自密实混凝土黏度降低措施分析与探讨

碧浪晴空

收藏于 : 2022-01-14 22:44   被转藏 : 1       转藏到我的文章库

前言

混凝土的使用已有逾百年的时间。期间,无论从材料或技术角度,混凝土都经历了多次革新,并成为目前最主要的建筑材料。中国是当今混凝土生产和消费第一大国。据统计,2016年全国商品混凝土产量179200万立方米,增长7.4%[1]。消耗量的快速增长一定程度上反映出经济面的向好,但同样也给混凝土发展提出了诸多新课题。首先,天然河道砂资源走向枯竭是混凝土行业无法回避的棘手问题,机制砂的应用越来越广泛。其次,城市建设中大量超高、超深、超大建筑物的出现也对混凝土施工提出了不同以往技术要求,各种强度等级自密实混凝土的需求逐渐增大。随着问题和要求的不断积累,混凝土工作性能变差与施工需求不匹配的矛盾开始凸显,其中以自密实混凝土拌合物黏聚性过大,和易性差,导致施工困难,影响工程质量的问题尤为突出。如何在保证其高流动性的前提下,尽可能的降低拌合物黏度,是当前亟需解决的问题。一直以来针对这一问题,学术和工程界做了大量的研究工作,逐步提出了多种较为行之有效的措施,并在工程生产中加以应用,取得了很好效果。本文通过参阅近年来的相关文献资料,并结合笔者自身工作实际,概括总结了各类降低自密实混凝土黏度的方法,旨在为本领域的技术进步提供帮助。

1 自密实混凝土黏度的评价方法

在工程实际中,混凝土黏度一般指混凝土拌合物黏聚性,包括自卸或泵送时的流动度大小,和易性状态,以及自然摊平基面或填充异形结构的难易程度等指标。《混凝土质量控制标准》(GB50164-2011)中规定:“混凝土拌合物的稠度可采用坍落度、维勃稠度或扩展度表示。”其评价方法涵盖了各类型混凝土。自密实混凝土的粗骨料粒径通常在20mm以下,并且胶凝材料用量较高,其黏度对工作性能的影响更为明显,故要求对其的评价方法也应更细化和全面。《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T283-2012)中要求以坍落扩展度、扩展时间T500(同T50)和J环扩展度指标评价自密实混凝土的填充性和间隙通过性。《自密实混凝土应用技术规程》CECS203:2006中规定混凝土的自密实性能可采用坍落扩展度、V漏斗试验(或T50试验)和U型箱试验进行。在工程现场,还可以用混凝土坍落度筒倒坍时间(坍落度筒倒置后填满混凝土的排空时长)试验作为拌合物黏度的快速评判方法。此外,水泥凝结时间,粉煤灰的需水量比和水泥净浆剪切屈服应力等指标[2],也可以作为判断参考。这些试验的目的在于将不易准确描述的混凝土拌合物的黏度定量化,以便于直观判断。一般地,拌合物在非离析状态下,达成上述指标用时越少,或测量值越大,表明混凝土的黏度越适宜。

2 降低自密实混凝土高黏度的措施

自密实混凝土要求拌合物同时具备高流动性和高黏聚性,但黏聚性过高会大大降低其流动性。所以在保证混凝土工作性及强度的前提下,尽可能保持合适的拌合物黏度,是配制自密实混凝土基本要求。结合近年国内外学者的研究情况,归纳起来,目前较为公认的降低自密实混凝土黏度主要有优化混凝土配合比,添加超细粉料和使用具有降黏作用的化学外加剂3种措施。

2.1 优化混凝土配合比

2.1.1 合适的胶凝材料组分及用量

李方贤等[3]通过试验分析得出结论,他认为从材料组成上来分析,混凝土可以看成是以浆体为分散相、集料为固相的混合体,而分散相的浓度是影响体系流变性的重要因素之一,胶凝材料用量越大,分散相浓度越高,分散相粒子之间彼此更容易相互牵制,体系流动时推动分散相粒子所消耗的能量就更大,即塑性黏度相应增大;从微观上分析,随着胶凝材料用量增大,水化所形成的网状结构更易形成,结构更加紧凑,体系流动起来所需破坏网络结构的力就更大,即屈服应力更大。不同胶凝材料用量的自密实混凝土的塑性黏度(η)及屈服应力值(τ)变化见表1

    Hans-Wolf Reinhardt[4]研究则认为,借助于胶凝材料层厚度的模型参数不仅可以得到标准黏度测定的特征值,而且可以描述两个流变学参数,即屈服极限和塑性黏度。随着胶凝材料体积和砂浆体积的增加,新拌混凝土的性能有提高的趋势。在掺加石灰石粉及煤矸石粉煤灰的混凝土中,随着胶凝材料总体积的增加,混凝土的塑性黏度η,扩展时间T500,漏斗流出时间和阻滞性逐渐减小。而屈服极限τ和J环扩展度SF则大致呈现出先增后减的变化趋势。

崔世军等[5]认为在单掺掺和料时,混凝土的屈服应力均随胶凝材料中粉煤灰或矿粉的含量增加而减少,但混凝土的塑性黏度随胶凝材料中粉煤灰含量增加而增大,随胶凝材料中矿粉含量的增加而先增大后减少。说明提高胶凝材料中的粉煤灰或矿粉含量有利于提高混凝土的流动性能,但矿粉含量过高会降低混凝土的塑性黏度。

高小健等[6]研究表明,自密实混凝土的触变性能随粉煤灰掺量增加呈现出先变弱后增强的趋势,而混凝土的屈服剪切应力和塑性黏度随粉煤灰的掺量增加而逐渐减小。掺20%和掺30%矿渣粉的自密实混凝土的塑性黏度随时间呈减小趋势,而掺40%矿渣粉时拌合物的塑性黏度随着时间先增大后减小。掺石灰石粉使自密实混凝土的触变性能和屈服剪切应力均有所增大。掺5%石灰石粉的自密实混凝土的塑性黏度明显高于纯水泥拌合物,而掺10%15%石灰石粉对塑性黏度的影响不显著。

通过上述研究可见,胶凝材料用量与体系黏度基本成正比例关系,且在水泥中掺加粉煤灰和矿粉等对于改变自密实混凝土的流变参数,降低拌合物黏度有一定作用,但掺和料用量要依照黏度变化趋势由试验具体确定。

2.1.2 适当增大砂率

砂率是影响混凝土塑性黏度及抗离析泌水性能的重要指标。自密实混凝土根据水胶比的不同,砂率应做相应的调整,以保持拌合物同时具备高流态及适中的黏聚性。砂率太小,拌合物会出现离析泌水,板结抓底,导致无法使用。砂率过大,拌合物黏度显著提高,流速减慢,泵压升高,而且影响强度。

李惠[7]研究了设计水胶比为0.39的自密实混凝土不同砂率配合比对工作性的影响,结果见表2

其认为,砂率增大,骨料的总表面积和空隙率都会增大,当水泥浆数量一定时,包裹骨料的水泥浆厚度变薄,使拌和物流动性减小。砂率过小,粗骨料间缺少必要的砂浆层以减小其摩阻力,拌和物流动性也会降低,其至会降低拌和物的黏聚性和保水性,容易造成流浆和离析等现象。在自密实混凝土中,为满足其对工作性能的特殊要求,一般都具有较大的砂率。试验结果亦表明,砂率为51%时工作性能最优。

段化垒[8]考察砂率对自密实混凝土的工作性能的影响,试验中胶凝材料质量及砂、石总量恒定,只分别调整4组试验砂率为35%37%39%41%。其得到不同砂率下的自密实混凝土流变参数试验值见表3。由表3可见,随砂率增大,混凝土拌合物的屈服应力呈减小趋势,而塑性黏度的变化不大。T500和扩展度等其他指标变化说明随砂率增大,拌合物流动性能变好。但一旦超过砂率极限值,即39%41%增加时,各参数开始出现反向变化,表明砂率的增大已经开始增加拌合物黏度,砂率不宜继续增加。

2.1.3 选用级配及粒形良好的机制砂

在没有条件使用天然砂的情况下,要选用级配及粒形良好的机制砂配制自密实混凝土。因为,机制砂由各类石料破碎筛分得到,其粒形多为棱角结构,摩擦力较圆润的河砂要大,会显著降低混凝土的流动性。如级配不合理,集料间孔隙率过大,更会导致混凝土离析、泌浆、板结、抓底现象的发生。

刘义峰[9]系统地研究石灰岩、花岗岩及玄武岩等岩性机制砂与河砂在不同级配下的比表面积及砂浆流变参数。其试验结果表明:河砂、机制砂的比表面积均随着砂中细颗粒的减少粗颗粒的增加而逐渐减小,各级配条件下的河砂比表面积和砂浆屈服应力τ均小于机制砂。机制砂中1.18mm以上粗颗粒的比例接近40%时的砂浆屈服应力τ最小,而塑性黏度η与砂细度模数基本呈反向线性关系。这表明,集料颗粒越大其在砂浆中移动需要克服的阻力也越大,同时大粒径颗粒的增多导致大颗粒间的嵌锁增加,使得颗粒流动不畅,从而导致砂浆屈服应力的增大。而粗颗粒的增加使得集料的比表面积减小,单位质量集料对水的吸附量也逐渐减小,浆体中自由水增加,从而使砂浆黏度也随之降低。

2.2 添加超细粉料

在胶凝材料中加入矿物掺和料有很多优点,例如可降低水化热、减少开裂、促进后期强度增长等。在高强度等级自密实混凝土中,添加超细粉料可以显著改善拌合物的黏度。一般常见的超细粉料包括Ⅰ级粉煤灰、硅灰、玻化微珠、超细石灰石粉和石英粉等。

赵华磊等[10]研究了用不同比例的粉煤灰、超细石灰石粉和超细石英粉替代水泥后,混凝土倒坍时间的变化,从而反映出混凝土黏度的变化。结果表明,粉煤灰、超细石灰石粉以及超细石英粉在掺5%硅灰体系中的降黏效果显著低于掺25%超细矿粉体系。掺入10%粉煤灰、超细石灰石粉和超细石英粉替代等量水泥后,硅灰体系中倒坍时间分别缩短了5.50s2.90s5.25s,而超细矿粉体系中倒坍时间分别缩短了5.90s4.60s6.70s。复掺20%粉煤灰-超细石灰石粉和粉煤灰-超细石英粉在两种体系中的倒坍时间的降幅则分别为9.5s8.5s7.4s6.4s,可见硅灰体系的降黏效果更为显著。在两种体系中,粉煤灰分别与超细石灰石粉、超细石英粉双掺,达到3种掺和料复掺,对高强混凝土降黏效果更佳,硅灰体系的混凝土黏度又略低于超细矿粉体系。

袁启涛等[11]结合生产实际得到结论,表明特种超细矿物掺和料微珠能够应用于C50C55商品混凝土中,用量为30kg/m340kg/m3。等量取代水泥40kg/m3时,掺微珠混凝土较未掺微珠混凝土的配合比分别可降低40kg/m350kg/m3胶凝材料总量,且不但能降低混凝土的黏度,也可提高混凝土的强度。

高密实度是自密实混凝土的重要特征。一般情况下,普通硅酸盐水泥的比表面积通常小于350m2/kg,矿粉及Ⅰ级粉煤灰约400m2/kg左右,磨细矿粉比表面积可达700m2/kg800m2/kg,硅灰和玻璃微珠的比表面积高达20000m2/kg以上。比表面积增大意味着颗粒粒径的减小,小粒径的掺和料填充在水泥颗粒之间,起到微填充效应,如图1所示。超细掺和料的表面光滑,可起到“滚珠”的作用,释放水泥颗粒间多余水分的同时减小了摩擦力,浆体塑性黏度和屈服应力下降,拌合物的表观黏度降低[12,13]

    2.3 使用具有降黏作用的化学外加剂

如今,高性能自密实混凝土所要求的各项性能,绝大多数都需要依靠各类化学外加剂加以实现。传统的外加剂降黏方法主要是增加减水剂和引气剂掺量,但这两种方法各有弊端。聚羧酸减水剂的减水率大,对用水量敏感,盲目增加减水剂掺量极易导致泌水;添加引气剂可以降低自密实混凝土黏度,但会影响其容重和强度。目前,开发具有降黏作用的功能型化学外加剂是研究重点。

日本触媒株式会社于2004年申请了具有降低混凝土黏度的多羧酸外加剂专利[14]。该专利申请保护的外加剂结构包含了不饱和羧酸、丙烯酸烷基酯以及聚亚烷基二醇不饱和单体,合成产物具有丰富的侧链结构,可增加吸附层厚度,降低屈服应力。同时丙烯酸烷基酯具有疏水性,可在降黏方面发挥作用。D Hamada[15]开发出一种多支链结构的新型聚合物(NHBP型),NHBP型聚合物具有比传统聚羧酸系减水剂(PC)更丰富的接枝链,可使其在水泥颗粒表面上的吸附量更大,促使混凝土拌合物具备更优良的流变性能和施工黏度。传统PCNHBP的分子结构如图2所示。

    王毅等人[16]将不同聚醚侧链的甲基丙烯酸-聚乙二醇单甲醚酯大单体(MPEG)与二乙二醇单丁醚、马来酸酐(MA)合成样品,并分别测得各样品不同掺量下的溶液表面张力变化趋势,以此说明浆体流变性能的变化。结果表明,在相同条件下,用分子量分别为70020003000的酯化大单体MPEG16MAMPEG45MAMPEG67MA合成减水剂,表面张力值的下降幅度依次减小,对应的水泥净浆流动度依次下降,混凝土V型漏斗时间及T50值依次增大,表明短侧链结构更有利于降低混凝土浆体黏度。王绍华等人[17]对比了不同分子质量甲基烯丙基聚氧乙烯醚(TPEG)和烯丙基聚氧乙烯醚(HPEG)合成减水剂的砂浆性能。得出结论,砂浆V型漏斗流空时间排序为:TPEG-2400HPEG-2400TPEG-1200HPEG-1200,表明分子侧链短的HPEG更有利于混凝土降黏。进一步,以HPEG-1200和丙烯酸体系为例,分别引入功能性单体丙烯酸乙酯、丙烯酸羟乙酯和马来酸酐,其砂浆V型漏斗流空时间排序为:马来酸酐>丙烯酸羟乙酯>丙烯酸乙酯,表明丙烯酸乙酯对混凝土降黏具有更好的效果。霍志梅等人[18]使用侧链更短的HPEG-600聚醚与丙烯酸甲酯聚合,通过调整其他工艺参数,也合成出了具有降黏效果的聚羧酸减水剂,在W/B0.27的混凝土中使用,混凝土流变特性数值要优于常规侧链聚羧酸减水剂。其分析认为低黏型聚羧酸减水剂良好的流动性和低黏度归根结底要源于其结构本身,一方面由于其分子侧链较短,在水泥颗粒表面形成的水化膜厚度较薄,释放出较多的自由水;另一方面,在分子结构中引入了具有疏水性的酯键,降低了其亲水疏水平衡(HLB)值,HLB值降低后同样减少了聚羧酸系减水剂分子与水相结合生成结合水的可能性,释放出一定量的自由水。

方晨炜[19]通过在环氧丙烷(PO)嵌段环氧乙烷(EO)改性合成一系列EO/PO共聚醚大单体,并考察其性能。通过对比试验,发现减水剂样品HEPE-1EO/PO=42/58)的综合性能较为优异。之后分别测试了在0.07%0.09%0.11%掺量下,HEPE-1与普通EO聚醚减水剂HPC的水泥净浆流变曲线,分别如图3、图4所示。之后,将流变曲线数值进行赫谢尔-巴尔克来(Herschel-Bulkley)模型拟合,得到塑性黏度及屈服应力模拟结果见表4

可见在同掺量的条件下,掺HEPE-1的浆体的塑形黏度和屈服应力都要远远小于掺HPC的浆体,所以HEPE-1对水泥浆体的分散性能要优于HPC,说明PO嵌段改性聚醚减水剂相比于传统EO减水剂对混凝土黏度具有改善作用。

结束语

目前,自密实混凝土的降黏问题已越来越受到业内重视,研究十分活跃。在工程实际中,通过运用合理方法改善混凝土黏聚性,从而达到更好满足施工需求的工程实例比比皆是,例如北京CBD核心区“中国尊”项目主体、北京新机场工程地下连续桩、新建兴延高速及京张客专北京段基础墩身等工程,均不同程度应用了以上各类技术措施,在保证新拌混凝土和易性及填充密实度的同时,最大限度地降低了各强度等级自密实混凝土的黏度,极大的改善了拌合物的工作性和可泵性,为各项目的顺利实施提供了有力的保障。同时,通过总结也可发现从混凝土技术的发展来看,单纯通过优化自密实混凝土配合比设计,实现降黏,有时已经无法满足施工要求。其技术进步不但要以既有材料的稳定性为前提,更要依赖于新材料的开发和使用。工程实际亦表明,添加超细粉料和使用具有降黏作用的化学外加剂是更为有效的技术措施,这类技术措施的优点是原材料易得,掺加量小,调整方式灵活,更为符合当今混凝土技术的发展趋势,是今后自密实混凝土工作性优化的重点研究方向。参考文献(略)

来源:《混凝土世界》2017.11

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