非萘系減水劑和復(fù)合超細(xì)粉對高性能混凝土滲透性的影響
2006-05-19 00:00
摘要： 使用非萘系高效減水劑和復(fù)合超細(xì)粉體配制的高性能混凝土具有較好的流動性、抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性。混凝土的擴(kuò)展度達(dá)22cm以上，在2小時內(nèi)坍落度損失少于3cm，可以滿足遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，混凝土28d的抗壓強(qiáng)度達(dá)60MPa以上。測定的Cl- 擴(kuò)散系數(shù)及通過的電量說明了使用非萘系減水劑和復(fù)合超細(xì)粉體配制的混凝土具有較好的耐久性能。
關(guān)鍵詞： 非萘系高效減水劑； 低坍落度損失； Cl- 擴(kuò)散系數(shù)； 復(fù)合超細(xì)粉體
在混凝土中摻加一定量適宜的減水劑，可以改善混凝土的流動性，提高混凝土的強(qiáng)度，使混凝土具有良好的泵送性； 節(jié)約單方混凝土水泥用量，從而降低能源和資源消耗?；炷翜p水劑在我國建筑業(yè)得到了快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，其中萘系磺酸鹽甲醛縮合物類高效減水劑、三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物類高效減水劑、木質(zhì)素磺酸鹽減水劑、糖鈣減水劑等在我國使用量較高。這些減水劑基本上能夠滿足現(xiàn)場攪拌、施工的需要，但對于夏季氣溫較高的南方地區(qū)、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)纳唐坊炷?，存在著坍落度損失大、后期流動度小的缺陷，影響建筑物施工質(zhì)量，導(dǎo)致混凝土的耐久性不良，縮短了建筑物的使用壽命[ 1 - 3 ] 。
進(jìn)入21世紀(jì)，混凝土的生態(tài)環(huán)境化、高強(qiáng)耐久化、輕質(zhì)多功能化將成為混凝土發(fā)展趨向，上述缺陷就必須克服。要解決這些問題，需要根據(jù)不同的情況，采用不同的方法，通過改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)而使其獲得高性能化在目前還是比較重要、現(xiàn)實(shí)的方法之一。如：
(1) 控制混凝土的單方用水量?；炷恋膯畏接盟繉炷恋男阅苡绊懞艽?。在日本以及歐美等國家，水泥用量可保持在500kg/m3 ，坍落度保持在200mm以上，混凝土的水灰比控制在0.25以下，完全能滿足施工要求，已應(yīng)用于高層建筑、大跨度工程、海上采油平臺等工程，優(yōu)勢十分明顯。控制混凝土的水灰比對控制混凝土的收縮開裂[ 4 ] 、提高混凝土的抗?jié)B性與耐久性、混凝土的強(qiáng)度等十分有利。日本對混凝土的單方用水量進(jìn)行了嚴(yán)格控制，按照日本建筑學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)JASS5 規(guī)定[ 5 ] ，普通混凝土單方用水量不超過185kg/m3 ，高耐久性混凝土單方用水量不超過175kg/m3。本研究參考JASS5規(guī)定，選擇用水量在175kg/m3 以下，以保證混凝土具有較高的耐久性。
(2) 粉體的應(yīng)用。采用工業(yè)廢渣超細(xì)粉，在不損害混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)(孔結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、水化物結(jié)構(gòu)等) 發(fā)展和耐久性的前提下可減少30% ～50%水泥用量，減少了CO2 的排放量，降低了能耗和資源消耗[ 6 ] ； 而且這些活性的細(xì)摻合料含有大量穩(wěn)定的硅、鋁氧化物的火山灰質(zhì)材料，能夠填充混凝土中的毛細(xì)孔及其他孔隙，提高了混凝土的保水性能和抗?jié)B性能； 混凝土的初、終凝時間推遲了1h～2h，工作性能保持良好，有利于混凝土的泵送施工； 降低了混凝土水化熱，可有效地控制混凝土的溫度收縮裂縫。針對不同的使用環(huán)境與條件，選擇適當(dāng)品種的礦物質(zhì)粉體復(fù)合物，取代混凝土中的部分水泥，可以提高混凝土的膠結(jié)黏度，降低新拌混凝土的泌水，減少離析與分層，克服單摻粉體的缺陷，從而使硬化混凝土的結(jié)構(gòu)均勻，耐久性提高，壽命延長[ 7 ] 。水膠比W /B為014的硅酸鹽水泥混凝土(基準(zhǔn)混凝土) 的Cl- 擴(kuò)散系數(shù)約為218 ×10- 12m2 / s； 在相同的水膠比(W /B = 0.4) 情況下，用比表面積500m2 /kg的磨細(xì)礦渣取代30%水泥，混凝土的Cl- 擴(kuò)散系數(shù)約為1.4×10- 12m2 / s。由此可見，通過粉體技術(shù)，可使Cl- 擴(kuò)散系數(shù)大幅度下降[ 8 ] ，耐久性明顯提高。
(3) 減水劑的選用。減水劑對水泥具有較高的分散性，能大幅度降低單方混凝土的用水量，控制混凝土的坍落度，方便施工； 可以提高混凝土的耐久性，延長建筑物的使用年限； 減水劑可以吸附在膠凝材料粒子的表面，形成各種各樣的形態(tài)； 另一方面在水泥的水化反應(yīng)過程中，對水泥漿體系中的粒子進(jìn)一步活化與分散，阻止水泥漿的團(tuán)聚，防止坍落度損失，保持水泥的分散能力。因此，選擇減水劑應(yīng)從高的減水率、良好的分散及控制坍落度損失、較低的含堿量、較低的價格而且具有較好的耐久性、不污染環(huán)境等多方面來綜合考慮。
高性能非萘系減水劑可顯著降低混凝土的水灰比，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，耐久性提高； 復(fù)合超細(xì)粉體在早期物理填充作用和后期活化作用的疊加特性使混凝土完全滿足現(xiàn)代建筑要求，基本上解決了萘系減水劑所配制的商品混凝土坍落度損失大、裂縫嚴(yán)重、耐久性不良等缺陷，且造價低，減水率高，應(yīng)用前景好。
1 原材料及試驗(yàn)方法
1.1 原材料
水泥： 江蘇某水泥廠生產(chǎn)的42.5硅酸鹽水泥； 3天抗壓強(qiáng)度31.6MPa，抗折強(qiáng)度6.15MPa； 28 天抗壓強(qiáng)度64.0MPa，抗折強(qiáng)度8.35MPa。
粉體： 1#粉煤灰+沸石粉( FA +NZ) ； 2#礦渣粉+粉煤灰( SG + FA) ，比表面積為500～550m3 /kg。
骨料： 砂子為中砂，細(xì)度模數(shù)2.9，比重2.58，容重1510kg/m3 ，含泥量< 2.4%。碎石為5～30mm的花崗巖碎石，比重2.58，容重1390kg/m3 ，壓碎值12.5% ，含泥量< 2.0%。
減水劑： 1) 非萘系復(fù)合高效減水劑FT (氨基磺酸鹽類) ，2) 萘磺酸鹽系減水劑NF。
1.2 試驗(yàn)方法
混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB50082—2003) 進(jìn)行?？?jié)B性試驗(yàn)按照我國規(guī)范GBJ82—85 進(jìn)行，試件尺寸： 頂面Φ175mm，底面Φ185mm，高150mm。從0.1MPa 開始，每隔8h增加0.1MPa水壓，直至6個試件中有3個端面滲水，停止試驗(yàn)，記錄水壓，并以此計(jì)算抗?jié)B等級。氯離子擴(kuò)散系數(shù)及通過電量的測定是根據(jù)Nernst-Planck方程，參考路新瀛[ 9 ]提出的Cl- 擴(kuò)散系數(shù)的測定方法。試樣的制備是將28d齡期的試塊切成10cm ×10cm ×10cm左右試件，抽真空、脫水，然后浸泡在濃度為4mol/L的氯化鈉溶液中直至飽和。
2 結(jié)果與分析
2.1 配比及結(jié)果
混凝土試驗(yàn)配合比如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果見表2。
由表2 可見： 使用萘系減水劑配制的混凝土在1.5h后就出現(xiàn)較大的坍落度損失，難于泵送。
從No.1、No.2 和No.3 來看，非萘系高效減水劑( FT) 代替萘系減水劑的摻量提高，混凝土的初始流動性從19.5cm逐步增大到24.5cm，2h后流動性從18.0cm 逐步增大到22.0cm； 抗壓強(qiáng)度略有下降，但差別不是很大(對No.1和No.2來講) 。
從No.3 和No.4 來看，用非萘系高效減水劑( FT) ，混凝土的流動性、強(qiáng)度隨水膠比的不同而不同，但差別不大，2h內(nèi)坍落度損失均少于3cm。
用FT高效減水劑，使用不同的復(fù)合粉體，如No.4和No.5，對流動性、強(qiáng)度有一定的影響，但影響不明顯，2h內(nèi)坍落度損失均少于3cm。
用FT高效減水劑的水劑，如No.6和No.7，在不同的用水量情況下，其流動性不同，與使用粉劑的No.3和No.4 差別不大，2h 內(nèi)坍落度損失均少于3cm，但抗壓強(qiáng)度略有下降。
2.2 抗?jié)B性試驗(yàn)
2.2.1 抗水滲性試驗(yàn)
使用No.1 混凝土，超細(xì)粉為( FA +NZ) 的抗?jié)B試件進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，抗?jié)B等級達(dá)P35，打開試件，滲水高度約為2～3cm。
使用No.5 混凝土，超細(xì)粉為( FA + SG) 的抗?jié)B試件進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，抗?jié)B等級達(dá)P38，未發(fā)現(xiàn)滲漏，打開試件，滲水高度為3～4cm。
以上試驗(yàn)證明，試驗(yàn)室用兩種粉體配制的混凝土，在摻加非萘系高效減水劑的同時，其抗?jié)B標(biāo)號遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原設(shè)計(jì)P8的抗?jié)B等級。
2.2.2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)及通過電量的測定
根據(jù)Nernst-Planck方程，測定并計(jì)算了No.1和No.5 的Cl- 擴(kuò)散系數(shù)。其中No.1 為6.8 ×10- 9cm2 / s，No.5為7.2 ×10- 9 cm2 / s，兩者的Cl- 擴(kuò)散系數(shù)相近。按照國外普通混凝土和高性能混凝土的Cl-擴(kuò)散系數(shù)的一般范圍，普通混凝土Cl- 擴(kuò)散系數(shù)的下限(0.3～0.5) ×10- 8 cm2 / s，在海洋環(huán)境下(Cl-濃度約為0.5mol/L) ，保護(hù)層厚度2 ～3cm，使用年限可達(dá)70多年。高流動性及高性能混凝土的Cl- 擴(kuò)散系數(shù)為0.7 ×10- 8 cm2 / s左右，Cl- 濃度0.5mol/L，保護(hù)層厚度4～5cm，其耐久性可達(dá)65～70年[ 5 ] 。
根據(jù)AASHTO T277[ 10 ] 和ASTM C1202[ 11 ] 方法，測定真空飽水試件持續(xù)6h通過的總電量Q，由通過電量判斷Cl- 滲透性大小，按以下標(biāo)準(zhǔn)判斷Cl- 的滲透性。
通過對No.1及No.5試件的三個試樣，測定6h通過的總電量，計(jì)算其平均值。
No.1為1220C，No.5為1230C。
由No.1及No.5測定的6h通過的電量，對照表3分析，Cl- 的滲透性屬于低檔范圍，與Cl- 擴(kuò)散系數(shù)及抗?jié)B性試驗(yàn)的結(jié)果是一致的。通過微觀結(jié)構(gòu)觀察摻加復(fù)合超細(xì)粉體和非萘系高效減水劑的界面結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)比較密實(shí)(見圖1) ，說明使用這種非萘系高效減水劑和摻加復(fù)合超細(xì)粉體可以使混凝土具有較高的密實(shí)度和強(qiáng)度，提高了混凝土抗?jié)B性能，從而有效地提高混凝土的耐久性能。
3 探討
非萘系的高效減水劑，具有比較高的減水率和分散性能，又有控制坍落度損失的功能，這主要是由于它的分子鏈不同。萘系減水劑的分子鏈為剛性橫臥鏈，而非萘系高效減水劑所含的分子鏈屬于柔軟鏈，與萘系減水劑相比，非萘系的高效減水劑保持水泥的分散能力不同。水泥粒子吸附這種高分子的柔軟鏈以后，離子間作用的全能量進(jìn)行有效疊加。全能量(VT ) 是立體排斥力(VRS ) 和范德華引力(VA ) 的總和，是粒子間的移動力[ 12 ] 。其總和為“ + ”時處于分散狀態(tài)，總和為“ - ”時表示為凝聚狀態(tài)。由于這種立體作用，使其具有更大的分散效果； 同時，通過這種立體排斥力，能保持其分散系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而使該減水劑具有其他減水劑所沒有的特殊性能，使混凝土具有較高的減水率、流動性，同時又具有較好的保塑性，減少混凝土坍落度損失。
萘系及三聚氰胺系高性能減水劑的Zeta電位經(jīng)時變化降低很快，60min 后由原來的30mV 降至10mV以下，非萘系高效減水劑的Zeta電位在90min內(nèi)基本不變，而坍落度損失與Zeta電位變化密切相關(guān)。萘系、三聚氰胺系以及多羧酸系高性能減水劑，吸附在膠凝材料的粒子表面，具有各種各樣的形態(tài)；另一方面由于水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥漿體系中的粒子進(jìn)一步活化與分散，因此，這些超細(xì)粒子的水化物進(jìn)一步又要吸附更多的高性能減水劑的分子，電性被中和，靜電排斥作用及立體的排斥作用也隨之降低，平衡受到破壞，范德華引力的作用變成主導(dǎo)，水泥漿開始凝聚，坍落度損失增大。
摻加超細(xì)粉體可提高混凝土抗氯離子滲透能力，這主要因?yàn)槌?xì)粉體的密實(shí)、填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，降低混凝土孔隙率以及改善孔隙特征，有效地延長毛細(xì)孔通道，從而提高混凝土抗氯離子滲透性能。不同品種的超細(xì)粉體復(fù)合物，由于其化學(xué)成分、顆粒形狀以及火山灰效應(yīng)的差異，在混凝土中所呈現(xiàn)的效果也是不同的。另外，超細(xì)粉體對氯離子的物理吸附和化學(xué)結(jié)合作用也是不可忽視的重要因素。
4 結(jié)論
非萘系高效減水劑的分支比較多，疏水基分子鏈較短，極性較強(qiáng)，可以有效地控制混凝土坍落度損失，能保證混凝土在2h內(nèi)的坍落度損失≤3cm，且該減水劑具有較高的減水率。
通過控制混凝土單方用水量≤175kg/m3 ，用礦物質(zhì)粉體取代混凝土中的部分水泥，摻入非萘系高效減水劑，能有效地提高混凝土的抗?jié)B性，抗?jié)B等級可達(dá)P35以上。
非萘系高效減水劑摻入混凝土后，能有效地降低Cl- 擴(kuò)散系數(shù)及通過的電量，屬于Cl- 滲透性“低”的應(yīng)用范疇。參考有關(guān)資料分析與計(jì)算，這種混凝土的使用壽命可達(dá)65～70年以上，使混凝土具有較高的使用壽命。
非萘系高效減水劑與大摻量活性細(xì)摻料的復(fù)合作用使混凝土的性能得到改善和提高，大大減少了水泥用量，提高工程質(zhì)量，降低工程成本，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益是非常顯著的。
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