【摘要】上海光源工程對結構混凝土有嚴格的裂縫要求, 論述了R25 聚羧酸減水劑的減水機理, 介紹了摻加R25 聚羧酸減水劑的低收縮混凝土配比研制, 通過試驗結果分析, 提出了優(yōu)化配比的改進措施。經優(yōu)化配比的低收縮混凝土用于上海光源工程, 滿足了大坍落度、低坍落損失的要求, 拆模后無肉眼可見裂縫, 結構強度、耐久性均體現(xiàn)出良好效果。
【關鍵詞】上海光源工程低收縮混凝土R25 聚羧酸外加劑
【中圖分類號】TU755.4 / 文獻標識碼B 【文章編號】1004- 1001( 2007) 03- 0201- 03
1 工程概況
上海光源工程位于上海浦東張江高科園區(qū), 基地總占地面積為194 231 m2 , 總建筑面積50 857 m3,工期為2 年。該工程為國家重大科學工程, 建成后的上海光源能量居世界第四, 是目前世界上正在建造或設計中性能最好的中能光源之一, 在我國基礎科學和高新技術許多前沿領域的研究上有著不可替代的重要作用, 是提高我國創(chuàng)新能力的重要基礎設施。
該工程作為重點工程, 對混凝土的質量提出了較高的要求, 特別是對于工程裂縫的控制更嚴格。工程裂縫控制的主要特點是: 工程底板厚、面積大; 基礎底板面在室外地坪以上, 易受環(huán)境影響; 底板下有長樁, 對底板有較大的約束; 有防輻射要求; 工程竣工前的長期和大面積暴露; 底板與墻板不得出現(xiàn)任何有害裂縫。
1.1 對混凝土的要求
為了保證工程質量, 有效地控制裂縫, 工程對混凝土的設計提出了以下要求:
(1) 混凝土墻板結構上不得出現(xiàn)垂直墻面寬度≥0.15 mm的貫穿裂縫。
(2) 要求混凝土收縮值低( 180d 收縮值≤500×10- 6) 。
(3) 易于澆筑和密實成型。
(4) 混凝土拌和物需較大坍落度(170～180 mm), 但現(xiàn)場坍落度損失小(1 h 損失≤20 mm)。
1.2 技術路線
針對光源工程底板要求, 我公司對于光源低收縮混凝土的研制應用提出了以下兩點技術路線:
(1) 在混凝土中摻加一定量粉煤灰、礦粉來改善混凝土的泵送性能, 提高混凝土的耐久性。
(2) 摒棄使用普通或中效減水劑配制混凝土的常規(guī)模式, 使用新型聚羧酸系高效減水劑配制低收縮混凝土。
1.3 混凝土性能
通過上述技術措施可使混凝土達到以下各項優(yōu)異的性能:
(1) 在保證混凝土強度的條件下,改善混凝土工作性。
(2) 在給定工作性條件下,降低水灰比,提高混凝土的強度和耐久性。
(3) 在保證混凝土澆注性能和強度的條件下,減少水和水泥用量, 減少徐變、干縮、水泥水化熱等引起的混凝土初始缺陷的因素。
(4) 坍落度保持性能好, 經時坍落度損失小。
(5) 滿足防輻射要求, 對環(huán)境無污染。
2 低收縮混凝土的研制
2.1 原材料選用
2.1.1 外加劑
R25 聚羧酸減水劑的勻質性指標見表1。
RHOEPLUS 25 的分子( PCE) 結構為主鏈上帶有多個活性基團, 極性較強; 側鏈帶有親水性的聚醚鏈段, 并且鏈較長、數量多, 疏水基的分子鏈段較短、數量較少。聚羧酸高性能減水劑的分子結構模型如圖1。
R25 聚羧酸高效減水劑的作用機理是以靜電斥力、空間位阻為主。靜電斥力作用是聚羧酸系減水劑在水泥顆粒界面的吸附和形成的雙電層, 使水泥顆粒間產生靜電斥應力, 混凝土開始流動的屈服剪切應力降低, 從而使團聚的水泥顆粒得以分散, 水泥顆粒間相互滑動能力增大, 改善了和易性; 同時能有效控制混凝土的用水量, 保證力學性能與耐久性的要求。
空間位阻作用是聚羧酸系減水劑吸附在水泥顆粒表面,形成一層較厚的聚合物分子吸附層。當水泥顆粒相互靠近時, 吸附層相互重疊, 在水泥顆粒間會產生斥力作用, 重疊越多, 斥力越大, 稱之為空間位阻斥力( 見圖2) 。R25 聚羧酸減水劑由于其主鏈較短, 側鏈較長, 主鏈吸附在水泥表面, 長側鏈和短側鏈隨機組合接枝在主鏈上, 在溶液中充分伸展, 形成厚的溶劑化外層, 由于空間位阻斥力作用, 使水泥顆粒之間相互排斥而分散, 有效地阻止水泥粒子間的凝聚,有利于游離水的釋放, 改善和易性, 減少混凝土的拌水量; 同時形成的較厚的聚合物分子吸附層, 使得初始的水泥水化產物較難將減水劑分子吸附層覆蓋, 仍能保持較高的空間位阻, 使該減水劑在水泥顆粒表面有效作用時間較長, 可增強坍落度保持性能。
我們對于光源工程的應用研究主要是以降低混凝土收縮, 減少混凝土裂縫為目的。通過上述對聚羧酸減水劑的減水作用機理研究可以看出, 正是由于R25 聚羧酸減水劑化學結構特點決定了比之主要靠靜電斥力作用提高水泥粒子分散性、降低水灰比的普通型減水劑以及萘系高效減水劑, R25聚羧酸減水劑通過靜電斥力, 空間位阻斥力相結合能更有效的提高水泥粒子分散性, 釋放游離水, 減少用水量和水泥用量, 降低水灰比, 從而不僅得到和易性能和坍落度保持性能優(yōu)秀的混凝土拌和物, 而且能更有效地降底混凝土的收縮,減少混凝土的裂縫。
2.1.2 其他原材料
水泥: 華新水泥廠生產的42.5 級普通硅酸鹽水泥, 水化熱低, 與R25 減水劑相容性好。
礦粉: 安徽馬鋼嘉華新型建材有限公司生產的S95 級礦粉。
粉煤灰: 上海電橋實業(yè)有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰。
粗骨料: 產自浙江嵊泗的5~ 25 mm碎石。
細骨料: 產自蕪湖南陵的中砂, 細度模數在2.3~ 2.6, 含泥量≤1.0%, 泥塊含量≤0.5%。
2.2 C30 低收縮混凝土配合比確定
R25 聚羧酸減水劑配制的C30 低收縮混凝土的配合比見表2
2.3 低收縮效果
R25 聚羧酸減水劑配制的混凝土的性能測試數據, 從圖3 看出: 摻R25 聚羧酸減水劑的混凝土收縮值均低于其他減水劑的混凝土和基準混凝土,早期混凝土收縮較少, 后期混凝土的收縮也較其他減水劑的混凝土約低30%～40%。
2.4 改進措施
(1) 摻聚羧酸類減水劑(R25)在常規(guī)的摻量范圍內不僅起到減水增強的效果, 而且混凝土的收縮值也均低于摻其他外加劑混凝土的收縮值, 對于降低混凝土的收縮是有利的。
(2) 在保證混凝土和易性, 有利于泵送的前提下, 遵循骨料體積含量最大的原則進行混凝土配合比的進一步優(yōu)化。降低配合比中的砂率, 目標值為43%。
(3) 滿足混凝土施工要求的條件下進一步降低單位用水量, 以減少混凝土中游離水的數量。目標值每方160 Kg。
(4) 保證混凝土強度的前提下, 進一步降低單方水泥用量, 以減少水泥水化過程中產生的水化熱, 有效控制混凝土的裂縫的產生。
3 C30 低收縮混凝土在上海光源工程中的應用
3.1 優(yōu)化配比
根據上述配合比改進措施, 用于上海光源工程的C30 低收縮混凝土配比改為: 水泥用量降到180 kg, 用水量降到160 kg, 粉煤灰、礦粉均提高到75 kg, 中砂降到800 kg, 碎石增至1060 kg, R25 增至2.3 kg。改進配比的C30 低收縮混凝土各項性能測試結果見表3~ 5。
3.2 應用結果
(1) C30 低收縮混凝土在光源工程中的應用體現(xiàn)出了良好的和易性能, 出機坍落度基本控制在180 mm, 1 h 的坍落度的損失20 mm左右, 滿足了工程大坍落度, 低坍落度損失的要求。
(2) 含氣量較小, 混凝土體現(xiàn)出了較好的密實性。
(3) 強度性能完全符合工程設計的要求, 且質量控制水平較好。
(4) 混凝土180 d 收縮值小于500×10- 6。
(5) 通過25 次凍融循環(huán)試驗, 混凝土試件重量損失率和強度損失率均較小, 體現(xiàn)出了低收縮混凝土良好的抗凍性能。
(6) C30 低收縮混凝土的抗?jié)B等級可以達到P16, 具有良好的抗?jié)B性能。
(7) 現(xiàn)場結構拆模后, 表面光潔, 無肉眼可見裂縫, 表面極少有氣泡。
4 低收縮混凝土的養(yǎng)護
由于工程混凝土澆注時間經歷秋季和冬季, 天氣干燥,外界氣溫變化大, 對混凝土養(yǎng)護, 特別是保溫、保濕養(yǎng)護尤其重要。
4.1 底板、頂板養(yǎng)護
(1) 在混凝土澆搗結束, 待其初凝開始, 即蓋一層塑料薄膜, 上面再蓋一層麻袋養(yǎng)護, 起保溫保濕作用。在塑料薄膜, 麻袋覆蓋條件下, 保溫保濕可充分發(fā)揮混凝土徐變特性,降低溫度應力, 減少混凝土降溫梯度, 控制有害裂縫的出現(xiàn)。
(2) 養(yǎng)護時間不得少于14 d。
(3) 應在測溫數據指導下, 即溫度達到最大峰值后, 呈回落趨勢, 當內部與大氣溫度差小于20℃,方可部分掀去麻袋。
(4) 麻袋不可在同一天全部掀去或成片掀去, 應分兩天進行, 第一天只能采用間隔夾花方式掀去1/2 左右, 使溫度通過有限的空間逐步散發(fā), 避免急劇降溫, 余下部分的麻袋應在第二天中午掀去。
4.2 墻頂板混凝土養(yǎng)護
前期保留模板時間延長, 宜5～7 d 后拆模, 后期拆模后立即采用混凝土外包裹雙層塑料薄膜養(yǎng)護( 或一層塑料薄膜外掛麻袋) 。拆模及包裹塑料薄膜應分段進行, 包裹塑料薄膜應搭接進行, 搭接處用封箱帶封閉, 為了保證墻體不被污染及較長時間的養(yǎng)護時間, 塑料保護薄膜應一直保留, 直到影響后道工序施工時方可去除。
5 結語
(1) C30 低收縮混凝土在上海光源工程中的累計應用近20 000 m3,其工作性能、強度性能、耐久性能均體現(xiàn)出了良好的效果, 滿足了工程低收縮的要求, 獲得了光源工程的一致肯定。
(2) 聚羧酸系減水劑由于其獨特的作用機理, 可以在保證混凝土澆注性能和強度的條件下,改善混凝土工作性能,減少水灰比,減少水和水泥用量, 降低水化熱, 減少徐變和收縮, 有利于提高混凝土強度和耐久性能。
(3) 對于低收縮混凝土的配制, 應遵循骨料體積含量最大的原則, 充分利用礦粉、粉煤灰摻和料的物理效應和填充效應, 減少水泥用量, 增加混凝土的密實性, 提高新拌混凝土的工作性, 減少混凝土的收縮, 增強混凝土的耐久性能。
