朱 樸
上海城建建設(shè)實(shí)業(yè)集團(tuán) 上海 200042
自密實(shí)混凝土(SCC)于20世紀(jì)80年代起源于勞動(dòng)力緊缺、環(huán)境法規(guī)嚴(yán)格的日本。當(dāng)時(shí),日本建筑商出于節(jié)省人力成本的考慮,也為了減少建筑工地的噪聲和環(huán)境污染,逐步改良傳統(tǒng)混凝土的配方,漸漸形成了自密實(shí)混凝土的概念體系。SCC和傳統(tǒng)振搗型混凝土(TVC)相比,優(yōu)勢(shì)為節(jié)省勞動(dòng)力、環(huán)境污染小、建筑工期短。20世紀(jì)90年代中后期,SCC相繼被歐美發(fā)達(dá)國(guó)家接受并得以發(fā)展。
在中國(guó),環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格、勞動(dòng)力成本日益高企、項(xiàng)目周期日益緊湊,所以越來(lái)越多的工程項(xiàng)目采用SCC取代傳統(tǒng)混凝土。但是,因?yàn)镾CC在配方上的特殊性,使其在攪拌、澆筑和養(yǎng)護(hù)等方面,對(duì)環(huán)境因素(尤其是溫度)的依賴遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)混凝土。因此,不少建筑工地,對(duì)SCC的使用往往局限在溫度相對(duì)平穩(wěn)的春秋兩季。如何克服溫度因素對(duì)SCC施工的影響,是項(xiàng)目工地面臨的一大難題。此外,預(yù)制件的工廠化生產(chǎn),在中國(guó)建筑業(yè)內(nèi)正如雨后春筍般地蓬勃興起,預(yù)制件廠一年四季、全天候用SCC生產(chǎn)建筑構(gòu)件,季節(jié)更替和晝夜溫差的制約也成為需要面對(duì)的問(wèn)題。所以完善SCC的施工技術(shù)具有相當(dāng)?shù)木o迫性。
評(píng)定任何一種SCC配方,依據(jù)的主要是坍落度、流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度等目標(biāo)參數(shù),而這些目標(biāo)參數(shù),大多受到溫度等環(huán)境因素的影響。如何針對(duì)不同的溫度環(huán)境,找到最優(yōu)的SCC配方,并且找到與各種配方最匹配的外加劑,使目標(biāo)參數(shù)達(dá)到規(guī)范要求,從而盡量減少溫度波動(dòng)對(duì)SCC各項(xiàng)特性的影響,對(duì)SCC的推廣具有積極意義。
國(guó)內(nèi)外對(duì)于SCC的研究較多專注于配方的優(yōu)化,尤其在外加劑領(lǐng)域,近幾年對(duì)聚羧酸系減水劑的研究成果頗豐[1],也有不少研究針對(duì)溫度對(duì)SCC特性的影響。本文嘗試探討減水劑和溫度雙重因素對(duì)SCC特性的綜合影響。
流動(dòng)性是SCC最重要的特性之一,由一系列參數(shù)來(lái)體現(xiàn),例如坍落度、流速、流變極限(G屈服值)、稠度、黏度[2-3]。在添加了多種外加劑之后,SCC中凡是受溫度影響的各項(xiàng)特征值,波動(dòng)明顯大于TVC。例如,SCC的流動(dòng)性不僅受制于水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程快慢,還受到減水劑吸附效應(yīng)的影響。而水泥的水化反應(yīng)則受制于環(huán)境溫度,減水劑的吸附效應(yīng)也隨著溫度、時(shí)間以及水化反應(yīng)的速度而改變。所以,和TVC相比,SCC施工工藝受溫度的制約更大,TVC的施工經(jīng)驗(yàn)很多不再適用于SCC。
SCC工藝中,目前常用的外加劑是以聚羧酸高分子為基材的液態(tài)減水劑。與傳統(tǒng)的木質(zhì)素磺酸鹽、蜜胺系或萘系減水劑不同的是,聚羧酸類減水劑具有摻量低、減水率高、保坍能力強(qiáng)、更環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。此外,聚羧酸類減水劑的分子結(jié)構(gòu)靈活,設(shè)計(jì)匹配性強(qiáng),可適應(yīng)不同的施工現(xiàn)場(chǎng)或預(yù)制件廠。所以,聚羧酸類減水劑逐漸取代萘系等其他族系的減水劑,成為SCC中最常用的高效減水劑。目前專業(yè)市場(chǎng)上常見(jiàn)的聚羧酸類減水劑,是聚羧酸酯醚(Polycarboxylat-Ether,PCE)。
要確保PCE的分散性和穩(wěn)定性,前提是其高分子順利吸附到水化反應(yīng)早期合成物的表面[4-5]。根據(jù)減水劑作用機(jī)理,PCE高分子的電荷密度以及水泥的水化反應(yīng)進(jìn)程,是決定SCC特性的重要因素。控制SCC各項(xiàng)特性的關(guān)鍵之一,就是在哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)讓多少PCE發(fā)揮作用。但是,不同電荷密度的PCE,其活性對(duì)溫度的敏感性不同,這也就是為什么通過(guò)調(diào)整PCE的電荷密度,可以平衡溫度波動(dòng)對(duì)SCC特性的影響[6]。
本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)中,對(duì)PCE取樣時(shí),主要選取低電荷密度和高電荷密度2種PCE,與不同配比的SCC交叉組合。
對(duì)于TVC而言,環(huán)境溫度若發(fā)生變化,對(duì)澆筑現(xiàn)場(chǎng)混凝土的影響,基本就體現(xiàn)為加速或延緩水泥的水化反應(yīng)。若氣溫升高,則水化反應(yīng)加快,攪拌和施工相對(duì)較快;氣溫降低,則水化反應(yīng)減速,攪拌和施工相對(duì)較慢。溫度對(duì)新混凝土的硬化速度或其他特征值的影響也不復(fù)雜。
對(duì)于SCC而言,如果減水劑的使用量較少,則水泥水化反應(yīng)和環(huán)境溫度的關(guān)系,與TVC差別不大。假如SCC的配方中必需大量的減水劑,那么SCC在施工時(shí),水泥的水化反應(yīng)和減水劑的吸附效應(yīng)就會(huì)相互影響,進(jìn)而影響混凝土的流動(dòng)性和硬化速度。原則上:高溫環(huán)境下,水化反應(yīng)加快,黏合劑會(huì)加快起作用,也會(huì)加速生成鈣礬石微粒,所以PCE的吸附也會(huì)加劇,從而增大混凝土的流動(dòng)性和流動(dòng)保持性。低溫環(huán)境下,因?yàn)樗磻?yīng)減慢,一方面,在混凝土配制初期,黏合劑的流動(dòng)會(huì)受阻礙,從而增加攪拌和澆筑的難度;另一方面,中間生成物的數(shù)量會(huì)顯著減少甚至延遲生成,因此提供給PCE的吸附面也大大減少,最終會(huì)降低混凝土的流動(dòng)性和流動(dòng)保持性。圖1歸納了TVC和SCC受溫度影響的異同點(diǎn)。
圖1 環(huán)境溫度對(duì)TVC和SCC影響的區(qū)別
基于上述分析,針對(duì)不同組合的“SCC+PCE”,在不同溫度下對(duì)混凝土的流動(dòng)性以及其他力學(xué)特性,進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)的目的是為各種配方的混凝土在不同溫度下,找到最匹配的減水劑。
在試驗(yàn)時(shí),除了考慮溫度對(duì)水化反應(yīng)速度和減水劑吸附性的影響之外,還跟蹤了混凝土不同配比(尤其是水灰比和水固比)對(duì)試驗(yàn)效果的影響。對(duì)于SCC的配方設(shè)計(jì)中針對(duì)不同的溫度范圍原本就執(zhí)行的配比規(guī)定(不包括減水劑的配方),在此次試件制作過(guò)程中未做改變。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2種SCC的配方,如表1所示。
表1中的SCC1,其配方中石灰石細(xì)粉的含量較高,使得水和細(xì)粉料的比值較低;SCC2和TVC相比,配方中只增加了少量的細(xì)粉料,所以水和細(xì)粉料的比值較高。這2種配方里,都添加了適量的淀粉增稠劑,但在SCC1配方中用量很少,而在SCC2配方中用量較多。
表1 SCC試件
此外,對(duì)表1中2種配方都先后搭配了不同電荷量的PCE,即把PCE的電荷量作為變量。在確定每種PCE使用劑量時(shí)所遵循的原則是,在20 ℃的環(huán)境下,SCC在攪拌后靜置30 min,坍落度達(dá)650~700 mm即可。表2中列出了所使用的2種PCE的特性及其各自用量。需要指出的是,各種配比的SCC在不同溫度下試驗(yàn)時(shí),所添加的每種PCE的量始終保持相同,以確??杀刃?。
表2 減水劑特征值、組分及其用量(質(zhì)量百分比)
試驗(yàn)使用了CONTEC-4SCC流變儀,用于測(cè)量混凝土試件的流變參數(shù)。這是一種移動(dòng)式混凝土流變測(cè)試儀,通過(guò)將測(cè)量得到的電流強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)速,根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線推導(dǎo)出混凝土受到的剪切速率,然后按照賓漢流體模型定義的剪切速率與流變性的函數(shù)關(guān)系,得出混凝土的G屈服值以及H黏度值。
整個(gè)測(cè)試流程,包括原材料的貯存、混凝土的攪拌、流變性試驗(yàn),都在恒溫室內(nèi)進(jìn)行,每次的環(huán)境溫度按照設(shè)定值受到了嚴(yán)格的監(jiān)控。在每組試件攪拌之后的0、30、60、90 min,分別進(jìn)行了上述流變性測(cè)試。同時(shí),每個(gè)溫度下的每組試件在攪拌后30 min,都分離出一部分并砌成3個(gè)15 cm×15 cm×15 cm立方塊,作為抗壓強(qiáng)度的跟蹤試件進(jìn)行常規(guī)的澆水養(yǎng)護(hù),直到28 d后進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。
圖2和圖3為測(cè)試全過(guò)程中SCC的G屈服值隨時(shí)間的變化情況。若SCC流變極限值上升,則意味著坍落度降低,即自密實(shí)特性下降(如果混凝土的G屈服值超過(guò)2 000 mA,就不能稱為自密實(shí)混凝土;SCC的G屈服值如果控制在1 500 mA以下,則可視為流動(dòng)性優(yōu)良,有利于施工)。
圖2 不同溫度下SCC1和不同電荷密度的PCE配合時(shí)的G屈服值
圖3 不同溫度下SCC2和不同電荷 密度的PCE配合時(shí)的G屈服值
圖2采用的試件是SCC1。從圖2中可以看到,SCC1的G屈服值對(duì)溫度變化是否敏感,很大程度上受減水劑高分子電荷量的影響——使用低電荷的PCE1時(shí),不同的環(huán)境溫度下G屈服值曲線差異不大,每條曲線自身隨時(shí)間的變化也較平緩;使用高電荷的PCE2時(shí),不同溫度下的G屈服值曲線差異很大,并且每條曲線自身隨時(shí)間的變化也很明顯。當(dāng)使用PCE2時(shí),5 ℃和20 ℃這2種環(huán)境溫度下的初始流變極限都比較低,5 ℃環(huán)境下的整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中G屈服值都可保持較低而且平穩(wěn)的狀態(tài);但是在20 ℃環(huán)境下,60 min之后G屈服值就會(huì)突然增大,也就是說(shuō),使用這種試件,20 ℃環(huán)境中留給施工的最佳時(shí)間只有60 min;而在30 ℃環(huán)境下,混凝土剛攪拌之后的G屈服值就已經(jīng)超出1 000 mA,而且隨著時(shí)間的推進(jìn),G屈服值呈直線上升,30 min之后就基本失去自密實(shí)的特性,由此可見(jiàn),SCC1+PCE2的組合,在30 ℃環(huán)境下無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)振搗施工。
圖3采用的試件是SCC2。和SCC1不同的是,使用低電荷的PCE1時(shí),SCC的G屈服值對(duì)溫度變化較為敏感。在20 ℃環(huán)境下,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中G屈服值都可保持較低而且平穩(wěn)的狀態(tài),30 ℃時(shí)的G屈服值比20 ℃略高,但是整個(gè)過(guò)程中,20 ℃和30 ℃的2條曲線比較逼近,2個(gè)溫度下的屈服值都隨著時(shí)間緩慢下降,也就會(huì)表現(xiàn)為坍落度略有增加。然而在5 ℃環(huán)境下,起始階段的G屈服值就遠(yuǎn)高于20 ℃和30 ℃的對(duì)應(yīng)值,也超出了2 000 mA的臨界值,而且隨著時(shí)間推進(jìn)還在不斷增大,這也意味著,SCC2配方與PCE1的組合,在5 ℃的環(huán)境下無(wú)法實(shí)現(xiàn)自密實(shí)功能,不能無(wú)振搗施工。但是使用高電荷的PCE2時(shí),SCC2的流變極限對(duì)溫度的敏感性卻不大。在3種環(huán)境溫度下,G屈服值都隨著時(shí)間的推進(jìn)而穩(wěn)步上升,在5 ℃和20 ℃之間,G屈服值曲線沒(méi)有明顯差異,整個(gè)測(cè)試過(guò)程中都未超過(guò)2 000 mA,SCC的自密實(shí)特性保持良好,易于施工。而在30 ℃的環(huán)境下,前30 min內(nèi)G屈服值也較低,但是30 min后開(kāi)始突升,60 min之后基本失去自密實(shí)特性,不宜施工。但是總體而言,同樣是用PCE2,SCC2的G屈服值相比于SCC1要低很多,即自密實(shí)特性更好。
要確定環(huán)境溫度對(duì)SCC特性的影響,必須區(qū)分SCC中細(xì)粉料高含量和低含量2種情況,因?yàn)椴煌募?xì)粉料含量,會(huì)產(chǎn)生不同的水和粉料比例。通常還需控制“水固比”,以確保砂漿中微粒之間的緊密性。
在5 ℃環(huán)境下,SCC1受減水劑的影響很小,2種減水劑的流變曲線區(qū)別不大,而且試件長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)始終保持著良好的流動(dòng)性。但是SCC2與之相反,只有使用PCE2才能獲得較好的流動(dòng)性,使用PCE1時(shí)基本喪失流動(dòng)性。
在20 ℃的環(huán)境下,SCC1和SCC2受減水劑類型的影響都比較大,即不同的減水劑對(duì)自密實(shí)特性的影響較為明顯。使用PCE1時(shí),2種SCC的稠度在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都保持得比較理想,但使用PCE2時(shí),SCC剛配制時(shí)的流動(dòng)性雖然更好些,但是硬化速度卻很快,提供給施工的時(shí)間很短。
在30 ℃的環(huán)境下,改變減水劑對(duì)SCC2的影響明顯小于SCC1。盡管在使用PCE2時(shí),SCC2的G屈服值上升較快,即流動(dòng)性下降較快,但是和SCC1相比已經(jīng)明顯改善。SCC1和PCE2的組合,在30 ℃的環(huán)境中很快就喪失流動(dòng)性,失去自密實(shí)功能。
上述流動(dòng)性不良的試件,在28 d后的抗壓強(qiáng)度測(cè)試中得到了印證,具體情況如圖4所示。從圖4中可看出,28 d抗壓強(qiáng)度與流變極限和G屈服值的分析結(jié)果相呼應(yīng):只有“SCC1+PCE2+30 ℃”以及“SCC2+PCE1+5 ℃”這2種試件的28 d抗壓強(qiáng)度較低,其余各種組合的測(cè)試結(jié)果基本接近。這也體現(xiàn)了對(duì)流變極限或G屈服值跟蹤的意義:G屈服值測(cè)量結(jié)果大,則表示新配SCC的流動(dòng)性差,導(dǎo)致其施工性能差,亦即密實(shí)效果差,最終當(dāng)然導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度很低。
圖4 不同溫度下PCE與SCC不同組合試件28 d抗壓強(qiáng)度
表3列出了2種常用SCC與不同類型減水劑在不同溫度下的組合情況以及表現(xiàn)結(jié)果。從表3中可以歸納出:當(dāng)使用SCC1時(shí),若遇到高溫,則應(yīng)當(dāng)使用低電荷PCE;當(dāng)使用SCC2時(shí),若遇到低溫,則應(yīng)當(dāng)使用高電荷PCE。但是,在實(shí)際施工或預(yù)制件生產(chǎn)中,若要隨著氣候變化而靈活改變PCE的類型,往往會(huì)有困難,而且施工方也未必能明確每種PCE具有怎樣的吸附特性?;谶@一情況,最好找到一種能適應(yīng)所有減水劑的SCC配方。
表3 不同類型SCC與減水劑在不同溫度下對(duì)自密實(shí)特性的影響
基于前文分析,提出如下建議:在低溫季節(jié)或寒冷地區(qū),應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用SCC1配方,以保持良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性并且對(duì)減水劑類型的敏感性較低;而在高溫季節(jié)或炎熱地區(qū),則應(yīng)選用SCC2配方。
為了評(píng)估環(huán)境溫度對(duì)SCC施工性能的影響,跟蹤檢測(cè)了SCC配制后的流動(dòng)性。檢測(cè)中,選擇了細(xì)粉型和穩(wěn)定劑型2種常用的SCC配方,并且選用了2種均以PCE為基材,但是陰離子電荷密度不同的減水劑進(jìn)行交叉配對(duì),在3種典型溫度下進(jìn)行了試驗(yàn)。
通過(guò)試驗(yàn)得以證實(shí),TVC針對(duì)不同溫度的應(yīng)對(duì)方法,不能完全照搬給SCC。因?yàn)镾CC中水泥水化反應(yīng)和減水劑的吸附作用,不僅各自受溫度影響,相互之間還存在交叉影響。基于試驗(yàn)結(jié)果,得出如下結(jié)論:
1)在確定SCC和環(huán)境溫度之間的關(guān)系時(shí),應(yīng)當(dāng)區(qū)分水和細(xì)粉料的比值高和低2種情況。
2)細(xì)粉型SCC的施工性能,在30 ℃的環(huán)境下,受減水劑電荷密度的影響很大。此時(shí),配以低電荷密度的減水劑,SCC可以獲得良好的流動(dòng)性,有利于施工;但是若配以高電荷密度的減水劑,則SCC會(huì)因稠度急劇下降而很快失去流動(dòng)性。
3)低溫環(huán)境中,穩(wěn)定劑型SCC在新配制時(shí)的自密實(shí)特性,受減水劑電荷密度的影響很顯著。高電荷密度的減水劑可以提高其自密實(shí)特性,增強(qiáng)施工性能,而低電荷密度的減水劑則會(huì)讓SCC失去流動(dòng)性。
4)基于試驗(yàn)結(jié)果,可以針對(duì)不同的環(huán)境溫度確定最優(yōu)的SCC和減水劑的配比組合,從而在不同溫度下,確保SCC達(dá)到高流動(dòng)性的要求,有利于施工并獲得高強(qiáng)度。
5)如果施工方已配備多種類型的減水劑并且熟知各種減水劑的特性,則可以針對(duì)溫度變化而及時(shí)變換減水劑??傮w而言,在低溫環(huán)境下,最好選用高電荷密度的減水劑,而在高溫環(huán)境中則相應(yīng)地?fù)Q用低電荷密度的減水劑。
6)如果條件不允許施工方配備多種類型的減水劑,或者尚不熟知各種減水劑的特性,則可以針對(duì)環(huán)境溫度固定SCC的配方類型。概括而言,在高溫環(huán)境下,穩(wěn)定劑型SCC的自密實(shí)特性良好,應(yīng)優(yōu)先選用,而低溫環(huán)境中則最好選用細(xì)粉型SCC。
在不同的環(huán)境溫度下,如何讓SCC具有足夠的自密實(shí)特性以確保充分的施工性能,除了SCC的配方和減水劑的類型之外,還應(yīng)兼顧其他因素,例如穩(wěn)定劑或者緩凝劑的類型(這些外加劑會(huì)抑制或促進(jìn)SCC的自密實(shí)特性)、溫度變化對(duì)混凝土漿料離析的影響、溫度變化對(duì)硫酸鹽在水中溶解度的影響。
在實(shí)際應(yīng)用中,同一種原材料在不同溫度中的特性也會(huì)不同,原材料和原材料之間的相互作用也會(huì)隨著溫度的改變而不同。因此,針對(duì)SCC和其他類型混凝土的研發(fā),應(yīng)當(dāng)考慮溫度變化的情況,或者應(yīng)針對(duì)特定的溫度范圍而作討論。此外,在測(cè)試領(lǐng)域,還應(yīng)針對(duì)施工方或預(yù)制件廠的實(shí)際條件,找到切實(shí)可行的測(cè)試方法,配備經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的測(cè)試設(shè)備,這對(duì)于確認(rèn)水泥和外加劑之間的相互關(guān)系非常必要。