劉國強,李 岳

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州新區(qū) 730207；2.甘肅祁連山水泥集團股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

人類進(jìn)入工業(yè)化時代后，以CO2為主的溫室氣體排放不斷增加，氣候問題逐年凸顯.控制碳排放以減緩全球氣候變暖，成為人類不得不面對的問題.調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展清潔能源，降低工業(yè)、建筑業(yè)、交通業(yè)碳排放，提高生物碳吸收，是減少碳排放的主要舉措.

混凝土是現(xiàn)代社會中使用量極大的建筑材料.統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2011年我國水泥年產(chǎn)量為20.99億噸，預(yù)拌混凝土年產(chǎn)量7.43億m3.到2021年，水泥年產(chǎn)量23.8億噸，預(yù)拌混凝土年產(chǎn)量32.93億m3，分別增長了13.39%和343.20%[1-3].按每方混凝土使用330 kg水泥的均量來計算，2021年混凝土消耗水泥量約為10.87億噸.生產(chǎn)1噸水泥大約排放0.86噸CO2[4-5]，因此，2021年我國因使用混凝土而排放的CO2量為9.35億噸，占全球工業(yè)CO2排放量364億噸[6]的2.57%.如何保證經(jīng)濟發(fā)展的同時減少CO2排放量，實現(xiàn)綠色發(fā)展是急需解決的問題.混凝土拌制過程中，在保證強度等工程性能前提下，如果能減少水泥的用量，無疑能夠減少CO2排放量.

減膠劑可以有效分散混凝土漿體中的集聚體，提高膠凝材料利用率，減少單方混凝土水泥用量，實現(xiàn)減少碳排放的目的.本試驗將從使用減膠劑后混凝土力學(xué)性能表現(xiàn)及試件微觀結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行探討，試圖闡明減膠劑的使用對混凝土力學(xué)性能影響及其碳減排方面做出的貢獻(xiàn).

1 材料及方法

1.1 試驗原材料

1.1.1 水泥

水泥采用甘肅祁連山水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5，密度3.05 g/cm3，其化學(xué)組成如表1所示.

表2為水泥性能指標(biāo)，未列舉指標(biāo)均滿足《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007規(guī)范要求.

表1 原料化學(xué)組成(%)

表2 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 摻合料

試驗所用Ⅱ級粉煤灰選自蘭州某熱電廠，密度1.87 g/cm3，其化學(xué)組成如表1所示，主要性能指標(biāo)如表3所示.

表3 粉煤灰主要性能

1.1.3 骨料

本試驗所用粗集料為碎石，采用連續(xù)級配，如表4，含泥量0.4%，表觀密度2640 kg/m3.細(xì)集料為一般河沙，細(xì)度模數(shù)2.4，如表5，表觀密度2660 kg/m3.其余各項指標(biāo)均滿足《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ52-2006要求.

表4 碎石粗集料級配 表5 細(xì)集料天然砂的級配

1.1.4 減水劑

本試驗采用標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸系高性能減水劑，減水率33%，固含量35.25%，氯離子含量0.046%，其他指標(biāo)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求.

1.1.5 減膠劑

市場有各具特色的多種類型減膠劑，TL型減膠劑為筆者科研團隊自行研發(fā)，與市售大多數(shù)減水劑適應(yīng)性良好，其為略帶黃色透明液體，含高活性有機物，pH值10.0，推薦摻量為膠凝材料的0.6%～0.8%.

1.1.6 水

試驗用水采用自來水.

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗配合比

依據(jù)JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》之標(biāo)準(zhǔn)，通過與本地大型商混站化驗室溝通，采用其實際生產(chǎn)所用C30混凝土配合比，如表6所示.本配合比膠凝材料用量392kg/m3，水膠比0.4，砂率32%，采用單一礦物摻合料，摻加量17%.減膠劑摻加量固定為3.0kg/m3，減少膠凝材料主要減少水泥用量，礦物摻合料量保持不變，減少水泥用量分別為15kg/m3、20kg/m3、25kg/m3，對應(yīng)試樣編號分別為A1、A2、A3.

表6 混凝土實驗配合比(kg/m3)

1.2.2 試驗方法

本試驗混凝土的拌制、養(yǎng)護(hù)及其力學(xué)性能測試均嚴(yán)格按照GB/T50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的方法進(jìn)行.微觀形貌測定選用日本日立公司TM3000掃描電子顯微鏡，取達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期混凝土試件的內(nèi)部試樣，置于無水乙醇中終止水化，在40℃條件下干燥后，進(jìn)行微觀形貌觀察和分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 加減膠劑后混凝土強度的變化

在工程實際使用配合比(編號A0)基礎(chǔ)上，通過添加減膠劑，測試不同水泥減少量的情況下，混凝土3 d、28 d的抗壓強度，結(jié)果如圖1(a)所示.A1代表減少水泥15kg/m3，A2減少水泥20kg/m3，A3減少水泥25kg/m3.通過強度測試結(jié)果可以看出，添加減膠劑后，雖然水泥量減少了，但不同齡期混凝土強度均有所上升，其中減少水泥20kg/m3的A2試樣，強度上升最多.通過與基準(zhǔn)樣進(jìn)行比較可見，A2試樣水泥減少率為膠凝材料總量的5.1%，3 d強度上升43.74%，28 d強度上升26.53%.即使水泥減少量最多的A3組試樣，28 d強度仍然增長了13.85%，如圖1(b)所示.說明要達(dá)到與基準(zhǔn)試樣相同強度，配合比中水泥用量仍然有下降空間.需要說明的是，由于采用工程實際配合比，實測強度與混凝土標(biāo)號偏離較大，原因可能是工程實際出于安全考慮及施工因素的影響，強度富余系數(shù)較高，實驗室養(yǎng)護(hù)環(huán)境及操作規(guī)范程度較高等因素所致.

圖1 不同減膠量下混凝土抗壓強度及強度變化率

2.2 加減膠劑后混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

材料的微觀結(jié)構(gòu)對其宏觀性能起著決定性作用，掃描電鏡以很高的分辨率對混凝土材料進(jìn)行微觀形貌的觀察，以確定其組成及各組成部分間的結(jié)構(gòu).

圖2顯示A0組與A2組混凝土試件微觀形貌.未加減膠劑混凝土試件3 d水化程度較低，針棒狀鈣礬石大量存在，少量出現(xiàn)Ca(OH)2，生成的水化產(chǎn)物松散，見圖2(a).添加減膠劑后，試件內(nèi)部水化產(chǎn)物量增多，C-S-H凝膠量明顯增多，水化產(chǎn)物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)搭接較為完善，見圖2(b).水化28 d的SME圖能夠更加清晰的展現(xiàn)，未加減膠劑試樣中，存在較多未水化水泥顆粒，同時空隙率較高，見圖2(c).添加減膠劑后，水泥顆粒水化率提高，結(jié)晶程度較高的Ca(OH)2及微晶粒交叉連生的C-S-H凝膠，加上減膠劑與Ca(OH)2反應(yīng)生成的二次水化產(chǎn)物，填充于混凝土內(nèi)部毛細(xì)微孔，形成更加致密的結(jié)構(gòu)，見圖2(d)，強度得以提升.

圖2 不同齡期混凝土SEM形貌圖

水化過程中因為水泥顆粒所帶電荷原因，容易形成絮凝狀結(jié)構(gòu)(圖3)，阻礙部分自由水參與水化反應(yīng)[7-8].由于水化不完全，大量未水化水泥顆粒在混凝土中僅起到微集料作用[9-11]，強度并未發(fā)揮出來.本試驗所用減膠劑是一種高效分散劑，能夠減少絮凝效應(yīng)，同時調(diào)節(jié)水泥漿體內(nèi)部pH值，促進(jìn)水泥熟料中各礦物的水化，加快水化產(chǎn)物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，實現(xiàn)在較低膠凝材料用量情況下，強度不降反增.

有商砼生產(chǎn)企業(yè)擔(dān)心，減膠劑加入是否會給混凝土長期性能帶來不利影響.首先，本試驗所采用TL型減膠劑本身不含氯離子，且自身pH值10.0，因此不會對混凝土及鋼筋的侵蝕造成不利影響.其次，加入減膠劑后，雖然水泥用量減少了，但仍然符合《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ55-2011、《地下防水工程質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50028-2011、《建筑工程冬季施工規(guī)程》JGJ/T104-2011等建筑工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對最低水泥用量的限定[12].且根據(jù)微觀形貌觀察，減膠劑的加入，會使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，減弱侵蝕的發(fā)生.最后，過往的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，大都制定于10年前，而我國建材行業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，技術(shù)及管理水平飛速發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提升，富余強度普遍較高.根據(jù)國內(nèi)外專家對水泥水化研究結(jié)果看，混凝土中約有20%左右水泥顆粒長期不能水化[13-15]，加入減膠劑后，利用其強分散性，提高水泥顆粒水化程度，提高其利用率，從而能夠保證在較少膠凝材料用量下強度達(dá)到設(shè)計要求.即使加入減膠劑，也不是水泥顆粒100%完全水化，仍然有部分水泥顆粒在構(gòu)筑物長期服役過程中會持續(xù)水化，不斷補充因各種侵蝕導(dǎo)致的強度損失，從而保證混凝土長期工作性能.

2.3 減膠劑對碳減排貢獻(xiàn)的測算

建材行業(yè)作為CO2排放大戶，可以充分挖掘材料內(nèi)部潛能，減少材料浪費，助力雙碳目標(biāo)的實現(xiàn).

混凝土中加入減膠劑，在保證強度、滿足設(shè)計要求的前提下，保守估計每方混凝土可以減少水泥用量20kg，減少CO2排放17.2kg.按照2021年我國全年混凝土使用量計算，采用此項技術(shù)，全年可減少CO2排放0.566億噸，占全球工業(yè)CO2排放量的0.15%.由此可見，小技術(shù)可產(chǎn)生大效應(yīng)，應(yīng)加以推廣使用.

圖3 水泥顆粒絮凝狀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

減膠劑又稱為增效劑，約十年前出現(xiàn)于市面，引起業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注.本試驗從混凝土試件外在力學(xué)性能表現(xiàn)及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)觀察表明，使用減膠劑，改善漿體集聚性，增加水泥水化率，可以在減少膠凝材料使用量的同時，使強度得到一定的提高.新時代“雙碳”目標(biāo)是大勢所趨，開發(fā)利用新材料，實施全面節(jié)約戰(zhàn)略，提高投入產(chǎn)出效率，創(chuàng)造綠色低碳生活方式將成為主流，減膠劑的使用，亦可以起到減少CO2排放的作用.建材行業(yè)，可以在尊重科學(xué)試驗結(jié)果，依據(jù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，大膽推廣使用新技術(shù)、新材料.