低强度等级自密实钢管混凝土专用外加剂的开发和应用.pdf

2 0 1 4年第 1 2期 l 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 1 2 De c e mb e r 低强度等级 自密实钢管混凝土 专用外加剂的开发和应用 漆春 生 ， 洪 斌 ， 齐应 明 ， 孙 二建 。 ， 李 超 ( 1 武汉新港投 国际集装箱有 限公司， 4 3 0 0 7 0 ； 2 中交第二航务工程局有限公司， 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 3 中建港务建设有限公司， 上海 2 0 0 0 0 0 ； 4 武汉理工大学材料学院， 4 3 0 0 7 0 ) 摘 要 ： 通过 选用适 宜的 酯类聚羧酸减水 剂母 液 ， 采用葡萄糖酸钠 、 纳 米 S i O 、 有机硅 进行复 配， 研制 出一种 高 减 水率、 低 引气量 、 保 塑性 好、 适 于低 强度 等级 自密实混凝土的专用外加剂 ， 实现 了低胶 凝材料用量下混凝土 的高流 动性与低含 气量 的匹配设 计。配制 C 3 0自密实混凝土时 ， 其 最佳掺量 为 1 2 1 6 。所配制 的混凝 土具有 良好 的工 作 性能 不 离析 、 不泌 水 ， 满足 自密实混凝土 泵送施工 W - 艺要求 ， 并成 功应用 于武汉阳逻港 深水薄壁 大直径铜 管桩 中 。 关 键 词 ： 自密 实 混 凝 土 ； 专 用 外加 剂 ； 高减 水 率 ； 低 引 气 量 Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o d e s i g n h i g h fl u i d i t y a n d l o w a i r c o n t e n t c o n c r e t e ， p r o p e r e t h e r t y p e p o l y c a r b o x y l a t e w a t e r r e d u c e r mo e r l i q u o r ，s o d i u m g l u c o n a t e ， n a n o s i l i c i u m d i o x i d e a n d o r g a n o s i l i c o n e a r e u s e d t o p r e p a r e a t y p e o f a d mi x t u r e wi t h h i g h wa t e r r e d u c t i o n r a t e ，l o w a i r e n t r a i n i n g c o n t e n t a n d g o o d s l u mp , r e t a i n i n g p r o p e r t y ， wh i c h i s s u i t a b l e f o r l o we r s t r e n g t h g r a d e s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e I n t h e p r e p a r a t i o n o f C 3 0 s e rf c o mp a c t i n g c o n c r e t e t h e b e s t d o s a g e o f t h i s a d mi x t ur e i s 1 2-1 6 The co n c r e t e c on t a i n i n g t h i s t yp e o f a dmi x t u r e h a s we l l wo r k a b i l i t y no s e g r e g a t i o n a n d n o bl e e d i n g ， wh i c h c a n me e t t h e n e e d o f p u mp i n g c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y o f s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e a n d i s s u c c e s s f u l l y a p p l i e d i n d e e p w a t e r p o r t wi t h t h i n wa l l a n d l a r g e d i a me t e r s t e e l p i p e p i l e i n Ya n g l u o o f W u h a n Ke y wo r d s ： S e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e ；S p e c i a l a d mi x t u r e ； Hi g h w a t e r r e d u c i n g r a t e ； L o w a i r e n t r a i n i n g c o n t e n t 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4) 1 2 0 9 0 4 0前 言 聚 羧 酸 系 减 水 剂 ( P C) 是 一 种 分 子 中含 羧 基 接 枝共 聚物的表面活性剂 。 其分子结构呈梳 型 ， 主链 短( 由含 羧基的活性单体聚合而成 ) ， 侧链 长( 主要 是 P E O链 ) ， 具有较高的空间位阻效应I l _。 同时 ， 由于 其掺量低 、 减水率 高 、 保坍性能好 、 硬化混凝土收缩 率低 、 分子结构上 可调 性强等突 出优点 已经成为 混凝土减水剂 的发展方 向和研究热点 。在我 国， 聚 羧 酸 系 减水 剂 已成 功应 用 在 大 型水 利 、 桥 梁 、 铁路 、 核 电工程 ， 其在高强度等级混凝土 中的技 术优势 已 经 得 到大量 的验证 。 然而 ， 聚羧酸系减水剂在 C 3 0及 以下低强度等 级 自密 实 钢管 混 凝 土 中 的应 用 却受 到 限制 ， 主要 是 因为 ： 一方面 ， 低强度 等级 C 2 0 、 C 3 0自密实混凝土 胶凝材料用量较少 ，新拌混凝 土的粘聚性较差 ， 使 用普通 的聚羧酸减水剂实现混凝 土 自密实 的要求 非常 困难 ； 另一方 面 ， 目前 在低强度等级 自密实混 基 金项 目： 湖北省交通运输 厅科 技项 目( 2 0 1 3 7 3 1 1 2 ) 。 凝 土 中聚羧 酸 减水 剂 存 在对 用水 量 、 原 材料 质 量 波 动敏感 的缺点 ， 且减水剂引气量较大 ， 导致在混凝 土 中引入过多的气体量 易造成钢管壁与核心混凝 土脱粘 ， 影响钢管混凝土结构 的整体性 ， 制约 了其 在低强度等级 自密实钢管混凝土中的推广应用3 1 。 针对 以上主要问题 ，本文利用 聚羧 酸高减水 率 、 低 引气 量 的 特 点 ， 通 过 引入 缓 凝 、 增 粘 、 消 泡 组 分进行复配 ， 研制 出一种适于低强度等级 自密实钢 管混凝土的专用外加剂。它能够有效提高混凝 土拌 合物的流动性和工作性 显著改善钢管混凝土泵送 施 工 性 能 ， 降 低 混 凝 土 含 气 量 ， 改 善 钢 管 壁 与 混 凝 土的脱粘现象 ， 并制备 出满足施_T要求 的 C 3 0自密 实 微 膨胀 水 下 桩基 混 凝 土 ， 成功 应 用 于 武汉 阳逻 港 深 水薄 壁 大直径 钢 管桩 中 。 1 原 材料 及试 验 方 法 1 1 原材 料 水泥 ： P 0 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ，性能指标 见 表 1 。 粉煤灰 ： 武汉 某电厂产 级干排粉煤灰 ， 需水 一 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 l 2期 混凝 土 与水 泥制 品 总 第 2 2 4期 表 1 水泥的主要性能指标 量 比 1 0 6 粗集料 ： 普通碎石 ， 5 2 5 ra m连续级配 最大粒 径 d m = 2 6 8 ram， 表观 密度 p a = 2 7 4 3 k m 。 针 片 状含 量 2 7 5 压 碎值 1 2 5 。 细集料 ： 天然河砂 ， 表观密度 P 。 = 2 6 3 6 k m ， 细 度模数 2 3 ， 含泥量 1 7 。 膨胀 剂 ： 自主 研发 的硫 铝 酸 钙一 氧化 钙 一 氧化 镁 类高能延迟复合膨胀剂 HB E A， 性能指标见表 2 。 表 2膨胀剂 H B E A性 能指标 外加 剂 ： 上 海 某公 司生 产 的 V I V I D 一 5 0 0 ( C) 型 、 V I V I D 一 5 0 0 ( G) 型聚 羧酸 减水 剂母 液 ， 固含 量 分别 为 4 0 、 5 0 ； 武汉某 公 司生 产 的 P C 一 1 0 0型减 水 剂 ， 固 含量为 2 0 。缓凝剂 ： 葡萄糖酸钠。增粘剂 ： 苏州某 公司生产的 N C 一 1 型增粘剂 ：羟乙基 甲基纤维素醚 ( H E MC ) ； 德国产 T y l o s e MH 6 0 0 0 0 P 6型增粘剂。消 泡剂 ： V I V I D 一 2 0 0 ( D F 3 ) 型 。 1 2 试 验方 法 混凝 土坍落度 、 扩展度按 G B T 5 0 0 8 0 2 0 0 2 普 通混凝土拌合物性能试验方法标准 进 行 ； 混凝土 含气量按G B 8 0 7 6 2 0 0 8 混凝土外加剂 标 准中有 关规定进行 ；混凝土凝结时间测定按 G B f F 5 0 0 8 0 2 0 0 2方法进行 ： 采用 N D J 1 旋转式粘度仪测试浆体 粘度 ： 抗压强度按 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力 学性能试验方法标准进行 ，试件尺寸 为 1 5 0 m m 1 5 0 ra m 1 5 0 ra m试 件 成 型后 2 4 h脱 模 ，随 后 置 于 ( 2 0 3 ) 、 相 对 湿 度 大 于 9 0 的养 护 室 中养 护 至 测 试 龄期 2 C3 0自密实钢 管 混凝 土专 用外加 剂 的制 备 2 1 不同功能特点的减水剂母液制备 C 3 0自密实 钢管混凝土 对不 同型号减水剂母 液的使用效果经研究 可 知 ： C型母液特点是减水分散性好 ， 而坍落度保持性 一 般 ； G型母液为缓释保坍型 ，减水效果 不如 C型 好 ， 但具有优 良的保塑性能。P C 一 1 0 0在聚氧乙烯基 侧链 结 构 中引 入共 聚 P O单 元 ，分子 量 控 制 在 1 1 0 0 0 1 5 0 0 0 ， 分 子 中羧 酸 基 与酯 基 的摩 尔 比 ( m n ) 为 1 9 2 1 ， 其 特点 是 引气量 低 ， 减 水率 高 。 选 择 C型 和 G 型组 合 、 P C 一 1 0 0单 掺 的方 式 研 究 其 对 C 3 0混 凝土坍落度经时损失的影响。减水剂母液组合方式 及 C 3 0混凝 土实 验结果 见表 3 。 从表 3可以看出 ， 掺入 P C 一 1 0 0时 ， 随着掺量 的 增加 ， 混凝土初始坍落扩展度先增加后减少 。 但 2 h 坍落扩展度损失较大 ，含气量较高 ； 时间和粘度 随之降低 ， 浆体 中粉煤灰易 上浮 ， 且混凝土对其掺 量 的 变化 较 为敏感 。当 P C 一 1 0 0掺量 为 2 5 时 ， 混 凝土发生离析泌水现象。 C和 G 型减 水剂 母 液 复合 使 用 时 ， 混凝 土 的坍 落度保持性较单掺 P C 一 1 0 0时大幅提升 。且随着 C 型在组合体系中所 占比例降低 ， 混凝土 的坍落度经 时损失逐渐减少 ， 但初始坍落扩展度存在下降的趋 势。当 C： G = 2 5 ： 3 0时， 混凝土 2 h坍落扩展度为 2 2 0 5 9 0 m m， 仍 具有 良好 的泵送 性 能 ， 但 混凝 土 初始 包 裹 性 不 良 ， 对减 水 剂掺 量 敏感 ， 极 易离 析 泌水 。此 外 ， 时间和粘度数据说 明 ， C与 G复配较单 掺 P C 一 1 0 0对混凝土有增 大粘度 的作用 。综合对 比分析 ， P C 一 1 0 0保坍性能一般 ， C与 G母液按 2 5 ： 3 0复配时 具有较好 的效果 ， 但混凝土对其掺量敏感 ， 需引入 增粘组分来提高浆体的保水性。 2 2 增粘组分对 C 3 0自密实钢管混凝土性能 的影 响 针 对 低 强 度 等 级 自密 实 混 凝 土胶 凝 材 料 用 量 少 ， 新拌混凝土粘度低 ， 包裹性 、 粘 聚性差 ， 粉煤灰 表 3 减水剂母液组合方式及 C 3 0混凝土 的工作性能 注： C 3 0混凝土各组 配合比为水泥： 粉煤灰： H B E A ： 砂 ： 石： 水= 3 0 0 ： 7 0 ： 3 0 ： 8 7 2 ： 9 4 0 ： 1 6 8 ( k g ， m ) ， 减水剂掺量 占胶凝材料质量计 。 一 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 漆春生 ， 洪斌 ， 齐应明 ， 等低强度等级 自密实钢管混凝土专用外加剂 的开发和应用 易上浮 的现象 ，引入增粘组分适 当增加浆体 的粘 度 ， 以改善混凝 土的包 裹性 、 匀质性 ， 提 高其 抗分 离 、 离析能力 ， 防止混凝土产生过多的浮浆 。好的增 粘剂需满足 以下要求 ： 在掺量较低时能够 明显 提高 拌和物粘度 ： 能有效减少拌和物在塑性状态下的沉 降 ， 且保证拌合物不泌水 、 高耐盐并与其它外加剂 有 良好 的相容性 ：同时没有严 重的缓凝或引气现 象 ， 低剪切速率下可 以有足够的粘度等 。实验 中采 用羟 乙基 甲基纤维 素醚( H E MC) 、 N C 一 1作 为增粘 剂 ， 减水剂母液 C： G = 2 5 ： 3 0复配 ， 掺量固定为 1 5 ， 表 3中 C 3 0混凝 土配合 比作为实验配合 比， 研究增 粘剂掺量对混凝土性能的影响 ， 实验结果见表 4 。 从 表 4中可 以看 出 ， 掺 加 增 粘 剂 后 ， 混 凝 土 的 初始坍落度虽有所减少 ， 但新拌混凝土工作性能有 较大改善 。 经时坍落度损失较未掺小。随着增粘剂 掺量 的增 加 。混凝 土的旋转粘度和含气量 随之增 加 ， 2 8 d抗压强度逐渐降低 。掺加 N C l时 ， 随着其 掺量的增加 ， 混凝土的初始坍落扩展度先增大后减 小 ， 掺量为 1 0 g , m， 时， 新拌混凝土工作性能最优 。 机 理分 析 ：纤 维 素 醚 为水 溶 性 高分 子 材 料 ， 可 以固定新拌混凝土的一些水分子在分子链外 围， 以 增加溶液的粘度 同时纤维素醚分子链之间相互缠 绕 ， 形成三维网络结构会使其水溶液产生 良好的粘 性 5 _ 。 而 N C 一 1主要 为纳米 二 氧化硅 ， 比表 面积 大 ， 溶 于水后形成硅溶胶 ， 硅溶胶凝胶化引起水泥颗粒 团 聚 ， 导致水泥浆体粘度急剧增大 6 3 。二者均具有一定 的引气作 用 ， 在提高浆体 粘度 、 改善混凝 土和易性 的同时 ， 引起混凝 土含气 量的增大 ， 导致硬化混凝 土内部结构疏松 ， 使其强度下降 7 1 。对 比分析 掺加 N C 一 1的混凝土 的初始坍落度较掺 H E MC的大 且 前者经时坍落度损 失 比后者小 ，当 N C 一 1掺量 为 1 0 g m 。 时 ， 混凝土工作性能 良好 ， 初始坍落扩展度为 2 4 5 6 4 0 mm， 说 明 N C 一 1粘度适 宜 ， 保 水性较好 ， 适 用于低强度等级 自密实混凝 土 ，考虑到混凝 土成 表 4 增粘剂掺量对混凝 土性 能的影 响 注 ： H E MC掺量以 占胶凝材料用量计 ； N C l 是 占每 m 混凝 土的质量 ， 用 3 0 4 0 c C 温水搅拌至呈粘稠状。 本 ， 最终确定 N C 一 1为实验所用增粘剂。 但利用 N C 一 1制备 的混凝 土含气量较大 ，需要通过引入消泡组 分 降低混凝土含气量。 2 3缓 凝 、 消泡 组 分复 配对 C 3 0 自密实 钢 管混 凝 土 性 能的影 响 钢管混凝土的含气量易小于 2 ，减少气泡尤 其是大气泡的含量 ， 以避免在钢管 内壁与核心混凝 土之间形成气膜而影响其粘结性 。 同时 ， C 3 0自密实 混凝土的凝结时间应控制在适宜范 围 ， 既使胶凝材 料 的水化放热峰不宜过早 出现 ， 又不影响混凝土 的 早期强度 ， 故考虑引入消泡剂与缓凝剂 以优化减水 剂 的配方组成 。选择有机硅和葡萄糖酸钠分别作为 消泡剂和缓凝 剂 。葡萄糖酸钠是 常见 的一种缓凝 剂 ， 极易 吸附于硅 酸三钙表面生成 吸附膜 ， 屏蔽 晶 体 间的相互接触嘲， 减缓水泥水化 的速度 ， 同时使水 泥水化更充分 ， 但不可过掺。 选用 C、 G型母液复配 消泡剂与葡萄糖酸钠复掺 ， 减水剂配方优化和混凝 土实 验结 果见 表 5 、 表 6 。 从表 6可 以看 出， 减水剂掺量为 1 5 1 8 时 ， 随着 葡糖 糖 酸 钠掺 量 的增加 ， 混凝 土 的凝 结 时 间逐 渐延长 ， 当其掺量为 5 时 ， 混凝土 的初凝 、 终凝时 间 分 别 为 1 8 1 h 、 2 2 7 h ， 相 比未 掺 时 增 加 1 1 8 、 9 9 2 。在 大跨 径钢 管混凝 土 拱桥 施工 过程 中 ， 需 要 根 据混 凝 土 运输 、 泵 送 距 离 和方 量 ， 通 过 控 制 缓 凝 剂的掺量以调整凝结时间。由实验结果可知 葡萄 糖酸钠适宜掺量为 3 5 。 消泡剂主要是消除混凝土拌合物 中尺寸较大 的气泡。随着消泡剂掺量的增加 ， 混凝土的含气量 逐渐降低 ， 同时浆体 的粘度逐渐升高 ， 混凝土的工 作性能越来越差 。 当消泡剂掺量为 0 0 5 时 混凝土 的 1 r 5 。 与倒坍时间延长较为 明显 ， 流动性 、 包裹性较 差并发散。因而消泡剂适宜掺量为 0 0 2 0 0 4 优 选 C 3 0自密实微膨胀钢管混凝 土专用外加 剂配方为 ： C与 G型母液 、 N C 一 1 增粘剂 、葡萄糖酸 一 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m