新型抗冻防冻复合外加剂的研制及对水工混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 4 年 第 1期 (总 第 2 9 1期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 4 ( T o ml No ．2 9 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 2 3 新型抗冻防冻复合外加剂的研制 及对水工混凝土性能的影响 李向东 。张守杰 ，马耀辉 ，熊复慧 ( 黑龙江省水利科学研究院 ，黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 8 0 ) 摘要： 通过试验确定出了新型抗冻防冻复合外加剂 X K F中的组成及最佳掺量， 按照 J C 4 7 5 --2 0 0 4 ( 混凝土防冻剂》 的规定 的 方法对其进行检验 ， 同时研究了外加剂 X K F对水工混凝土抗冻 防冻性能的影响。 试验表明 ： 外加剂 X K F对新拌混凝 土含气量的 影响不仅与引气组分的掺量有直接关系， 还受到减水组分 、 防冻组分的影响I 夕 } 加剂 X K F的性能优于J C 4 7 5 --2 0 0 4规定的性能 指标， 抗冻防冻水工混凝土经过一 2 0℃的负温转正温的养护后， 其抗冻等级达到F 3 0 0 ， 相对动弹模为8 9 ． 5 ％， 质量损失为 4 ． 2 ％。 关键词： 新型抗冻防冻复合外加剂；水工混凝土；抗冻防冻性能 中图分类号： T U5 2 8 ． 0 4 2 ． 6 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) O 1 — 0 0 8 2 — 0 5 S t u d y on t h e n e w t y p e a n t i f r e e z e c o mp o u n d a d mi x t u r e a n d t h e e ffe c t t o hy dr a ul i c c o n c r e t e p e r f o r ma n c e L I X i a n g d o n g ， Z H A NGS h o u j i e ， MA Y a o h u i ， X I O NGF u h u i ( H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Ha r b i n 1 5 0 0 8 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ga v e c o mp o s i t i o n s o f t h e n e w t y p e a n t i f r e e z e c o mp o u n d a d mi x t u r e XKF and t h e o p t i ma l c o n t e n t ， thr o u g h t h e e x p e r i me n t s ． Ac c o r d i n g t o t h e r e g u l a t i o n o f J C 4 7 5 -- 2 0 0 4 c o n c r e t e ant i fre e z e me t h o d s ， X KF a d mi x t u r e wa s t e s t e d ． A n d， t h e e ff e c t o ft h e a dm i x t u r e XKF t o a n t i f r e e z e p e r f o r ma n c e o f h y d r a u l i c c o n c r e t e wa s s t u d i e d ． T h e r e s u l t s i n d i c a t e d tha t the a i r c o n t e n t o f f r e s h c o n c r e t e wa s n o t o n l y h a s the i n flu e n c e o f a i r e nte r i n g c o mp on e nt o f the a d mi x t ur e XKF b ut a l s o wate r r e d u c i n g c o mp o n e nts ， an t i fre e z e c o mpo n e n t ； Adm i x t u r e s XKF p e rfo r man c e i s s u p e ri o r to the p e rfo r ma n c e i n d i c a t o r s s t i p u l a t e d J C 4 7 5 -- 2 0 0 4； An t i fr e e z e h y d r a u l i c c o n c r e t e r e a c h e s the a n t i fr e e z e l e v e l F 3 0 0 ， r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f 8 9 ． 5 ％ ， the ma s s l o s s o f 4 ． 2 ％ ， t h r o u g h the c u r i n g o f- 2 0 ℃ n e g a t i v e t o p o s i t i v e t e mpe r a t u r e ． Ke yw o r d s ： the n e w t y p e a n t i fre e z e c o mp o u n da dm i x t u r e ； h y d r a uli c c o n c r e t e ； a n t i fr e e z ep e r f o rm an c e 0 引言 在水利工程建设 ， 尤其是大中型水利工程项 目， 一般工 期较长， 工程量大， 往往需要进行冬期施工。 然而在北方寒冷 地区， 冬季时间长 ， 气温低 ， 负温天气每年持续达 5 ~ 6 个月 ， 施工期 短 ， 对水利建设 的发 展形成 了极大 的制约 。 为了保 证工程具备度汛条件或者在汛前投入使用， 实现工程项目 的早 日投运和效益， 进行冬期施工是必然选择。 因此， 探讨 水工混凝土冬期施工技术方法具有重大的现实意义。 的抗冻防冻的特点 ， 为保障水工混凝土在负温养护条件下 ， 形成早期结构， 需通过掺人外加剂的方法改善水工混凝土 的抗冻防冻性能， 因此研制出具有抗冻防冻性能的复合外 加剂至关重要。 1 原材料和试验方法 1 ． 1 原材料 ( 1 ) 水泥 ： P O4 2 ． 5 级亚泰天鹅水泥 ， 性能指标见表 1 。 ( 2 ) 细骨料 ： 中砂 ， 性能指标见表 2 。 在严酷的冬期施工环境下， 要求水工混凝土具备良好 ( 3 ) 粗骨料： 5 - 2 5 m i l l 连续粒级碎石， 性能指标见表 3 。 表 1 水泥物理力学性能指标 貅最 ， 黼 枰含 颗粒筛余量 5 r n n l 2 ． 5rai n 1 ． 2 5 r n i n 0 ． 6 3mm 0 ． 31 5nl r I 1 0 ． 1 6Oton i 砂 5 2 5 4 0 O ．3 5 1 ．5 1 ． 3 9 ．4 1 0 ． 6 3 0 ． 5 3 5 ． 6 1 2 ． 6 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 7 - 2 9 8 2 表 3 粗骨料试验检测结果 ( 4 ) 外加剂： 防冻组分、 引气组分、 减水组分。 1 ． 2试 验 方 法 试验参照标准： S L 3 5 2 --2 0 0 6 { 水工混凝土试验规程》 ； J C 4 7 5 --2 0 0 4 { 混凝土防冻剂》 ； G B 8 0 7 6 --2 0 0 8 { 混凝土外 加剂》 。 2 试验 结果与讨论 2 ． 1 外加剂 XKP的研制 2 ． 1 ． 1 外加剂 X K F组分 的选择 本研究 旨在配制出外加剂 X K F ， 为了确保混凝土能够 在负温环境下水化硬化及负温转正温后混凝土强度等性 能进一步提高， 该外加剂对水工混凝土性能要有以下几方 面的影响， 首先防冻效果得到改善 ， 其次保证负温条件下 凝结硬化 的混凝土要经得住多次冻融循环的破坏 。 本试验 首先对几种外加剂组分进行 复配， 从 中优 选出合适的复配 组分， 本研究主要选用 3 种复配组分， 分别为减水组分 、 引 气组分 、 防冻组分。 复配试验结果如表4 。 如表 4所示 ， 两种减 水组分 的减水效 果均在 2 0 ％以 上， 其中减水组分 A． 的减水率高达 3 5 ％； 引气组分 B的引 气量为 6 ． 8 ％， 引气效果极为明显 ； 两种防冻组分在一 2 0℃ 的环境下一 7 + 2 8 d 强度比均在 7 0 ％以上， 尤其是防冻组分C 的一 7 + 2 8 d 强度 比高达 9 8 ％。 当各组分复合使用时 ， 引气效 果和减水效果均受到不同程度的影响， 是因为减水组分的 存在使得用水量大大降低， 致使引气组分得不到充分发挥。 在减水组分 Al+引气组分 B +防冻组分 C 组合中， 虽然引 气效果和减水效果均受到影响， 但存在可调节空间， 所以 复合 防冻剂将选用 以上 3种组分 ， 调节其掺量 ， 寻找最佳 配合 比。 表 4 几种调试组分相容性试验结果 2 ． 1 ．2 外加剂 X K F 组分掺量调试 单独调试减水组分 A 与引气组分 B的掺量， 确定各组 分的掺量范围。 试验采用单一变量法， 在保证混凝土拌合物 坍落度在 8 - 9 c m 的条件下 ， 测定其用水量与含气量 ， 从而 得到在不同掺量的减水组分 A 与引气组分 B的混凝土拌 合物的减水率与含气量。 由于防冻组分具有提高早期强度 的作用， 继而早期放热过快 ， 这对大体积的水工混凝土是 极为不利的， 所以本试验将防冻组分的掺量控制在 5 ％以下。 其试验结果如图 1 、 2 所示 。 如 图 1 所示 ， 减水组分 的掺量在 0 ．2 ％时 ， 减水效果并 不明显； 掺量在 0 ．2 ％～ 0 ．4 ％时， 减水率快速增加； 而掺量达 到 0 ．4 ％以后 ， 减水率超 过 2 5 ％， 但是 随着减水组分掺量的 增加 ， 减水率增长 的趋势并不 明显 ， 所以本试 验对 减水组 分的掺量选在 0 ． 4 ％附近进行调配。 如图 2 所示 ， 引气组分的掺量 在 0 ． 0 0 5 ％时 ， 混凝土拌 合物的含气量达到 4 ％以上； 掺量在 O ． 0 0 5 ％以上， 含气量 呈稳定缓慢递增趋势 ， 掺量在 0 ． 0 4 0 ％时， 含气量高达 7 ％， 本试验对引气组分的掺量选在0 ． 0 1 0 ％附近进行后续调试。 2 ． 1 - 3 外加剂 X K F组分掺量的正交试验 考虑到三种组分之间的相容性问题， 本试验采用正交 试验的方法确定外加剂 X K F组分的掺量。 本正交试验是 3 2 28 24 琶 2 0 霎 1 2 8 4 0 0 ． 1 0 ．2 0 ． 3 0 ．4 0 ． 5 0 ． 6 减水组分的掺量， ％ 图 1 减水组分掺量与减水率的关系 引气组分的掺量 ／ ％ 图 2 引气组分的掺量与拌合混凝土含气量的关系 在保证减水率与含气量在规范规定值以上的条件下， 从各 个龄期的强度比的角度出发来择优选择各组分的掺量的。 8 3 为研究三种组分对混凝土强度的影响， 采用四因素三 水平正交试验分析的方法在 2 ． 1 ． 2 节试验中得到的最佳掺 量的基础上， 在其附近调节掺量大小制定三因素三水平的 正交试验 ， 测定 2 8 d 、 一 7 + 2 8 d ． - 7 + 5 6 d 强度比， 正交试验 的试验方案与试验结果如表 5 所示 。 本正交试验的负温环境稳定在一 2 0℃， 其温度变化趋 势如图 3 所示 。 三种组分中， 减水组分 A。 对 的影响非常显著， 而各 种添加组分之间的相互作用对 R 一 、 R 一 其起主导作用， 引气组分 、 减水组分对 R 甥 、 R _ 与 R 删 的影响并不明显 ， 相对来说 比较稳定 。 综合图4 - 6的极差与掺量的关系图来看 ， 正交设计试 验确定的各组分的最佳比例为： 因素 A 的 1 水平、 因素 B 的2水平与因素 C 。 的 3 水平。 表 5 L 。 ( 3 4 ) 正交试验方案与试验结果 负温龄期， h 图 3 负温环境温度监测情况 方差分析见表 6 ～ 8 ： 从方差分析得 出因素 A 。 的掺量 对 R 船有显著影响， 系统误差对 R 一 、 R 一 有显著影响 ， 其主要来源是各组分之间的相互作用。 因素B与因素c 对 84 、 的影响程度高于因素 A。 对其的影响程度。 综合拌合物的和易性、 含气量等多方面因素 ， 决定采 用第 4 组试验方案的调试组分比例来复配外加剂 X K F 。 2 ． 2 外加剂性 能的检测结 果 根据 J C 4 7 5 --2 0 0 4标准来检测复合外加剂的实用性 检测项 目检测结构如表 9 所示。 如表 9 所示：外加剂 X K F在 0 ℃下的检测结果除 外均在标准 J C 4 7 5 --2 0 0 4中规定温度为一 1 5℃的要求范 围内。 其 2 8 d收缩率比为 1 2 1 ． 2 ％、 5 0 次冻融循环强度损失 率比为 7 6 ． 1 ％、 一 7 + 2 8 d 抗 压强度 比 R q + 蕊 为 9 3 ． 5 ％。 2 ．3 复合外加剂对水工混凝土抗冻、 防冻性能的影响 本部分主要是测定基准混凝土与受检在标准养护条 因素B (b ) 图 4 R 翘的 K值与掺量的关系 因素B ( b ) 图 5 R _ 7 橘的 K值与掺量 的关系 表 6 R 强度方差分析表 因素B ( b ) 图 6 R — 的 f ( 值与掺量的关系 件、 负温转正温养护条件( 一 7 + 2 8 d ) 下 的抗冻性。 表 8 R 棚 强度方差分析表 混凝土的相对动弹模量超过 6 0 ％， 质量损失率不超过 5 ％， 混凝土 的抗冻性合格 。 标准养护下的基准混凝土 的冻 融循环次数达到 2 0 0次， 但负温养护条件下的冻融循环次 数仅达到 5 0 次， 说明经负温养护下的基准混凝土的水泥石 结构存在严重的缺陷。 而在标准养护条件下的受检混凝土 的冻融循环次数达到 3 0 0 次， 在负温养护条件下的冻融循 环次数同样达到了 3 0 0次。 说明掺人 X K F外加剂的混凝 土在负温养护条件下， 水泥石结构未收到破坏。 表 9 试验检测项 目及试验结果 注 ： 表格 中引用的参数来 自标准 J C 4 7 5 --2 0 0 4中规定温度为一 1 5℃的要求指标。 冻融 循环 肷 图 7 受检混凝土在不同循环次数下的质量损失率 冻融循环 ， 次 图 8 受检混凝土的在不同循环次数下的相对动弹模数 8 5