目前，對(duì)提高機(jī)制砂混凝土工作性能的研究主要集中于改善機(jī)制砂的特性和優(yōu)化配合比等[[ii]-[iv]]方面，利用外加劑改善其工作性和耐久性尚缺乏研究。有研究表明引氣劑、增粘劑、減縮劑等外加劑可以改善混凝土性能，但這些研究側(cè)重于天然砂配制的混凝土[[v]-[vii]]，針對(duì)機(jī)制砂混凝土的較少。本文以C40機(jī)制砂清水混凝土為研究對(duì)象，通過(guò)混凝土的工作性、力學(xué)、干縮、早期抗裂、抗?jié)B和抗凍等試驗(yàn)，考察引氣劑、減縮劑、增粘劑與減水劑復(fù)合使用對(duì)混凝土性能的影響，并進(jìn)行微觀形貌分析，揭示外加劑對(duì)混凝土性能影響的機(jī)理。
1 、工程概況
遂廣高速是完善四川省高速公路網(wǎng)，形成遂寧、廣安之間最便捷的高速公路通道；遂西高速將綿遂內(nèi)高速、成南高速等有機(jī)地連接起來(lái)，形成更為完善的高速公路網(wǎng)絡(luò)。為保證橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)與環(huán)境相協(xié)調(diào)，提高工程質(zhì)量，項(xiàng)目采用清水混凝土設(shè)計(jì)方案。經(jīng)調(diào)查，項(xiàng)目沿線天然砂匱乏，從外地采購(gòu)則會(huì)增加成本且無(wú)法保證工程進(jìn)度，而機(jī)制砂供應(yīng)量豐富且價(jià)格低廉，適宜大規(guī)模應(yīng)用。
2 、原材料
水泥：P.O 42.5R水泥，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，需水量比102%，細(xì)度6.6%（0.045mm方孔篩篩余）。細(xì)集料：機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.8，石粉含量5.0%，亞甲藍(lán)值1.0g/kg。粗集料：卵石破碎型，粒徑5-25mm，含泥量0.2%，針片狀含量3.8%，壓碎指標(biāo)12.1%。外加劑：聚羧酸系減水劑，脂肪醇類引氣劑，纖維素類增粘劑，聚醚類減縮劑。拌合水：自來(lái)水。
按照密實(shí)骨架堆積理論設(shè)計(jì)配合比，通過(guò)尋求混凝土集料之間的最大堆積密度來(lái)尋找最小空隙率，使混凝土材料更密實(shí)，提高強(qiáng)度、改善耐久性和外觀質(zhì)量。采用四分法取料，將粉煤灰與砂進(jìn)行填充，得致密堆積系數(shù)α（圖1）；再以粉煤灰與砂為細(xì)集料與粗集料進(jìn)行填充，得致密堆積系數(shù)β（圖2），進(jìn)而獲得最大堆積密度Uw。
4 、試驗(yàn)結(jié)果與討論
4.1引氣劑、減縮劑和增粘劑對(duì)混凝土性能的影響
針對(duì)機(jī)制砂混凝土易離析、泌水和勻質(zhì)性差等特點(diǎn)，研究引氣劑、減縮劑和增粘劑對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能的影響。設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
引氣劑是陰離子表面活性劑，憎水基在水-氣界面上定向吸附，力圖靠近空氣表面，顯著降低水的表面張力，使混凝土在拌和中產(chǎn)生大量微氣泡。因?yàn)檫@些氣泡帶有相同電荷的定向吸附層，所以氣泡之間相互排斥并能均勻分布，可以改變混凝土拌合物的性能，顯著提高混凝土的可澆筑性、和易性等非測(cè)量指標(biāo)[[i]]。隨引氣劑的摻量增加，引入的氣泡數(shù)量激增，導(dǎo)致混凝土含氣量增大。為滿足清水混凝土低含氣量的要求，減少出現(xiàn)氣泡缺陷，引氣劑摻量不宜過(guò)大。增粘劑（羥乙基纖維素）作為非離子型的表面活性劑，能夠附著在水泥顆粒表面，而且分子中的羥基和醚鍵上的氧原子會(huì)與水分子作用形成氫鍵，在溶液中形成一種立體的網(wǎng)絡(luò)，與水泥水化產(chǎn)物的網(wǎng)絡(luò)之間互相交織，使混凝土的粘稠度提高，分層度降低，粘聚性和保水性明顯改善。但增粘劑過(guò)多，混凝土粘稠度大，導(dǎo)致振搗密實(shí)性差，不利于工程施工，其摻量不宜過(guò)大。
對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行極差分析（見(jiàn)表3）。
減縮劑主要是通過(guò)降低液體的表面張力來(lái)減小收縮，但會(huì)降低溶液的堿度，影響水泥的水化，不利于抗壓強(qiáng)度[[i]]。纖維素類增粘劑會(huì)增加漿體中50nm以上幾乎所有孔徑的數(shù)量，使混凝土含氣量增大[[ii]]，降低表觀密度、影響強(qiáng)度，其摻量不宜大于2.0‰。引氣劑使混凝土含氣量增大，但引入的是微小、均勻分布的氣泡，改善了微孔結(jié)構(gòu)，對(duì)強(qiáng)度影響較小。
綜合工作性能、含氣量和抗壓強(qiáng)度，確定最佳摻量：引氣劑0.2‰，增粘劑2.0‰。
4.2減縮劑對(duì)混凝土干縮的影響
減縮劑是可以降低混凝土收縮的外加劑，但其作用大小隨摻量改變而不同。對(duì)其在0-2.0%的摻量范圍內(nèi)進(jìn)行混凝土的干燥收縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
4.3復(fù)合外加劑對(duì)混凝土表觀質(zhì)量的影響
在減水劑中復(fù)配0.2‰的引氣劑和2.0‰的增粘劑，與1.0%的減縮劑組成復(fù)合外加劑，對(duì)比減水劑和復(fù)合外加劑配制的機(jī)制砂清水混凝土試件表觀效果，如圖4、圖5所示。
圖4 摻加減水劑試件
圖5 摻加復(fù)合外加劑試件
摻加減水劑的試件表面氣泡較多，麻面、蜂窩、色差嚴(yán)重，無(wú)法滿足清水混凝土表觀質(zhì)量的要求。而摻加復(fù)合外加劑的試件表面平整、光滑，色澤均勻，無(wú)明顯的表觀缺陷，達(dá)到了飾面效果。這是因?yàn)槲磽綇?fù)合外加劑的混凝土拌合物和易性較差，易出現(xiàn)不同程度的分層、離析所致；且拌合物勻質(zhì)性差導(dǎo)致氣泡、粉煤灰等分布不均勻，致使表面出現(xiàn)色差、單位面積上氣泡多等缺陷。而復(fù)合外加劑提高了機(jī)制砂混凝土的工作性能，增加混凝土硬化后的密實(shí)度，改善了硬化混凝土表面質(zhì)量。4.4復(fù)合外加劑對(duì)混凝土早期抗裂和耐久性的影響
不作表面修飾的清水混凝土長(zhǎng)期處于大氣環(huán)境下，受自然條件的影響大，對(duì)耐久性要求高。分別對(duì)減水劑與復(fù)合外加劑進(jìn)行混凝土抗裂性能和耐久性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。
抗?jié)B性是混凝土耐久性最重要的指標(biāo)，反應(yīng)了混凝土的孔結(jié)構(gòu)和致密性，是抗侵蝕、抗碳化等性能的基礎(chǔ)[[i]]。由表可知，摻入復(fù)合外加劑，混凝土的抗水滲等級(jí)由P10提高到P12，28d抗氯離子滲透能力也有所增強(qiáng)，整體耐久性能有所提高。復(fù)合外加劑改善了混凝土拌合物工作性能，使其更易于振搗，改善了硬化混凝土的密實(shí)性、勻質(zhì)性和微孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了抗?jié)B能力。引氣劑和增粘劑引入了部分微小氣泡，且改善了整體孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土的抗凍等級(jí)由F250提高到F300。
4.5微觀機(jī)理分析
圖6是28d齡期的混凝土試樣的掃描電鏡圖，在內(nèi)泌水混凝土的界面過(guò)渡區(qū)，CH的尺寸大、數(shù)量較多，如左圖中部分區(qū)域，這降低了過(guò)渡區(qū)的性能，影響混凝土的抗裂性能和耐久性[[ii]]。摻入復(fù)合外加劑后，改善了混凝土的和易性，減少了離析、泌水，所以右圖中上述現(xiàn)象較少。
觀察未水化完全的粉煤灰和石粉顆粒的分布，可知摻加復(fù)合外加劑的試件顆粒分布更均勻，C-S-H凝膠空間網(wǎng)絡(luò)上的整體性也較好，混凝土的勻質(zhì)性好。圖6中左圖凝膠體結(jié)構(gòu)比較松散，微裂紋和孔隙的數(shù)量較多，而右圖中孔隙較少，水化產(chǎn)物致密。在混凝土中摻入復(fù)合外加劑后，減縮劑抑制了收縮，減少微裂紋的形成，而引氣劑和增粘劑則改善了混凝土的工作性能，減少了因泌水留下的大孔隙，并改善了微孔結(jié)構(gòu)，使混凝土微結(jié)構(gòu)顯得更密實(shí)?；炷猎诤暧^上表現(xiàn)為干燥收縮小，抗裂性能和耐久性優(yōu)異。
圖6 復(fù)合外加劑對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響
5 、工程應(yīng)用
通過(guò)摻加復(fù)合外加劑，制備的C40機(jī)制砂清水混凝土：坍落度210mm，擴(kuò)展度550mm，和易性和粘聚性良好，無(wú)離析泌水，勻質(zhì)性良好，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)57.5MPa，28d干燥收縮率243×10-6，早期抗裂等級(jí)達(dá)Ⅳ，抗?jié)B等級(jí)達(dá)P12，28d抗Cl-遷移系數(shù)3.0×10-12m2/s，抗凍等級(jí)F300，外觀質(zhì)量達(dá)到了飾面效果，成果應(yīng)用于遂廣遂西高速中墩柱、梁板等清水混凝土結(jié)構(gòu)（圖7）。
6、 結(jié)論
a.通過(guò)密實(shí)骨架堆積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并根據(jù)機(jī)制砂的特點(diǎn)優(yōu)化混凝土基本參數(shù)，得到機(jī)制砂清水混凝土的基準(zhǔn)配合比。
b.通過(guò)混凝土各項(xiàng)性能和表觀質(zhì)量試驗(yàn)，得到復(fù)合外加劑組分的最佳摻量：引氣劑0.2‰，減縮劑1.0%，增粘劑2.0‰；制備的C40機(jī)制砂清水混凝土，工作性能性好，強(qiáng)度高，耐久性優(yōu)異，外觀達(dá)到飾面效果。
c.微觀形貌試驗(yàn)表明，復(fù)合外加劑的摻入減少了微裂紋，改善了微孔結(jié)構(gòu)和C-S-H凝膠空間網(wǎng)絡(luò)的整體性，使混凝土宏觀上的勻質(zhì)性、抗裂性和耐久性等性能優(yōu)異。
