浅谈硫酸钠在混凝土中的应用

浅谈硫酸钠在混凝土中的应用

马永胜1，候庆亮1，于飞2

（1. 哈尔滨佳连混凝土技术开发有限公司，黑龙江 哈尔滨 150076；2. 大元建材科技股份有限公司，河北 沧州 061724）

［摘 要］随着预拌混凝土的飞速发展，混凝土外加剂被广泛的应用到混凝土中。本文通过一系列的试验，以及笔者在工程中应用硫酸钠时，遇到的案例、问题，与大家共同探讨关于硫酸钠在混凝土中应用的利弊。

［关键词］硫酸钠；强度；工作性；耐久性

0 引言

硫酸钠常被称作元明粉，是工程中常用的早强剂，同时又是复配泵送剂时比较常见的早强组份。本文将硫酸钠统一称为“元明粉”。笔者认为在混凝土中元明粉的作用不只有早强，并长期将元明粉作为调节混凝土外加剂与其他材料相容性的保坍组份。

本文将通过强度对比试验、混凝土坍落度经时损失试验、以及一些案例来分析元明粉在不同使用条件下对混凝土各项性能的影响。

1 元明粉对混凝土强度的影响

1.1.1 原材料

（1）水泥，P·O42.5水泥，其性能指标见表1。

表1 水泥复检性能指标

比表面积(m2/kg)水量(%)安定性 凝结时间(min) 抗压强度(MPa)初凝 终凝 3d 28d标稠用380 27.0 合格 150 270 22.0 45.8

（2）粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，其性能指标见表2。

表2 粉煤灰复检性能指标 %

细度 需水量比 烧失量 含水量 三氧化硫含量游离氧化钙含量13 104 1.2 0.3 0.5 0.3

（3）粗骨料：碎石，5～25mm 连续级配，其性能指标见表3。

表3 碎石复检性能指标 %

针片状颗粒含量 含泥量 泥块含量 压碎指标 坚固性1.0 0.5 0.3 3.0 2.0

（4）细骨料：天然砂，其性能指标见表4。

表4 细骨料复检性能指标

颗粒级配 细度模数 含泥量(%)泥块含量(%) Cl 含量(%)坚固性(%)Ⅱ区 2.4 1.7 0.1 0.01 2.2

（5）泵送剂，其性能指标见表5。

表5 混凝土泵送剂复检性能指标

减水率(%)凝结时间差(min)1小时经时变化量(mm)抗压强度比(%) 泌水率比(%) 7d 28d 18 [phone]

（6）元明粉，其性能指标见表6。

表6 元明粉性能指标

硫酸钠含量(%)凝结时间差(min)收缩率比(%)抗压强度比(%) 泌水率比(%) 1d 3d 7d 28d 99.0 [phone] 100 70

1.2 试验方法

按 GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》依次将不同元明粉掺量的混凝土进行成型试验。试拌量不小于 25L，每组试样龄期为 3d、7d、28d、60d。混凝土配合比见表7。

所有混凝土试验使用的原材料为同一厂家、同一批次。混凝土配合比除元明粉掺量外，其它相同。混凝土标记为 A-C30-200（S4)-GB/T14902。

表7 对比试验配合比 k g/m3

水泥 粉煤灰 砂 石 水 外加剂 元明粉掺量(%) 300 70 750 1090 185 10.5/2.8% 0～2.5

1.3 试验数据（表8 ）

表8 对比试验强度数据

元明粉掺量(%)抗压强度(MPa) 3d 7d 28d 60d 14.5 21.2 36.4 46.3.5 16.2 22.3 37.5 45.81.0 18.2 25.2 36.5 43.21.5 18.6 27.3 35.7 43.12.0 19.0 28.8 34.9 41.22.5 19.1 29.0 33.5 39.3

通过表8 可以看出，当元明粉掺量为.5%～1.0%时，混凝土的 3d 强度、7d 强度有显著提高。但发现当元明粉掺量提高到1.5%～2.0% 时，混凝土早期强度的增长趋于平缓。而2.5% 掺量较2.0% 掺量，混凝土强度增长则不明显。

28d 龄期中当元明粉掺量为.5%～1.0% 时，与不掺元明粉的混凝土差异不大，当元明粉掺量为1.5%～2.0% 时强度要低于没掺元明粉的混凝土。当掺量提高到2.5% 时较未掺元明粉的混凝土强度下降明显。

60d 龄期中可以发现掺加元明粉的混凝土较之没有掺加元明粉的混凝土，强度均有不同程度的下降，且元明粉掺量越高，强度下降的越明显。

元明粉加入混凝土后与水泥水化生成的氢氧化钙反应，生成硫酸钙，硫酸钙与 C3A 反应形成一定量的钙矾石。并且由于硫酸钠的加入，Ca(OH)2浓度降低，硅酸三钙的水化速度增加，所以混凝土的早期强度有所增加，但因为元明粉的加入以及掺量不断的提高，混凝土中早期水化的产物生成速度过快，导致混凝土中的胶凝材料浆体结构不均匀，影响混凝土后期强度的发展。

所以元明粉作为早强剂掺入混凝土时，0.5%～1.5%的掺量对混凝土早期强度有明显提高，并且对后期强度影响不大。

2 元明粉对混凝土工作性的影响

2.1 试验方法

试验步骤依据 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中稠度试验进行检测，记录混凝土初始坍落度以及 30min、60min 后坍落度的变化，其中混凝土试验中所用原材料与本文强度试验相同，配合比参照表7 ，除元明粉掺量外其它相同。试验温度20℃、湿度 55%。

2.2 试验数据（表9）

通过表9的数据可以看出，随着元明粉掺量的增加，混凝土的初始坍落度变小，坍落度损失变大。并且当元明粉掺量达到1.5%～2% 时，急剧加大了混凝土的坍落度损失。

表9 不同元明粉掺量坍落度及坍落度损失

编号 元明粉掺量( % )坍落度( m m ) 经时损失( m m )初始 3m i n 6m i n1 0 21 21 19 -202 0 .5 21 21 19 -203 1 21 2 18 -304 1.5 19 18 15 -405 2 18 16 13 -5

掺入元明粉之后，对混凝土的工作性有很大的影响，从混凝土坍落度及坍落度损失来看，元明粉掺量不宜超过1%。

那么是否所有的混凝土在加入元明粉后，对混凝土的工作性都是负作用呢？笔者认为不然。元明粉加入混凝土中除了早强作用之外，还有其他的功效，在调整外加剂与原材料相容性的时候，有时会遇到一种较难调整的水泥，水泥中三氧化硫掺量较低，或者水泥中的石膏溶解度有问题，那么往往混凝土的坍落度损失较大，使用常用的缓凝剂不能保证混凝土坍落度经时损失，甚至往往在混凝土出机后5分钟到10分钟的时间内失去工作性。

下面以同样的试验方法、同样的配合比、同样的试验条件，换用另外一个厂家的水泥进行试验，观察掺入不同掺量元明粉的混凝土初始坍落度与混凝土坍落度损失，结果见表10。

表10 不同元明粉掺量坍落度及坍落度损失

编号 元明粉掺量(%)坍落度(mm) 经时损失(mm)初始 30min 60min1 0 210 170 160 -502 0.5 210 210 200 -103 1 210 200 195 -154 1.5 205 190 175 -305 2 200 170 170 -30

图1和2分别为 60min 后坍落度最大和最小的两组试样的状态对比图。

图1 编号2试验 60mim

图2 编号1试验6mi n

通过表10与图2可以看到，编号1的混凝土坍落度经时损失比较大，60min 后混凝土表面发涩，失去流态也就是常说的“灰死了”，表面的浆体较少工作性较差。

而编号2、编号3的混凝土经时损失很小，60min后混凝土的流态依旧很好，浆体表面游离水充足，说明对于此厂家的水泥，在调整外加剂相容性方面，元明粉起到积极的作用。

当元明粉掺量提高到1.5%～2% 时，编号4、编号5的混凝土较编号2、编号3的混凝土的初始坍落度变小，坍落度经时损失变大，并且混凝土浆体粘度变大，游离水变少。

这说明当元明粉掺量为.5%～1% 时，调整外加剂与原材料相容性的效果已经达到，而多余的元明粉此时对于混凝土保坍来说起到的是反作用。

3 作用机理

元明粉作为粉态外加剂加入混凝土时，自身会吸附一定量的水，同时元明粉掺量的提高会使得混凝土中的碱含量增加，加速水泥水化，所以随着元明粉掺量的提高，混凝土的初始坍落度下降，混凝土坍落度经时损失变大。

在欠硫化的水泥中则不然，由于水泥中的可溶性SO3不足或者石膏的溶解度不够，不得不向混凝土里补入一定的硫酸根离子，去抑制氯酸三钙对外加剂的吸附。

在补硫的时候，元明粉可以用硫代硫酸盐或其他的硫酸盐组分替代，但往往发现有时候用元明粉可以控制混凝土的坍落度损失，但用其他硫酸盐则不可以，其实这种情况元明粉的作用就并非只有补硫了，笔者认为元明粉在与水泥反应后会形成一层钙膜，而这种钙膜对水泥中的氯酸三钙、铁铝酸四钙吸附外加剂有一定的阻碍作用，此时硫酸钠的形态必须是粉态，而且要先于外加剂与水泥接触。

4 工程中应用元明粉时常见问题

4.1 混凝土表面盐析

混凝土中加入元明粉，如果使用的不恰当，混凝土表面很容易出现盐析，这是因为元明粉在与水泥反应时，钠离子不与水化物反应，很多都残留在混凝土的表面，所以出现了盐析，影响混凝土表面的观感（见图3～5）。

使元明粉产生盐析现象的因素有以下几种：

4.1.1 元明粉掺量

通过多组现场实例的对比，当元明粉掺量为.5%以下时，混凝土盐析现象较少。当元明粉掺量超过1%时，混凝土盐析的现象比较多，当元明粉掺量达到2%时混凝土盐析现象很严重。

图3 剪力墙出现盐析

图4 混凝土楼板出现盐析

图5 混凝土板结泌水表面盐析严重

4.1.2 混凝土和易性差

当混凝土拌合物出现板结、泌水时，混凝土表面更容易出现盐析的现象，并且裸露的骨料表面会出现白色粉末。当混凝土出现泌水时，部分未反应的元明粉会上浮到表面，当混凝土表面失水后析出。

4.1.3 混凝土失水速度快

通过对多个现场的观察与比对，湿养护工作做得比较好的混凝土盐析现象很少出现，而混凝土不采取原浆覆盖或过早拆模的混凝土盐析现象较严重。图3的混凝土拆模时间为 24h，并且当天平均温度为10℃，混凝土没有达到一定的强度过早失水，导致表面出现盐析现象。

4.2 元明粉结块

2016 年绥化市某棚改工程，二层梁板中发现白色块状物体将混凝土表面胀裂，经查实是由于拌合站工人在投放元明粉时将受潮带有结块的元明粉投入混凝土中。带有结块的元明粉在混凝土搅拌过程中并未完全搅拌开，而是以块状的形态出现混凝土中，而元明粉与水泥反应后，局部产生较大的体积膨胀，最终将混凝土表面胀裂，影响混凝土质量。

有结块的粉态外加剂应禁止用于混凝土中，在粉态外加剂投放之前可进行筛分，并且使用粉态外加剂时应延长混凝土的搅拌时间，提高混凝土的均匀性。

4.3 元明粉对混凝土裂缝的影响

在同一配合比、同一批次原材料、同一工程、同一天浇筑、同一施工工艺的前提下，分别采用～2% 不同元明粉掺量的混凝土浇筑混凝土楼板。为排除钢筋影响混凝土开裂的因素，其中掺量为～1% 时采取隔条覆盖的养护方法，即覆盖一条、空出一条。浇筑日期为 2016年6月，浇筑平均温度为 25℃，风力到达4～5级。后检查混凝土开裂情况，见表 11和图6～11。

表11 不同掺量下混凝土开裂情况

元明粉掺量(%) 湿养护开裂情况 未养护混凝土开裂情况楼板表面 楼板底面 楼板表面 楼板底面0无裂缝出现 无裂缝出现 不规则裂缝，裂缝宽度约.1mm 无裂缝出现0.5 无裂缝出现 无裂缝出现 裂缝宽度.2～0.3mm 无裂缝出现1无裂缝出现 无裂缝出现 裂缝宽度.3mm 裂缝数量较多 局部有贯穿裂缝，伴有渗水现象2无裂缝出现 无裂缝出现 裂缝宽度.3mm 最大裂缝可达.4mm 裂缝 楼板有贯穿裂缝，混凝土渗水严重

图6 0.5% 掺量湿养护混凝土开裂情况

图7 1% 掺量湿养护混凝土开裂情况

图8 2% 掺量湿养护混凝土开裂情况

图9 2% 掺量未养护

图10 0% 掺量未养护

图11 2% 元明粉掺量的混凝土拆除底模

通过对比试验来看，首先在同样采取原浆覆盖的混凝土，无论是否掺入元明粉，混凝土都未出现开裂。而在没有进行湿养护的混凝土中，其中掺入元明粉的混凝土的裂缝明显更多，且裂缝宽度更宽。这么来看开裂的原因并不是混凝土加入了元明粉，而是混凝土的早期失水收缩导致的。但不可否认的是，在混凝土同样未养护的情况下，掺入元明粉的混凝土裂缝更多，裂缝宽度更大，这是因为元明粉的加入促进了 C3S 的水化，增加了混凝土的失水速度，而混凝土初期自身的抗拉强度不足以抵抗混凝土失水造成的收缩应力，混凝土则出现了开裂。由于混凝土开裂的时间更早，空气进入混凝土内部进一步加剧了混凝土的干燥收缩，形成了贯穿裂缝。同时元明粉呈碱性，加入混凝土后造成混凝土碱含量的提高，增加了混凝土自身收缩，加快了水泥水化的放热速度，与外界的温差较大时，造成了温度应力裂缝。

5 结论

元明粉在混凝土工程中作为早强剂对混凝土的早期强度有明显的提高，同时在某种情况下调整外加剂相容性时，起到了良好积极的作用，但在使用元明粉时应注意，为避免对混凝土后期强度的影响，应找到最适合的掺量。同时在使用元明粉时，应特别注意混凝土的湿养护，反之若现场不具备混凝土养护的条件，则需要慎用元明粉。

每一种外加剂对混凝土各方面性能均有利弊。 所以在使用每种外加剂前，更有必要经过大量的试验才可进行应用。只有扬长避短才能配制出优质的混凝土。

［作者简介］马永胜（1974—），男，硕士，高级工程师。

［通讯地址］哈尔滨佳连混凝土技术开发有限公司（150076）