摘要:針對高性能混凝土高施工性、高耐久性要求,通過摻用具有梳型結(jié)構(gòu)的聚羧酸類引氣劑實(shí)現(xiàn)高性能混凝土,研究了聚羧酸類引氣劑對混凝土含氣量、氣泡間距系數(shù)、工作性、強(qiáng)度和抗凍融耐久性的影響及其與減水劑的相容性,分析了聚羧酸類引氣劑改善混凝土性能的機(jī)理.研究表明:聚羧酸類引氣劑在摻量為0.006%時,混凝土含氣量和氣泡間距系數(shù)便可滿足高性能混凝土工程使用要求;該類引氣劑與常用混凝土減水劑、緩凝劑相容,可與減水劑、緩凝劑復(fù)合使用;除引氣作用外,聚羧酸類引氣劑還具有塑化和保塑作用,尤其適用于低水膠質(zhì)量比混凝土,可在不降低混凝土強(qiáng)度的情況下,提高混凝土抗凍融耐久性.因此,聚羧酸類引氣劑可用于配制高性能混凝土和自密實(shí)混凝土.
關(guān)鍵詞:混凝土外加劑;引氣劑;聚羧酸鹽;氣泡間距;凍融耐久性
自從水泥問世以來,水泥混凝土科學(xué)技術(shù)史上發(fā)生了2次革命性的飛躍:1940年代引氣概念的提出是混凝土技術(shù)的一次突破;高效減水劑的應(yīng)用對高性能混凝土、自密實(shí)混凝土等新型混凝土生產(chǎn)和應(yīng)用產(chǎn)生了重要影響[1].目前,發(fā)達(dá)國家?guī)缀踉谒械幕炷两Y(jié)構(gòu)中都采用引氣混凝土.除提高混凝土抗凍融和抗除冰鹽破壞的能力外,引氣還可以改善混凝土工作性和硬化混凝土的氣泡結(jié)構(gòu)、降低水膠質(zhì)量比、減輕混凝土泌水、離析,使其更加致密、滲透性降低,因而可抵御各種侵蝕性離子的破
壞作用[2].引氣劑的副作用是降低混凝土強(qiáng)度,通常強(qiáng)度降低幅度為10%～20%,但強(qiáng)度降低
可通過減少細(xì)集料和水的用量加以補(bǔ)償[36].引氣劑多為表面活性物質(zhì),分布于氣液界面,使水的
表面張力降低、氣泡易于形成并穩(wěn)定.松香熱聚物是常用的引氣劑品種,其缺陷是氣泡直徑較大、性
能不穩(wěn)定,與某些減水劑、緩凝劑相容性較差,常導(dǎo)致引氣劑分離或附壁.本文根據(jù)高性能混凝土對
引氣劑性能的要求,參照梳型高分子設(shè)計理論,合成了聚羧酸類引氣劑并對該品種引氣劑的工程性能
進(jìn)行了評價.
1 原材料與試驗(yàn)方法
1.1 原材料
膠凝材料:P.I5215級水泥和Ⅰ級粉煤灰(FA)(中國海螺);預(yù)水化粉煤灰(PFA)和礦渣微
粉(SL)(課題組自制),化學(xué)成分如表1所示. 表1 膠凝材料的化學(xué)成分
集料:細(xì)度模數(shù)2163的中砂;粒徑5～25mm的石灰石碎石.
外加劑:聚羧酸系減水劑和聚羧酸類引氣劑(課題組合成);高濃型萘系減水劑(江蘇交科建材技術(shù)有限公司);JC22000保塑劑;PC22松香類引氣劑;木質(zhì)素磺酸鹽減水劑;糖蜜減水劑.
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 聚羧酸類引氣劑的應(yīng)用技術(shù)
控制混凝土中膠凝材料用量為350kg/m3,摻用礦物外摻料時,礦物外摻料等量取代20%水泥; 砂率42%;水膠質(zhì)量比0145;通過調(diào)節(jié)聚羧酸系減水劑摻量,控制混凝土坍落度;引氣劑摻量為0～
0.0.8%. 參照GB8077—2001《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》測定新拌混凝土含氣量.調(diào)節(jié)新拌混凝土坍落度為17～19cm,分別測定了新拌混凝土和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數(shù). 對比試驗(yàn)了聚羧酸類引氣劑、PC22松香熱聚物引氣劑與木質(zhì)素磺酸鹽減水劑、糖蜜減水劑的相容性.試驗(yàn)時,引氣劑∶減水劑∶水為5∶50∶45.11212 摻聚羧酸類引氣劑混凝土的性能評價試驗(yàn)采用上述水泥、砂、石和配合比,摻用占水泥質(zhì)量014%的高濃型萘系高效減水劑,引氣劑摻量為0.005%、0.007%和0.009%,摻用JC—2000保塑劑0.003%、0.006%、0.009%, 測定新拌混凝土初始和60min坍落度.固定膠凝材料用量為400kg/m3,分別以20% 預(yù)水化粉煤灰和礦渣微粉取代水泥,取水膠質(zhì)量比0.35,0.40和0.45,每一配比的混凝土中引氣劑摻量分別為膠凝材料用量的0.008%、0.010%和0.012%,控制混凝土坍落度為7～9cm.混凝土試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和經(jīng)300次凍融循環(huán)的相對動彈性模量測定.測定抗壓強(qiáng)度時,對比試驗(yàn)了非引氣的基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度.
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 聚羧酸類引氣劑摻量
由試驗(yàn)結(jié)果可知,在較低摻量(0.006%)時, 混凝土含氣量便可滿足正常使用要求(3%～
4.5%).通常情況下,混凝土引氣劑摻量為膠凝材料用量的0.01%～0.015%,而聚羧酸類混凝土引氣劑在該摻量下的引氣量達(dá)到6.1%～8.6%,可滿足特殊使用要求(見表2). 表2 引氣劑含量與引氣劑摻量的關(guān)系(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%
由試驗(yàn)結(jié)果可知,礦物外摻料對聚羧酸類引氣劑的引氣效果存在一定影響.粉煤灰中含有少量的
未燃碳,會吸附引氣劑分子,使引氣量下降0.5% ～1.7%;預(yù)水化粉煤灰和礦渣微粉不僅能夠改善
新拌混凝土的工作性,而且有助于聚羧酸類引氣劑引氣效果的發(fā)揮,分別使混凝土含氣量增加0.3%
～0.9%和0.2%～1.1%,因?yàn)轭A(yù)水化粉煤灰中含有部分低溫熟料礦物,可促進(jìn)聚羧酸類引氣劑的吸附分散作用,而礦渣微粉可使引氣劑表面活性作用增強(qiáng).
2.2 聚羧酸類引氣劑與普通減水劑的相容性
試驗(yàn)結(jié)果表明:松香熱聚物與木質(zhì)素磺酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈣以及糖蜜混合后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),所生成的物質(zhì)屬于皂化物類,漂浮在混合溶液表面,使溶液渾濁,大幅度降低了松香熱聚物的引氣作用.而聚羧酸類引氣劑與木質(zhì)素磺酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈣以及糖蜜則具有較好的化學(xué)相容性.
2.3 含氣量與氣泡間距系數(shù)
混凝土含氣量與混凝土中的氣泡間距系數(shù)的關(guān)系如圖1、圖2所示.當(dāng)氣泡間距小于等于0.2
mm時,混凝土具有優(yōu)良的抗凍融耐久性.試驗(yàn)結(jié)果顯示,無論是處于塑性狀態(tài)還是硬化狀態(tài),當(dāng)混
凝土含氣量大于等于4%時,氣泡間距小于等于0.2mm,這一試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于常用非聚羧酸類引氣劑.但對同一組混凝土而言,硬化混凝土比塑性混凝土氣泡間距系數(shù)略大,因?yàn)榛炷梁瑲饬坎粌H在
塑性狀態(tài)存在經(jīng)時損失,而且在成型時尺度較大的氣泡將消失.
圖1 塑性混凝土含氣量與氣泡間距系數(shù)關(guān)系曲線
圖2 硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數(shù)關(guān)系曲線
2.4 摻聚羧酸類引氣劑混凝土的性能
2.4.1 新拌混凝土的工作性
試驗(yàn)結(jié)果(見表3)表明,聚羧酸類引氣劑具有較好的塑化、保塑作用,例如:當(dāng)引氣劑用量為
0.005%、保塑劑用量為0.06%時,混凝土初始坍落度為18.6cm,1h坍落度保留值為17.1cm.因此,合理摻用引氣劑和保塑劑,既可優(yōu)化混凝土性能,又可節(jié)省外加劑應(yīng)用成本.
表3 摻保塑劑和引氣劑的混凝土坍落度及其經(jīng)時保持能力
2.4.2 摻引氣劑混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,摻粉煤灰或礦渣微粉的混凝土,對應(yīng)于不同的水膠質(zhì)量比,都有一個臨界含氣量,此時混凝土抗壓強(qiáng)度比為100%;而低水膠質(zhì)量比時,即使混凝土含氣量達(dá)到6%～8%,混凝土抗壓強(qiáng)度比仍能大于100%(見圖3).這充分說明,聚羧酸類引氣劑較適用于配制低水膠質(zhì)量比混凝土(高強(qiáng)混凝土、高性能混凝土等).
圖3 摻聚羧酸類引氣劑及礦物外摻料的混凝土28d抗壓強(qiáng)度百分比等高線
2.4.3 混凝土抗凍融耐久性
試驗(yàn)結(jié)果表明,所測試的混凝土均具有較好的抗凍融耐久性(見表4).在負(fù)溫度地區(qū),處于飽水狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙中的水結(jié)冰膨脹產(chǎn)生應(yīng)力,使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部受損,在多次凍融循環(huán)作用后,損傷逐步加劇,最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂或裂散.事實(shí)上,當(dāng)飽和狀態(tài)的混凝土處于0℃以下時,水泥石中的大部分水并不立即結(jié)冰,因?yàn)楦鶕?jù)熱力學(xué)理論,毛細(xì)孔中的水是否結(jié)冰,取決于毛細(xì)孔的細(xì)徑.孔徑為10nm時,水在-5℃時才結(jié)冰;而孔徑為315nm時,水在-20℃時才結(jié)冰;
C—S—H凝膠表面的水從來不結(jié)冰,盡管其遷移到毛細(xì)孔中會結(jié)冰.引氣后不僅膨脹消除,而且可能會產(chǎn)生較大的收縮[1].
表4 摻引氣劑的混凝土抗凍融性能
2.5 聚羧酸類引氣劑的作用機(jī)理
聚羧酸類引氣劑是具有烯丙醇聚乙二醇醚支鏈的梳型高分子聚合物.該類引氣劑除具有一般引氣劑的特性外,在低摻量時引氣量高、引入混凝土中的氣泡直徑小,且具有空間位阻效應(yīng)[78],主鏈
上的陰離子吸附于水泥顆粒表面,支鏈的位阻使水泥粒子分散,同時由于分子結(jié)構(gòu)中還含有羧酸根離
子、磺酸根離子陰離子,因而ζ電位小于傳統(tǒng)的陰離子減水劑[9],其表面活性作用更強(qiáng),分散和分散
保持性能優(yōu)異,符合高性能混凝土和自密實(shí)混凝土對引氣劑的性能要求[10].
3 結(jié) 論
1)聚羧酸類混凝土引氣劑在摻量為0.006%時,混凝土含氣量和氣泡間距系數(shù)便可滿足高性能
混凝土高施工性和高耐久性使用要求.
2)聚羧酸類混凝土引氣劑與常用混凝土減水劑和緩凝劑相容,可與減水劑、緩凝劑復(fù)合使用.
3)聚羧酸類混凝土引氣劑具有塑化和保塑作用,尤其適用于低水膠質(zhì)量比混凝土,可在不降低混凝土強(qiáng)度的情況下,提高混凝土抗凍融耐久性,因而可用于配制高性能混凝土和自密實(shí)混凝土.
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