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应用聚羧酸减水剂实现普通混凝土高性能化的研究

信息来源:hunningtu.biz  时间:2010-03-23  浏览次数:172

  聚羧酸高效减水剂的开发使高性能混凝土技术在工程实践中得以广泛应用。北京电视中心、上海环球金融中心和苏通大桥等工程先后将聚羧酸高效减水剂用于自密实免震捣混凝土、大体积混凝土和预制混凝土工艺。此外,在东海大桥中,聚羧酸高效减水剂也取得了在海工耐腐蚀混凝土中应用的成功范例。聚羧酸高效减水剂由于其应用技术相对较高,大量的工程应用仅局限于对耐久性有较高要求的水利、交通等重点工程。参考大量聚羧酸高效减水剂应用的文献报道,均为坍落度经时损失、硬化混凝土强度及收缩性能、氯离子渗透性和通电量下降的复演性试验,而对涉及这些高性能混凝土较为敏感的成本核算却鲜有分析论证。
  对目前权重极大的以强度验收为主导的预拌混凝土企业,却无法承受以超出自身的生产成本来追求与其质量验收无关的耐久性,这也是聚羧酸高效减水剂始终无法在以强度验收占绝对地位的普通混凝土中推广应用的主要原因。从混凝土的性价比考虑,一般认为只有C50以上的高强混凝土使用聚羧酸高效减水剂才有一定的优势,对常规的C30~C40普通混凝土,如何通过应用聚羧酸高效减水剂在有效控制成本的前提下实现普通混凝土的高性能化,这是对聚羧酸高效减水剂应用技术瓶颈的一大突破。本文探讨了聚羧酸高效减水剂在C30~C40普通混凝土中应用的可行性。
  聚羧酸高效减水剂对水泥的适应性
  选择在上海市场具有一定代表性,含固量20%左右,且价格适中的3种聚羧酸高效减水剂,按GB/T8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》检测砂浆减水率。
  尽管3种聚羧酸高效减水剂的含量基本接近,但在1%的相同掺量下,砂浆减水率差异悬殊,其中某厂产品的砂浆减水率高达28%,但其砂浆抗压强度比甚至低于不掺外加剂的基准强度,且从试件表面和破型断面可见大量气泡。这是由于产品的引气量未能进行有效控制,含气量过高,导致强度的损失。有文献记载,对国内外5种聚羧酸减水剂样品在标准状态下进行了含气量测定,其最大值为7.2%,最小值为2.3%,如此大的含气量波动,使其无法应用于一些重要的工程。对聚羧酸高效减水剂的使用,为消化外加剂的成本,必须大掺量使用粉煤灰和矿粉等辅助胶凝材料。如果使用的外加剂对此无法提供适宜的强度贡献,再高的减水率也于事无补。所以,当聚羧酸高效减水剂复合大掺量粉煤灰和矿粉配制高性能混凝土时,必须同时依据减水率和抗压强度比作为外加剂选型的重要依据。而同一品种的聚羧酸高效减水剂,对不同厂家的普通水泥,其减水率又显现较大的差异,表明聚羧酸高效减水剂对水泥品种仍有明显的适应性。据此,我们选择了引气量和减水率适中,且抗压强度较高的由上海申立建材有限公司生产的SPS-8P减水剂。该产品在生产控制中除规定了匀质性指标外,还增加了酸值和溴值检测,保持了产品的稳定性。
  表1列出了该高效减水剂的实测技术指标。
  聚羧酸高效减水剂在普通混凝土中的应用
  1.原材料的选择。
  本研究立足于普通混凝土中常用的原材料,如水泥采用常规的P·O42.5,同时基于大掺量使用粉煤灰和矿粉,水泥自身必须保证足够的富裕活性及SPS-8P对水泥的适应性试验结果,确定选用江西亚东水泥公司生产的P·O42.5水泥,其实测的28d强度均大于54MPa。外掺料采用活性相对较高、需水量比较小的二级高钙粉煤灰,质量指标符合GBl596-2005中C类灰要求。矿粉为普通细度的S95级,中砂,细度模数为2.3,5mm~25mm连续级碎石。
  2.混凝土配比设计和性能。
  鉴于目前上海市在普通商品混凝土中均采用了粉煤灰和矿粉的双掺技术,且已超过了胶凝材料总量的40%,故聚羧酸高效减水剂在普通混凝土中的应用,其双掺总量必须保持在50%以上。同时还应在兼顾混凝土和易性及强度稳定性的前提下,配制成本应有一定幅度的下降。依据用水量最小化和水泥减量化的高性能混凝土设计原理,C30~C40高性能混凝土的配比和坍落度性指标列于表2。
  可见,以聚羧酸高效减水剂占胶凝材料总量1%的掺量,并复合总掺量达64%的矿粉和高钙灰,配制的高性能混凝土的黏聚性、和易性、保水性俱佳,lh坍落度经时损失为5mm~l5mm,且触变性良好,能满足不同施工工艺要求。同时,初始坍落度越大,经时损失越小。
  大掺量矿粉和高钙灰在聚羧酸高效减水剂的激发下,混凝土强度发展的稳定性较为理想,其中3d强度已达标准值的47%~55%,完全能满足正常施工所需的合理早强要求;而后期强度又能稳步递进,120d强度较28d强度有40%~47%的增幅。
  由于大掺量使用矿粉和高钙灰,与现行常规工艺配制的同等级普通混凝土相比,高性能化后的普通混凝土内部结构更为致密,其抗渗透性在120kg/m3水泥用量下达到了P21以上,同时,抗化学侵蚀性和变形性能均明显提高和改善,在先前的研究中已进行了充分的论述。而聚羧酸高效减水剂的使用,更有利于减少混凝土的早期变形。由于聚羧酸高效减水剂降低表面张力的效果比其他外加剂更为显著,较小的吸附量就能产生很好的分散效果,使较多的表面活性分子散布在混凝土液相表面,延缓了混凝土的失水速率,而在混凝土干缩过程中,又能减小毛细管腔的应力集中,所以用聚羧酸高效减水剂能明显减小高性能混凝土早期的塑性收缩和自收缩。此外,聚羧酸高效减水剂的分子结构中支链较多,表面张力小,在混凝土中较易形成3%~5%的含气量,这对配制大掺量矿粉和高钙灰混凝土是大有益处的。适量的引气能阻止由水泥、矿粉、高钙灰组成的三元复合胶凝体系中不同的颗粒密度造成的沉降,提高混凝土的匀质性、和易性,减少泌水,进而提高混凝土的抗渗、抗冻性能。
  普通混凝土高性能化的成本分析
  以目前常规的双掺粉煤灰矿粉混凝土为基准,其中减水率13%左右的泵送剂掺量为1.2%,粉煤灰内掺20%,矿粉按30%的水泥取代率,结合表2的配比,得出C30~C40混凝土高性能化后的成本同比下降4.4元/m3~10.5元/m3(见表3),并且经济效益明显。此外,环保型的聚羧酸高效减水剂的使用,使外加剂占混凝土配比成本的比例由5%~6%上升至12%~14%,但却吸纳了占胶凝材料总量64%的粉煤灰、矿粉等工业废弃物,减少40%~46%的水泥用量,社会效益和环保价值显著。
  聚羧酸高性能混凝土的质量控制及应用
  1.原材料质量控制。
  按目前外加剂标准的匀质性检验方法,无法揭示聚羧酸高效减水剂的引气量与其减水率的对应关系,但用户对聚羧酸高效减水剂给混凝土带来的含气量与其减水率之间的因果关系应有所甄别,并加以重视。对聚羧酸高效减水剂在形式检验中的混凝土抗压强度比指标应定期检验确认,而对聚羧酸高性能混凝土的含气量应作为和混凝土坍落度(扩展度)同等重要的常规指标控制,对无抗冻要求的,其值应不超过4.5%为宜。此外,鉴于粉煤灰、矿粉的大掺量使用,对水泥、矿粉及粉煤灰的活性应严格控制。
  2.大掺量高钙灰混凝土的安定性控制。
  由于在配比中使用了掺量达35%的高钙灰,尽管其28d的活性指数一般大于80%,但必须从高钙灰的应用技术上对高钙灰混凝土的安定性加以控制。由于上海市预拌混凝土使用的高钙灰均为神木东胜煤与大同煤混烧所得的二级灰,f-CaO一般不超过5%。但在配制中,采用以m(矿粉):m(高钙灰)=0.8:1的配比,稀释了复合胶凝体系中的f-CaO含量,使体系中的f-CaO值控制在3%以下。矿粉与高钙灰的复合能使高钙灰中的f-CaO加速水化,降低其膨胀性能。在生产控制时,应以高性能化配比中实际使用的水泥、矿粉、高钙灰的质量比进行安定性检验,确保膨胀值小于5mm。
  3.生产质量控制和应用。
  聚羧酸高效减水剂的掺量超出一定范围时,会产生严重的泌水离析现象,因此,减水剂的计量精度要求较高,同时,为避免与其他萘系产品相混,还必须配备单独的上料管路。为使聚羧酸高效减水剂充分吸附,并获得较好的塑化和引气效果,聚羧酸高性能混凝土的搅拌时间应比其他品种的混凝土延长l0s。我们公司已将上述工艺成功应用于C30~C40水下灌注桩工程中。混凝土拌和物出厂坍落度控制在200mm~210mm,含气量为3%~4%,在夏季高温下,坍落度几乎无损失,且无泌水离析现象,可灌性佳,工地试件强度均满足设计要求。
  聚羧酸高效减水剂仍存在对水泥的适应性问题,对其在应用中产生的引气现象及由此带来的减水率,现行外加剂规范无法反映,用户应通过对混凝土拌和物含气量的常规检测加以控制。SPS-8P具有引气、减水适中,抗压强度比高等特点,适于配制大掺量矿粉和粉煤灰的普通混凝土。
  采用预拌混凝土中常用的原材料,占胶凝材总量64%的矿粉和高钙灰,仅用120kg/m3~140kg/m3P.O42.5的水泥用量,能分别配制出C30~C40,且流动性、强度稳定性和耐久性俱佳的高性能混凝土,而配制成本同比下降4.4元/m3~10.5元/m3,并取得了在水下灌注桩工程中的成功应用。
  本研究突出了聚羧酸高效减水剂的高性价比配制优势,强化高钙粉煤灰的应用技术,以各组分间的合理配比,实现普通混凝土的高性能化。其在预拌混凝土中的全面推广应用,更有待于开发出能与木质素、脂肪族等复配的新型聚羧酸高效减水剂,在成本大幅度降低的同时,能达到含气量得到稳定控制、水泥适应性更为广泛和减水率20%左右,有助于实现普通混凝土高性能化的实用的效果型、广普型的聚羧酸高效减水剂产品。  聚羧酸高效减水剂的开发使高性能混凝土技术在工程实践中得以广泛应用。北京电视中心、上海环球金融中心和苏通大桥等工程先后将聚羧酸高效减水剂用于自密实免震捣混凝土、大体积混凝土和预制混凝土工艺。此外,在东海大桥中,聚羧酸高效减水剂也取得了在海工耐腐蚀混凝土中应用的成功范例。聚羧酸高效减水剂由于其应用技术相对较高,大量的工程应用仅局限于对耐久性有较高要求的水利、交通等重点工程。参考大量聚羧酸高效减水剂应用的文献报道,均为坍落度经时损失、硬化混凝土强度及收缩性能、氯离子渗透性和通电量下降的复演性试验,而对涉及这些高性能混凝土较为敏感的成本核算却鲜有分析论证。
  对目前权重极大的以强度验收为主导的预拌混凝土企业,却无法承受以超出自身的生产成本来追求与其质量验收无关的耐久性,这也是聚羧酸高效减水剂始终无法在以强度验收占绝对地位的普通混凝土中推广应用的主要原因。从混凝土的性价比考虑,一般认为只有C50以上的高强混凝土使用聚羧酸高效减水剂才有一定的优势,对常规的C30~C40普通混凝土,如何通过应用聚羧酸高效减水剂在有效控制成本的前提下实现普通混凝土的高性能化,这是对聚羧酸高效减水剂应用技术瓶颈的一大突破。本文探讨了聚羧酸高效减水剂在C30~C40普通混凝土中应用的可行性。
  聚羧酸高效减水剂对水泥的适应性
  选择在上海市场具有一定代表性,含固量20%左右,且价格适中的3种聚羧酸高效减水剂,按GB/T8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》检测砂浆减水率。
  尽管3种聚羧酸高效减水剂的含量基本接近,但在1%的相同掺量下,砂浆减水率差异悬殊,其中某厂产品的砂浆减水率高达28%,但其砂浆抗压强度比甚至低于不掺外加剂的基准强度,且从试件表面和破型断面可见大量气泡。这是由于产品的引气量未能进行有效控制,含气量过高,导致强度的损失。有文献记载,对国内外5种聚羧酸减水剂样品在标准状态下进行了含气量测定,其最大值为7.2%,最小值为2.3%,如此大的含气量波动,使其无法应用于一些重要的工程。对聚羧酸高效减水剂的使用,为消化外加剂的成本,必须大掺量使用粉煤灰和矿粉等辅助胶凝材料。如果使用的外加剂对此无法提供适宜的强度贡献,再高的减水率也于事无补。所以,当聚羧酸高效减水剂复合大掺量粉煤灰和矿粉配制高性能混凝土时,必须同时依据减水率和抗压强度比作为外加剂选型的重要依据。而同一品种的聚羧酸高效减水剂,对不同厂家的普通水泥,其减水率又显现较大的差异,表明聚羧酸高效减水剂对水泥品种仍有明显的适应性。据此,我们选择了引气量和减水率适中,且抗压强度较高的由上海申立建材有限公司生产的SPS-8P减水剂。该产品在生产控制中除规定了匀质性指标外,还增加了酸值和溴值检测,保持了产品的稳定性。
  表1列出了该高效减水剂的实测技术指标。
  聚羧酸高效减水剂在普通混凝土中的应用
  1.原材料的选择。
  本研究立足于普通混凝土中常用的原材料,如水泥采用常规的P·O42.5,同时基于大掺量使用粉煤灰和矿粉,水泥自身必须保证足够的富裕活性及SPS-8P对水泥的适应性试验结果,确定选用江西亚东水泥公司生产的P·O42.5水泥,其实测的28d强度均大于54MPa。外掺料采用活性相对较高、需水量比较小的二级高钙粉煤灰,质量指标符合GBl596-2005中C类灰要求。矿粉为普通细度的S95级,中砂,细度模数为2.3,5mm~25mm连续级碎石。
  2.混凝土配比设计和性能。
  鉴于目前上海市在普通商品混凝土中均采用了粉煤灰和矿粉的双掺技术,且已超过了胶凝材料总量的40%,故聚羧酸高效减水剂在普通混凝土中的应用,其双掺总量必须保持在50%以上。同时还应在兼顾混凝土和易性及强度稳定性的前提下,配制成本应有一定幅度的下降。依据用水量最小化和水泥减量化的高性能混凝土设计原理,C30~C40高性能混凝土的配比和坍落度性指标列于表2。
  可见,以聚羧酸高效减水剂占胶凝材料总量1%的掺量,并复合总掺量达64%的矿粉和高钙灰,配制的高性能混凝土的黏聚性、和易性、保水性俱佳,lh坍落度经时损失为5mm~l5mm,且触变性良好,能满足不同施工工艺要求。同时,初始坍落度越大,经时损失越小。
  大掺量矿粉和高钙灰在聚羧酸高效减水剂的激发下,混凝土强度发展的稳定性较为理想,其中3d强度已达标准值的47%~55%,完全能满足正常施工所需的合理早强要求;而后期强度又能稳步递进,120d强度较28d强度有40%~47%的增幅。
  由于大掺量使用矿粉和高钙灰,与现行常规工艺配制的同等级普通混凝土相比,高性能化后的普通混凝土内部结构更为致密,其抗渗透性在120kg/m3水泥用量下达到了P21以上,同时,抗化学侵蚀性和变形性能均明显提高和改善,在先前的研究中已进行了充分的论述。而聚羧酸高效减水剂的使用,更有利于减少混凝土的早期变形。由于聚羧酸高效减水剂降低表面张力的效果比其他外加剂更为显著,较小的吸附量就能产生很好的分散效果,使较多的表面活性分子散布在混凝土液相表面,延缓了混凝土的失水速率,而在混凝土干缩过程中,又能减小毛细管腔的应力集中,所以用聚羧酸高效减水剂能明显减小高性能混凝土早期的塑性收缩和自收缩。此外,聚羧酸高效减水剂的分子结构中支链较多,表面张力小,在混凝土中较易形成3%~5%的含气量,这对配制大掺量矿粉和高钙灰混凝土是大有益处的。适量的引气能阻止由水泥、矿粉、高钙灰组成的三元复合胶凝体系中不同的颗粒密度造成的沉降,提高混凝土的匀质性、和易性,减少泌水,进而提高混凝土的抗渗、抗冻性能。
  普通混凝土高性能化的成本分析
  以目前常规的双掺粉煤灰矿粉混凝土为基准,其中减水率13%左右的泵送剂掺量为1.2%,粉煤灰内掺20%,矿粉按30%的水泥取代率,结合表2的配比,得出C30~C40混凝土高性能化后的成本同比下降4.4元/m3~10.5元/m3(见表3),并且经济效益明显。此外,环保型的聚羧酸高效减水剂的使用,使外加剂占混凝土配比成本的比例由5%~6%上升至12%~14%,但却吸纳了占胶凝材料总量64%的粉煤灰、矿粉等工业废弃物,减少40%~46%的水泥用量,社会效益和环保价值显著。
  聚羧酸高性能混凝土的质量控制及应用
  1.原材料质量控制。
  按目前外加剂标准的匀质性检验方法,无法揭示聚羧酸高效减水剂的引气量与其减水率的对应关系,但用户对聚羧酸高效减水剂给混凝土带来的含气量与其减水率之间的因果关系应有所甄别,并加以重视。对聚羧酸高效减水剂在形式检验中的混凝土抗压强度比指标应定期检验确认,而对聚羧酸高性能混凝土的含气量应作为和混凝土坍落度(扩展度)同等重要的常规指标控制,对无抗冻要求的,其值应不超过4.5%为宜。此外,鉴于粉煤灰、矿粉的大掺量使用,对水泥、矿粉及粉煤灰的活性应严格控制。
  2.大掺量高钙灰混凝土的安定性控制。
  由于在配比中使用了掺量达35%的高钙灰,尽管其28d的活性指数一般大于80%,但必须从高钙灰的应用技术上对高钙灰混凝土的安定性加以控制。由于上海市预拌混凝土使用的高钙灰均为神木东胜煤与大同煤混烧所得的二级灰,f-CaO一般不超过5%。但在配制中,采用以m(矿粉):m(高钙灰)=0.8:1的配比,稀释了复合胶凝体系中的f-CaO含量,使体系中的f-CaO值控制在3%以下。矿粉与高钙灰的复合能使高钙灰中的f-CaO加速水化,降低其膨胀性能。在生产控制时,应以高性能化配比中实际使用的水泥、矿粉、高钙灰的质量比进行安定性检验,确保膨胀值小于5mm。
  3.生产质量控制和应用。
  聚羧酸高效减水剂的掺量超出一定范围时,会产生严重的泌水离析现象,因此,减水剂的计量精度要求较高,同时,为避免与其他萘系产品相混,还必须配备单独的上料管路。为使聚羧酸高效减水剂充分吸附,并获得较好的塑化和引气效果,聚羧酸高性能混凝土的搅拌时间应比其他品种的混凝土延长l0s。我们公司已将上述工艺成功应用于C30~C40水下灌注桩工程中。混凝土拌和物出厂坍落度控制在200mm~210mm,含气量为3%~4%,在夏季高温下,坍落度几乎无损失,且无泌水离析现象,可灌性佳,工地试件强度均满足设计要求。
  聚羧酸高效减水剂仍存在对水泥的适应性问题,对其在应用中产生的引气现象及由此带来的减水率,现行外加剂规范无法反映,用户应通过对混凝土拌和物含气量的常规检测加以控制。SPS-8P具有引气、减水适中,抗压强度比高等特点,适于配制大掺量矿粉和粉煤灰的普通混凝土。
  采用预拌混凝土中常用的原材料,占胶凝材总量64%的矿粉和高钙灰,仅用120kg/m3~140kg/m3P.O42.5的水泥用量,能分别配制出C30~C40,且流动性、强度稳定性和耐久性俱佳的高性能混凝土,而配制成本同比下降4.4元/m3~10.5元/m3,并取得了在水下灌注桩工程中的成功应用。
  本研究突出了聚羧酸高效减水剂的高性价比配制优势,强化高钙粉煤灰的应用技术,以各组分间的合理配比,实现普通混凝土的高性能化。其在预拌混凝土中的全面推广应用,更有待于开发出能与木质素、脂肪族等复配的新型聚羧酸高效减水剂,在成本大幅度降低的同时,能达到含气量得到稳定控制、水泥适应性更为广泛和减水率20%左右,有助于实现普通混凝土高性能化的实用的效果型、广普型的聚羧酸高效减水剂产品。

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