性能進行了研究。在不引入外加劑的情況下，保證混凝土的初始流動性相同，通過測量坍落度和坍落擴展度來確定混凝土的流動性。在冬季澆筑混凝土，混凝土需要盡可能短的時間來完成凝結和強度發展，而高效減水劑會延長混凝土的凝結時間，這是一個不利的特性。為抵消上述因素對水泥混凝土凝結時間的影響，需調整減水劑的摻入量?；炷恋牧鲃有允瞧涫┕ば阅苤凶钪匾奶卣?，圖2為混凝土的流動性與納米改性外加劑的關系變化圖。

圖2 混凝土的流動性

衡量高效減水劑對混凝土配合比有效性的主要指標是它們的液化能力；以不含外加劑的混合料的坍落度為2～6 cm 作為參考標準。

由圖2 可知：在初始流動性相同時，W/C分別為0.65、0.56、0.50，其平均坍落度h0=2.7 cm，平均坍落擴展度D0=21.3 cm；外加劑摻量為0.2%時，W/C=0.65、0.56、0.50，其平均坍落度h0.2%=7.67 cm，平均增加了184.07%；平均坍落擴展度D0.2%=30.33 cm，平均增加了42.39%；外加劑摻量為0.4%時，W/C=0.65、0.56、0.50，其平均坍落度h0.4%=13.67 cm，平均增加了78.23%；平均坍落擴展度D0.4%=38.67 cm，平均增加了27.49%；外加劑摻量為0.6%時，可獲得高流動性的混凝土，W/C=0.65、0.56、0.50，獲得其平均坍落度h0.6%=17.67 cm，平均增加了29.26%；平均坍落擴展度D0.6%=46 cm，平均增加了18.96%。

如圖2 所示，混凝土流動性隨著納米改性高效減水劑摻量增加而增加，在0.2%～0.6% 的摻量范圍內，混凝土的流動性增長速率最大，隨著外加劑用量從0.6%進一步增加到1.0%，流動性增長速率緩慢，故高效減水劑的最佳摻量范圍為0.2%～0.6%，能起到最大的增塑效果，超過0.6%時納米改性外加劑的效果減弱，而且過高的流動性易導致離析風險增加。此外，混合料中水泥用量的增加有助于增強納米改性高效減水劑的效果。

通過試驗數據，建立混凝土的坍落度和坍落擴展度的數學模型；根據設計的混凝土流動性，可計算出所需納米改性（SNF+SiO2）高效減水劑的用量，其由以下公式確定：

對于坍落度：

對于坍落擴展度：

式中：Nh、ND分別為坍落度和坍落擴展度的納米改性高效減水劑（SNF+SiO2）的用量；h、D分別為混凝土拌和料坍落度和坍落擴展度的設計值。

用最小二乘法建立數學模型（2）、（3），并將所需流動性參數與納米改性高效減水劑的摻量關聯起來。應用所開發的模型，可以根據規定的流動性參數設計混凝土配合比。為了驗證所提出的公式，進行了混凝土的計算和試樣制備，并測定了混凝土的坍落度和坍落擴展度，驗證結果見表7。

表7 納米改性高效減水劑用量計算模型的驗證指標

從表7 可看出：應用該數學模型的SNF+SiO2用量所得的實際流動性與數學模型中的流動性數據相吻合，故所研發的數學模型可應用于實際工程。

2.2 混凝土離析

混凝土離析的發生與其流動性有關，流動性越大越容易出現離析現象?；炷岭x析是由于最大數量的粗骨料向混凝土結構的下部移動而水泥漿體和細骨料位于結構的頂部所致；根據溶解值變化對混凝土的離析進行了研究，圖3 為混凝土中摻加不同納米改性高效減水劑用量時溶解值的變化。

圖3 混凝土的溶解值

由圖3 可知：在混凝土中納米改性高效減水劑摻量為0.2%～0.6%時，其溶解速率相對穩定，且略有下降趨勢；溶解速率在高效減水劑摻量為0.6%～1.0%范圍內降低明顯。W/C=0.50 整體上都比W/C=0.56 與W/C=0.65 的溶解速率低，這一特征是由于密度較大的水泥漿體抑制了混凝土組分的離析。溶解速率不僅受高效減水劑用量的影響，還受水灰比的影響，水泥用量的增加有助于減少溶解速率。在硅酸鹽水泥中加入0.2%～1.0%的納米改性高效減水劑，其溶解速率比允許值高137%～250%。因此，高溶解值可作為混凝土離析的風險標志。

為了降低混凝土成分離析的風險，采用在納米改性高效減水劑中摻入松香皂（WSR）引氣劑，用量分別為0.01%、0.05%、0.07%。圖4～6 為將松香皂（WSR）摻入納米改性高效減水劑（SNF+SiO2）中后混凝土流動性的變化圖。

圖4 摻0.01%WSR 的混凝土的流動性

圖5 摻0.05%WSR 的混凝土的流動性

圖6 摻0.07%WSR 的混凝土的流動性

由圖4～6 可知：①摻0.01%WSR 的納米改性高效減水劑，坍落度比不摻WSR 的水泥平均增加0.8 cm，坍落擴展度平均增加2.2 cm?；炷亮鲃有缘脑黾硬怀^試驗計劃的置信區間，認為其影響可忽略 不 計。WSR 摻 量 為0.05%、0.07% 時，W/C=0.50、0.56、0.65 的平均坍落度分別增加了3.13 cm、4.13 cm；②混凝土的流動性隨著WSR 用量的增加而增加，故WSR 能提高混凝土流動性，而且對于高流動性混凝土發生離析具有抑制作用。此外，WSR對不同水灰比的混凝土具有塑化作用，而在W/C=0.50 時，WSR 對混凝土流動性增幅最小。摻入引氣劑的混凝土由于引入了大量均勻分布的、閉合而穩定的微小氣泡，在這些球狀氣泡的吸附作用、滾動作用和浮托作用下，使拌和混凝土黏度增大，同時改善混凝土拌和物的和易性、保水性和黏聚性，從而大大降低了混凝土離析的風險［22］。

混凝土離析風險性試驗結果見表8。

表8 摻入SNF+SiO2+WSR 的混凝土的溶解值

由表8 可知：在摻入該復合外加劑時，混凝土未出現離析現象，表中各組分分離的指標不高于臨界值4.0%，符合要求。

2.3 混凝土抗壓強度

試樣在標準養護室中養護28 d 后進行抗壓強度試驗。圖7 為在不同水灰比下，混凝土試件的抗壓強度隨納米改性高效減水劑用量的變化情況。

圖7 納米改性高效減水劑對混凝土抗壓強度的影響

由 圖7 可 知：W/C=0.65、0.56 和0.50 的 對 照 試樣的抗壓強度分別為18.1 MPa、18.5 MPa 和19.2 MPa。當納米改性高效減水劑摻量為0.2%～0.6%時，納米改性高效減水劑對混凝土抗壓強度的影響表現相對穩定。當摻量為0.6%時，其對混凝土抗壓強度的影響出現拐點，而當外加劑摻量繼續增加時，混凝土的抗壓強度出現明顯降低。故過高混凝土流動性易導致離析現象的出現，混凝土試件強度的降低是由于混合料成分在成型時離析增加所致。

在納米改性高效減水劑的基礎上加入引氣劑，能夠增加混凝土的均勻性從而降低混凝土離析的風險。圖8～10 為在納米改性高效減水劑的基礎上分別添加0.01%、0.05%、0.07%WSR 的效果圖。

圖8 納米改性高效減水劑+0.01%WSR 對混凝土抗壓強度的影響

圖9 納米改性高效減水劑+0.05%WSR 對混凝土抗壓強度的影響

圖10 納米改性高效減水劑+0.07%WSR 對混凝土抗壓強度的影響

由圖8～10 可知：W/C=0.50 的混凝土抗壓強度最大，摻入WSR 的試件抗壓強度平均為19.4～19.6 MPa，比不摻外加劑時提高0.9%～1.2%，滿足試驗計劃所提供的容許誤差。結果表明：WSR 摻量在0.01%～0.07%范圍不會降低混凝土的抗壓強度，適量的引氣劑可改善混凝土的和易性，降低其離析風險，同時使混凝土具有必要的流動性。

綜合上述試驗結果可知：在環境溫度為5 ℃以下的冬季中，為確保水泥水化反應順利進行與防止離析現象的發生，得到水泥混凝土所需的流動性，其復合外加劑的組成應為：SNF：0.4%；WSR：0.05%；NaNO3：4.0%；nanoSiO2：0.1%。對所配比的復合外加劑進行試驗驗證，制備了混凝土試件，試件在標準養護3 d、7 d、14 d 和28 d 后進行抗壓強度測試，結果如圖11 所示。

圖11 摻加了復合外加劑混凝土試件的抗壓強度

由圖11 可知：在齡期為3 d、7 d、14 d 和28 d 時，混凝土試件的平均抗壓強度分別為4.4 MPa、6.7 MPa、13.6 MPa 和19.6 MPa，混凝土強度隨齡期增長而增長，表明硅酸鹽水泥的水化反應順利進行，沒有自由水的凍結和結晶。

因此，由萘磺酸鹽甲醛、納米二氧化硅、松香皂和硝酸鈉所組成的復合外加劑，確保了水泥混凝土在低溫下的澆筑和正常養護。

3 結論

通過不同組合、不同摻量的方式配成多種外加劑制備水泥混凝土，研究了混凝土的流動性、離析和抗壓強度，得出以下結論：

（1）納米改性高效減水劑摻量為0.2%～0.6%時能夠顯著地提高混凝土的流動性，增塑效果最好。所研發的數學模型，依據納米改性高效減水劑的用量與坍落度和坍落擴展度關系，可設計出所需流動性的混凝土。

（2）根據混凝土的溶解值變化可知，高溶解值可作為離析風險的標志，過高的混凝土流動性易導致離析風險的發生；引氣劑能改善混凝土的和易性、保水性和黏聚性，提高混凝土流動性，從而減少離析的風險。

（3）納米改性高效減水劑摻量為0.2%～0.6%時其抗壓強度相對穩定，摻量繼續增加則抗壓強度降低；在摻量為0.2%～0.6%的納米改性高效減水劑中摻入引氣劑0.01%～0.07%，不會降低抗壓強度。

（4）基于本文研究可知，最佳復合外加劑的配比可選為：SNF：0.4%；nanoSiO2：0.1%；WSR：0.05%；NaNO3：4.0%。經試驗驗證，混凝土強度與時間變化呈正相關，水泥的水化反應成功進行，沒有自由水凍結和結晶，故最佳外加劑配比適用于在冬季5 ℃以下的環境中進行水泥混凝土的澆筑與養護。