增黏劑對新拌自密實混凝土性能及模板側(cè)壓力的影響

楊飛，趙翀，周偉，張永梁，盛建松，孔德玉，

（1.浙江宇博新材料有限公司，浙江 臺州 318000；2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；3.浙江加州國際納米技術(shù)研究院臺州分院，浙江 臺州 318000）

自密實混凝土（SCC）具有流動性好，不經(jīng)振搗而充分密實，不易發(fā)生分層、離析等特點[1]。工程實踐表明，在大型工程結(jié)構(gòu)中采用SCC可有效提高施工速度、縮短施工工期、降低工程造價[2]。然而，澆注速度加快也導(dǎo)致澆注完畢的SCC對模板產(chǎn)生的側(cè)壓力急劇增大，若設(shè)計不當(dāng)，易造成模板損壞、結(jié)構(gòu)變形，甚至爆模傷亡事故[3-4]。目前，國外對SCC澆注引起的模板側(cè)壓力急劇增大問題已給予了很大關(guān)注[5-9]，但國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)研究還不多見，由于模板側(cè)壓力過大引起的橋梁施工模板爆裂事故仍時有發(fā)生，如2006~2010年在國內(nèi)共發(fā)生7起鐵路橋梁施工模板爆裂事故[3]。此外，據(jù)媒體報道，2017年8月吉安贛江特大橋19號墩、2019年4月佛山廣明高速富灣大橋51號墩、2019年9月福廈鐵路龍江特大橋11號墩、2019年11月天興洲大橋鐵路引橋10號橋墩等發(fā)生墩身灌注時模板爆裂的傷亡事故，其直接經(jīng)濟損失均高達數(shù)百萬元。

影響模板側(cè)壓力的主要因素包括結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和配筋情況等[5]，并與施工條件[5-6]和混凝土材料流變性能等[7]密切相關(guān)。如隨澆注速率增大，SCC對模板的側(cè)壓力增大[5-6]；拌合物溫度對初始側(cè)壓力影響不大，但其經(jīng)時下降速率隨溫度升高而明顯加快[6，8]；適當(dāng)增加粗集料用量可降低最大模板側(cè)壓力，并加快側(cè)壓力下降速度[9]；SCC澆注一段時間后，會出現(xiàn)絮凝產(chǎn)物，其側(cè)壓力下降速度與絮凝產(chǎn)物可有效提高SCC剪切阻力（內(nèi)摩擦和粘聚）有關(guān)[8]。此外，相關(guān)研究[7]也表明，增稠劑可使SCC具有良好的觸變性，從而可增大模板側(cè)壓力的衰減速度。本研究選用一種低分子質(zhì)量聚合物作為增黏劑，采用自制模板側(cè)壓力模擬測試裝置[10-11]，研究了增黏劑對SCC用水泥凈漿流變性能及SCC模板側(cè)壓力的影響。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：P·O52.5，海螺水泥廠生產(chǎn)，其物理力學(xué)性能如表1所示。粉煤灰：Ⅱ級，45μm方孔篩篩余13.0%，需水量比98.0%。細(xì)骨料：天然河砂，級配合格，細(xì)度模數(shù)2.8。粗骨料：5~20mm碎石，級配合格。減水劑：HG-PCA600聚羧酸高性能減水劑，固含量20%，減水率28.0%。低分子質(zhì)量增黏劑：2種相對分子質(zhì)量不同的聚合物PEG400和PEG800（代號分別為P4和P8），其中，P4為無色或者微黃色粘稠液體，化學(xué)純（CP），密度為1.128 g/cm3，凝固點為4~8℃，與水混溶；P8為乳白色或微黃色類膏狀固體，化學(xué)純（CP），凝固點為24~27℃，與水混溶。蔗糖：作為緩凝劑，可延緩水泥的水化，減少由于水泥水化引起的混凝土坍落度損失。拌合水：自來水。

表1 P·O52.5水泥的物理力學(xué)性能

1.2 SCC配合比與流動性測試

按JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進行配合比設(shè)計，計算得到初步配合比為m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（水）∶m（砂）∶m（石）=400∶100∶175∶794∶893，減水劑和蔗糖摻量分別為膠凝材料的1.5%、0.1%，P4和P8摻量分別為0.1%~0.4%，攪拌得到的自密實混凝土按JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測試擴展度及擴展度損失。

1.3 流變性能測試

按自密實混凝土配合比制備水膠比為0.35的水泥凈漿，為防止水泥凈漿發(fā)生分層離析，將減水劑摻量減小為1.0%，蔗糖摻量保持不變。水泥凈漿流變性能采用NXS－11A型旋轉(zhuǎn)黏度計進行測試，測試時剪切速率固定為15.89s-1，測定其黏度隨剪切時間的變化規(guī)律。

1.4 模板側(cè)壓力測試

采用自制SCC模板側(cè)壓力測試裝置[10-11]（見圖1）進行測試，其基本原理是通過向裝置內(nèi)加入的SCC表面施加氣壓的方法來對新拌SCC進行加載，通過調(diào)節(jié)氣壓，模擬施工后續(xù)澆注的SCC對已澆注SCC的荷載，其中橡膠膜的作用主要是傳遞壓力，并防止氣壓通過SCC中的水分直接傳遞到壓力傳感器，導(dǎo)致所得結(jié)果與施加的氣壓相等，而無法測出SCC對模板實際側(cè)壓力的問題。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 增黏劑對水泥凈漿流變性能的影響

圖2為增黏劑摻量對水泥凈漿初始黏度的影響。圖3為增黏劑對水泥凈漿在剪切速率為15.89 s-1時黏度經(jīng)時變化曲線的影響。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，雖然P4和P8作為增黏劑，但總體而言，摻P4和P8反而減小了水泥凈漿的初始黏度。這可能與P4和P8屬于可溶性有機高分子，其在水泥顆粒表面吸附可能對水泥凈漿有一定減水效果有關(guān)。當(dāng)摻量較大時，與摻P4相比，摻P8更有助于提高水泥凈漿的初始流動性。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，未摻增黏劑的水泥凈漿呈明顯的剪切變稀行為。摻P4和P8時，對水泥凈漿的經(jīng)時黏度變化和流變性能均有明顯影響，水泥凈漿的黏度經(jīng)時變化較為復(fù)雜，且其變化規(guī)律受摻量的影響明顯較大。摻0.1%~0.3%P4時，水泥凈漿的黏度經(jīng)時變化規(guī)律基本一致，其在剪切初期呈現(xiàn)明顯的剪切變稀行為，但隨剪切時間延長，水泥凈漿逐漸呈剪切變稠行為。由圖3（a）還可以發(fā)現(xiàn)，P4摻量在0.1%~0.3%范圍內(nèi)所得水泥凈漿在剪切時間超過3 min后，其黏度均開始大于空白組水泥凈漿，且隨摻量增大，黏度逐漸增大。而當(dāng)P4摻量達到0.4%時，水泥凈漿流變特性與摻量為0~0.3%的水泥凈漿明顯不同。與空白組水泥凈漿相比，其初始黏度反而較小，漿體在剪切初期也呈明顯的剪切變稀行為，但隨時間延長，漿體開始呈明顯剪切變稠行為，隨后又呈明顯的剪切變稀行為和微弱的剪切變稠行為。剪切時間較長時，水泥凈漿的黏度甚至低于摻0.2%和0.3%P4的水泥凈漿。由圖3（b）可以發(fā)現(xiàn)，摻P8對水泥凈漿黏度經(jīng)時變化和流變特性的影響更為顯著，且其摻量對黏度變化規(guī)律的影響與摻P4時明顯不同。摻0.3%P8時，水泥凈漿流變特性和黏度經(jīng)時變化規(guī)律與摻0.1%~0.3%P4時的變化規(guī)律相差不大。而摻0.1%P8時，所得水泥凈漿流變特性和經(jīng)時變化規(guī)律則與摻0.4%P4時類似，即剪切初期呈明顯剪切變稀行為，隨后呈明顯剪切變稠行為，達峰值黏度后又呈明顯剪切變稀行為，最后呈明顯剪切變稠行為。摻0.2%和0.4%P8時，除在測試時間內(nèi)漿體最終未能顯現(xiàn)剪切變稠行為外，其余均與摻0.1%P8時類似，其原因可能與所用增黏劑P4和P8與水泥水化產(chǎn)物之間發(fā)生特殊的作用有關(guān)，有待進一步研究。

綜合圖2和圖3可以看出，在水泥凈漿中摻加增黏劑P4和P8并非立即發(fā)揮很明顯的增黏作用，而是隨水化時間延長，增黏效果逐漸增強，且P8對水泥凈漿的增黏效果優(yōu)于P4。

2.2 增黏劑對SCC流動性的影響（見表2）

表2 增黏劑對SCC擴展度及經(jīng)時損失的影響

由表2可見，摻P4導(dǎo)致新拌SCC初始擴展度略有下降，摻P8則導(dǎo)致SCC初始擴展度略有增大，兩者對SCC初始擴展度的影響有所不同，其原因可能是由于SCC攪拌與擴展度測試所需時間較長，在攪拌和測試時間內(nèi)，P4和P8已開始發(fā)揮一定的增黏作用，但P8在水泥顆粒表面吸附可發(fā)揮較好的減水效果所致。

然而，由表2可以發(fā)現(xiàn)，與摻P4相比，雖然摻P8的SCC初始擴展度較大，但靜置20 min后測得的擴展度卻較小，即摻P8導(dǎo)致其靜置20 min后的擴展度損失較大。由此進一步表明，P4和P8作為增黏劑其增黏效果并非立即發(fā)揮作用，而是隨時間延長其增黏作用逐漸增大，且P8的增黏作用大于P4的增黏作用。

2.3 增黏劑對SCC模板側(cè)壓力的影響

表3為增黏劑對實測初始模板側(cè)壓力的影響，其中模板側(cè)壓力測試時所施加氣壓換算成理論靜水壓力為0.184 MPa。

表3 增黏劑對SCC實測初始模板側(cè)壓力的影響

由表3可見，與未摻增黏劑相比，摻P4和P8對減小SCC初始模板側(cè)壓力均具有不利影響，僅在P8摻量為0.4%時其初始模板側(cè)壓力最小。

圖4為增黏劑P4對SCC模板側(cè)壓力衰減速度的影響。

由圖4（a）可以發(fā)現(xiàn)，P4摻量對模板側(cè)壓力衰減速度的影響無明顯規(guī)律，與未摻增黏劑時相比，摻量為0.1%、0.2%的SCC模板側(cè)壓力衰減速度均明顯較大，但兩者衰減速度基本相近；摻量為0.3%的SCC模板側(cè)壓力衰減速度最大，但摻量為0.4%時的SCC模板側(cè)壓力衰減速度又明顯下降，甚至低于摻量為0.1%和0.2%的SCC。

由圖4（b）可以發(fā)現(xiàn)，與摻P4類似，總體而言摻P8有助于加快SCC模板側(cè)壓力的衰減速度，但其摻量對模板側(cè)壓力衰減速度的影響規(guī)律也不明顯。同時，對比圖4（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，雖然摻P8對水泥凈漿具有更好的增黏效果，但其對加快SCC模板側(cè)壓力衰減速度的效果卻不如摻P4，尤其是當(dāng)P4摻量為0.3%時其側(cè)壓力衰減速度顯著，其原因目前還有待進一步研究。

3 結(jié)論

（1）摻P4和P8對水泥凈漿流變特性的影響顯著。未摻增黏劑時，水泥凈漿呈典型的剪切變稀行為；摻P4和P8后，水泥凈漿黏度經(jīng)時變化規(guī)律較為復(fù)雜，隨剪切時間延長，一般先呈剪切變稀行為，再呈剪切變稠行為，達黏度峰值后，再呈剪切變稀行為，最后又呈剪切變稠行為，其流變特性變化與摻量有關(guān)。

（2）摻P4和P8對SCC的初始擴展度影響較小，但兩者均導(dǎo)致SCC20 min擴展度損失有所增大，摻P8時所得SCC20 min擴展度損失更明顯。模板側(cè)壓力測試表明，摻P4和P8對減小SCC初始模板側(cè)壓力有不利影響，但兩者均可有效加快模板側(cè)壓力的衰減速度。