摘要：研究了混凝土萘系高效减水剂中硫酸纳含量对混凝土的力学性能、氯离子渗透性能、碳化以及变形等方面性能的影响，并对相关的机理进行了分析。试验结果表明，适当增加混凝土萘系高效减水剂中硫酸纳含量可以改善水泥净浆的流动性，提高混凝土的抗压和抗折强度、抗氯离子渗透能力和抗碳化性能，但会对混凝土的收缩与变形性能产生不利影响。
关键词：减水剂；硫酸钠；变形；碳化；氯离子渗透性
0 前言
由于目前萘系高效减水剂的应用最为普遍，且品种又多，因此，其匀质性指标中硫酸纳含量存在较大的差异。通常硫酸盐作为一种早强剂而被掺入混凝土中，因而有必要研究萘系外加剂中硫酸纳含量对混凝土物理力学性能和耐久性的影响规律，从而控制外加剂中硫酸纳含量，达到确保及改善混凝土的各项性能的目的。
1 原材料及试验配合比
1.1 原材料
水泥：p.Ⅱ52.5，江南小野田公司产。
细集料：长江中砂，粒径0－5mm。
粗集料：石灰岩碎石，粒径5-10mm。
Na2S04：分析纯，通过它配制出不同硫酸纳含量的 5种复合荼系高效减水剂。
外加剂：JM-B茶系减水剂(粉剂)，江苏产，匀质性指标列于表1。
1.2 试验配合比
混凝土的设计强度等级为C4O，在固定外加剂JM-B掺量的前提下，再掺入一定量的分析纯Na2S04，使其含量分别达到外加剂质量的3%、6%、10%、15%和35%。表2列出了各混凝土试验配合比。
2 试验结果与分析
2.1 不同硫酸纳含量外加剂的表面张力
混凝土孔隙中的溶液会影响混凝土的凝结硬化过程及混凝土的各项性能间，其表面张力则是孔溶液的一个重要性质。无机盐的加入必然会改变孔溶液的表面张力和蒸汽压，从而影响到混凝土的塑性收缩、干燥收缩、早期开裂等性能。试验测试了硫酸纳对含外加剂JM-B的水溶液表面张力的影响，结果见表3。
由上述试验结果可见，随着外加剂中硫酸纳含量的增加，溶液的表面张力逐渐降低，但降低幅度不大。
2.2 硫酸纳含量对水泥净浆流动性的影响
疏酸纳含量对水泥净浆流动性影响的试验按GB8077-2000《混凝土外加剂勾质性试验方法》的规定进行，试验结果见表4。
由表4可看出水泥净浆流动度初始值随着硫酸纳含量增加的变化趋势，即先增大而后明显下降。在外加剂中硫酸纳含量达到10%时，初始流动度达到了最大值；而硫酸纳含量达到35%时，流动度仅为初始时的56%。测试0.5h和1h的浆体流动度，发现随着硫酸纳含量的增加，浆体流动度的经时损失也在不断增加。当外加剂中硫酸纳含量为35%时，初始流动度仅为113mm，放置0.5h后，降为65mm，降幅远大于前面4组。
在水泥浆体中加入硫酸纳，此电解质中的反离子将向水泥粒子周围的双电层扩散，压缩双电层，甚至可能使粒子表面电荷中和，从而降低水泥粒子间的静电排斥作用，破坏分散体系的稳定性，这将影响到水泥净浆的扩展度和流动性。
因此，上述试验结果证明了硫酸纳加入量过大，对混凝土坍落度的经时损失影响很大。
2.3 力学性能试验结果
按表2中配合比制备混凝土，成型试件并养护至规定龄期，按GB/T50081-2002规定进行力学性能试验，结果分别列于表5、表6。
由表5可以看出，混凝土的早期抗压强度值随外加剂中硫酸钠含量的增加而逐渐增大，相对增长值达125%。而对于28d抗压强度，硫酸纳含量在3%—10%时，随硫酸纳含量的增加而增加。当硫酸纳含量超过10%后，28d抗压强度值下降，但降幅不大。而对于后期强度(60d及90d)，当硫酸纳含量大于3%后，抗压强度随硫酸纳含量增加而下降的规律更加明显。
由表6可知，各组混凝土的早期抗折强度(3d、7d)随硫酸纳含量的增加而增加；但对于28d龄期，当硫酸纳含量大于10%时，抗折强度随硫酸纳掺量的加大而下降；对于90d龄期，这一规律更明显。硫酸纳含量超过6%时，抗折强度便明显下降。所有这些同样表明，硫酸纳含量过大将明显降低其后期强度。
2.4 干燥收缩性能试验
采用表2中配合比进行自由干缩试验，试验参照GBJ82-85标准进行，结果见表7。
由表7可以看出，在同一龄期下，随着硫酸纳含量的增加，干燥收缩值呈先增后降的趋势。14d之前，当硫酸钠含量为6%时，混凝土的干燥收缩值最大。在28d龄期及更长龄期，硫酸纳含量为10%时，混凝土的干操收缩值达到最大。
2.5 限制干缩开裂试验
试验参照CCES01-2004《混凝土耐久性设计与施工指南》中水泥及水泥基胶凝材料抗裂试验的方法进行。试件养护48h后拆模，测试开裂试件的裂缝宽度，试验结果见表8。
由表8可以看出，随着硫酸纳含量的增加，最大裂缝宽度呈现逐渐增大的趋势。硫酸纳含量为35%时，裂缝宽度达到最大值，且韧裂时间为1d，相对前三组，开裂时间提前了1d。
2.6 碳化试验
试验按照GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性实验方法》进行。试验中碳化环境为：CO2体积分数(20土3)%，相对温度(10±5)%，温度(20±5)℃。测试其 7d、14d、28d的碳化深度，试验结果见表9。
根据表9可以得出，随着硫酸纳含量的增长，混凝土的融化深度量先降低后增长的趋势。在28d时，硫酸钠铺含量为3%的混凝土碳化较快，碳化深度为20mm；而硫酸纳掺量为15%时，碳化深度最低，仅为9.1mm。由此可知，采用硫酸纳含量适当的混凝土外加剂对于提高混凝土的抗碳化性能是有利的。
2.7 氯离子渗透性试验
中国土木工程学会标准CCES01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中规定通过测定流过混凝土的电量或氯离子扩散系数来快速评价混凝土渗透性的高低。本文的试验结果列于表10。
由表10可以看出，各组混凝土的氯离子掺透性都在1000—2000范围内，均属低渗透性。虽然同在一个评价等级，但是电通量值还是有一定差别，电量值随硫酸纳含量的增加，呈现先降低后增长的趋势。在硫酸纳含量为10%时，通过的电量值最低，为1642C，说明硫酸纳含量在10%左右，混凝土抗氯离子渗透能力相对较强。
3 机理分析
3.1 混凝土力学性能的影响
试验中，5组混凝土的水灰比虽然保持一致，但由于硫酸纳的掺入会改变混凝土的泌水情况，同时硫酸纳对水泥的水化硬化具有激发增强作用，因此，抗压与抗折强度在一定范围内随硫酸纳掺量增加保持增长。
还有观点认为硫酸纳的早强作用是由于硫酸铺加入水中，可与Ca(OH)2反应生成分散度极高的CaS04•2H2O，它比水泥中石膏的比表面积大得多，所以可以和水泥中的铝酸钙迅速反应生成钙矾石，体积膨胀，使水泥石致密，从而提高了强度。
但在硫酸纳掺量过大，特别是在龄期较长时，由于后期生成过多钙矾石引起的体积不稳定，将会导致强度的倒缩现象，因此必须严格控制硫酸纳的掺量。
3.2 混凝土开裂性能的影响
当硫酸纳掺量过大时，容易大量、快速生成高硫型水化硫铝酸钙(钙矾石)而使混凝土膨胀，造成裂缝。
另一方面，硫酸纳的掺入会加速水泥的水化速度，迅速而集中的释放出大量的水化热，从而导致内部温度升高，由此造成较大的温度应力而导致裂缝。此外，硫酸纳的过量掺入，无疑增加了混凝土中的碱含量，加速了水泥浆体的水化、硬化及水分的损失，产生更大的约束应力，削弱了浆体的抗裂能力。
3.3 混凝土耐久性的影响
混凝土耐久性多表现为长期性能，且耐久性与混凝土密实性密切相关。因此，影响耐久性的机理与上述的长期力学性能及密实性的影响机理是一致的。
4 结论
(1)随着外加剂中硫酸纳含量增加，溶液的表面张力逐渐降低，但降幅不大。
(2)硫酸纳的掺量在一定范围(3%—19%)内可提高水泥浆体的流动性，如超出这一范围，继续增大硫酸纳掺量，流动性会急剧下降，且经时损失也随之增大。
(3)在减水剂掺量一定的前提下，掺入硫酸纳，可以提高混凝土的早期强度，但28d以后的强度增长率降低。
(4)混凝土随着硫酸纳含量的增加，其早期干燥收缩率明显增大；28d时硫酸纳含量对混凝土的干燥收缩率的影响各不相同。其中，硫酸纳含量为10%时，混凝土的干燥收缩值达到最大。90d时的影响规律与28d时的相近。
(5)混凝土的开裂性随疏酸纳掺量的增加而逐渐加大，且裂缝宽度呈增大趋势。
(6)硫酸纳含量在较低的范围内增加时，可提高混凝土抗碳化和抗氯离子渗透的能力。
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作者：东南大学材料科学与工程学院 崔东霞 秦鸿根 郭伟
江苏省高速公路建设指挥部 潘卫育 杨毅文
苏州混凝土水泥制品研究院 崔东霞
