【內(nèi)容摘要】外加劑是現(xiàn)代混凝土不可缺少的重要組分之一,是繼鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土之后混凝土技術(shù)的第三次突破。本文在簡(jiǎn)要回顧混凝土外加劑的發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地?cái)⑹隽四壳八せ炷脸Ｓ玫妮料稻從咝p水劑、萘系泵送劑、聚羧酸類超塑化劑和引氣劑幾種外加劑,展示了這幾種外加劑最新的研究與應(yīng)用情況,最后展望了混凝土外加劑的未來(lái)發(fā)展方向和趨勢(shì)。
【關(guān)鍵詞】混凝土 外加劑 高效減水劑 泵送劑 引氣劑 超塑化劑聚羧酸
1 前言
根據(jù)《混凝土外加劑分類、命名與定義》( GB8075- 87) ,混凝土外加劑定義為“混凝土外加劑是在拌制混凝土過程中摻入,用以改善混凝土性能的物質(zhì),摻量不大于水泥質(zhì)量的5% (特殊情況除外) ”。在混凝土中摻加外加劑,能夠減少混凝土澆筑施工的費(fèi)用,更有效地獲得所需的混凝土性能,保證混凝土在不利的攪拌、輸送、澆筑、養(yǎng)護(hù)條件下仍有所需的施工質(zhì)量,滿足混凝土在施工過程中的一些特殊要求。因此,外加劑被認(rèn)為是混凝土中除水泥、砂、石、水之外的第五大組分,是現(xiàn)代混凝土不可缺少的組分之一,是繼鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土之后混凝土技術(shù)的第三次突破。
目前,我國(guó)水利水電工程建設(shè)正處于蓬勃發(fā)展階段,開工規(guī)模之大,建設(shè)速度之快,令世人矚目。長(zhǎng)江三峽、龍灘、拉西瓦、向家壩、小灣、溪洛渡、錦屏等一大批水電站正在建設(shè)中,其中大部分為混凝土壩(重力壩、拱壩等) ,占擬建和在建的大型水電站的80%以上。這些大型水電工程不僅混凝土工程量大、強(qiáng)度等級(jí)多、溫控要求嚴(yán),而且對(duì)混凝土質(zhì)量,特別是耐久性和安全性提出了很高的要求。因而,水工大壩工程質(zhì)量的關(guān)鍵在于混凝土質(zhì)量,在于混凝土設(shè)計(jì)和配制是否妥當(dāng)。
水工大壩混凝土澆筑之前,往往需要花幾年的時(shí)間用于混凝土原材料的優(yōu)選和配合比的優(yōu)化,以配制出性能優(yōu)越的高性能混凝土用于工程中,從而提高并保證工程混凝土質(zhì)量。由于水工混凝土施工具有澆筑倉(cāng)面大、強(qiáng)度高、溫控要求嚴(yán)、設(shè)計(jì)耐久年限長(zhǎng)等特點(diǎn),這決定了水工混凝土向微膨脹、高極限拉伸、中彈、低溫升、高抗凍融等方面發(fā)展。實(shí)踐表明,解決這些關(guān)鍵技術(shù)最直接、最有效的措施就是應(yīng)用高性能混凝土外加劑,外加劑是實(shí)現(xiàn)混凝土高性能化的關(guān)鍵技術(shù)。
本文在回顧混凝土外加劑的發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)闡述了目前水工混凝土常用的萘系高效減水劑、萘系泵送劑、聚羧酸類超塑化劑和引氣劑等幾種外加劑的最新研究與應(yīng)用情況。
2 混凝土外加劑的發(fā)展歷程
混凝土中使用外加劑已被認(rèn)為是節(jié)約水泥用量、節(jié)省能耗、提高混凝土的強(qiáng)度、改善性能,特別是提高混凝土的抗裂性和耐久性等方面的有效措施。最早使用的外加劑主要為氯化鈣、氯化鈉和石膏等無(wú)機(jī)鹽類。20世紀(jì)30年代,美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家已相繼在公路、隧道、地下等工程中開始使用引氣、防凍等外加劑。同時(shí),美國(guó)人E. W. 斯克里普徹成功研制了木質(zhì)素磺酸鹽為主要成份的減水劑,并開始在公路、水工大壩、橋梁、構(gòu)件和各種建筑的生產(chǎn)、建設(shè)中發(fā)揮了不可替代的重要作用。木質(zhì)素磺酸鹽減水劑作為最早的普通減水劑,在當(dāng)時(shí)發(fā)揮了重要的作用。木質(zhì)素磺酸鹽減水劑的摻加使塑性混凝土的制備和澆筑成為可能,并有助于延緩混凝土的凝結(jié)時(shí)間,降低水泥水化熱釋放速率,用于大體積混凝土施工時(shí)收到前所未有的效果。再者,木質(zhì)素磺酸鹽減水劑在普通混凝土、碾壓混凝土和貧混凝土中的應(yīng)用也十分普通。
1962年,日本花王公司的服部健一博士研制成功了萘磺酸鹽甲醛縮合物,也即俗稱的萘系高效減水劑; 1963年,德國(guó)SKW公司研制成功磺化三聚氰胺甲醛縮合物,即俗稱的密胺系高效減水劑,并投入應(yīng)用,真正算作歷史上最早出現(xiàn)的兩類高效減水劑產(chǎn)品。研制成功的高效減水劑很快得到應(yīng)用,從而大大推動(dòng)了混凝土外加劑的發(fā)展,混凝土外加劑技術(shù)成為了混凝土技術(shù)革命強(qiáng)有力的推動(dòng)力。20世紀(jì)70年代中、后期,這兩類高效減水劑也相繼在我國(guó)研制成功并投入生產(chǎn)應(yīng)用。到20世紀(jì)70年代末80年代初,為了充分利用地方性原材料,降低生產(chǎn)成本,萘系高效減水劑應(yīng)運(yùn)而生,而脂肪高效減水劑則是最近5年才開始生產(chǎn)應(yīng)用的。
近年來(lái),隨著工程實(shí)際對(duì)混凝土各項(xiàng)技術(shù)性能要求的提高,氨基磺酸鹽類和聚羧酸類超塑化劑相繼研制成功并投入生產(chǎn)。日本是研究和應(yīng)用聚羧酸類超塑化劑最多和最成功的國(guó)家。2001年,日本聚羧酸類產(chǎn)品已占所有高性能超塑化劑中的80%以上,目前已經(jīng)形成了一定的規(guī)模,大量應(yīng)用于各種混凝土工程中。在美國(guó),目前正從萘系、密氨系減水劑向聚羧酸類超塑化劑方向發(fā)展。近幾年來(lái),在我國(guó)聚羧酸類超塑化劑的研究與應(yīng)用成為了熱點(diǎn),已經(jīng)很多企業(yè)紛紛投入聚羧酸類超塑化劑的生產(chǎn)和銷售的行列,結(jié)束了上世紀(jì)90年代國(guó)外產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)一統(tǒng)天下的局面。目前,在國(guó)內(nèi)合成生產(chǎn)和銷售聚羧酸類超塑化劑規(guī)模較大的企業(yè)主要有江蘇省建筑科學(xué)研究院、上海建筑科學(xué)研究院、中國(guó)建筑科學(xué)研究院等。
總的來(lái)講,減水劑的發(fā)展經(jīng)歷了三代產(chǎn)品:第一代為以木質(zhì)素磺酸鹽為代表的普通減水劑,第二代為以萘磺酸鹽縮合物為代表的高效減水劑,第三代為以聚羧酸系為代表的高性能減水劑。減水劑的產(chǎn)品性能也從單一的減水作用發(fā)展到集減水、保坍、減縮等作用于一身的綜合性減水劑。這些新品種高性能減水劑的不斷出現(xiàn),極大地豐富了高效減水劑的市場(chǎng),進(jìn)一步改善了混凝土的性能。另外,在減水劑品種不斷增加的同時(shí),混凝土外加劑的家族也不斷壯大,早強(qiáng)劑、緩凝劑、速凝劑、引氣劑、阻銹劑、膨脹劑、防水劑、泵送劑、養(yǎng)護(hù)劑、脫模劑,以及各種復(fù)合型外加劑相繼出現(xiàn),為混凝土各方面性能的提高打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),為混凝土技術(shù)的進(jìn)步提供了強(qiáng)有力的保障和推動(dòng)力。
3 萘系緩凝高效減水劑
目前,水工混凝土所采用的高效減水劑90%以上為萘系緩凝高效減水劑,這是由水電工程的特殊要求以及萘系減水劑的特點(diǎn)所共同決定的。水電工程中,萘系減水劑一般用于常規(guī)混凝土及碾壓混凝土。
水工混凝土有其特殊性: ①水工混凝土一般為大體積混凝土,混凝土的溫度溫升必須嚴(yán)格控制,防止出現(xiàn)溫差裂縫; ②不僅體積巨大,而且往往長(zhǎng)度很長(zhǎng),預(yù)防收縮裂縫往往是工程質(zhì)量的關(guān)健之一; ③泌水對(duì)于水工混凝土而言至關(guān)重要,即使泌水率不很高,由于其方量巨大,也有可能在混凝土表面積聚大量的泌水,對(duì)混凝土質(zhì)量以及后續(xù)施工產(chǎn)生很大影響。
由于這些特點(diǎn),水工混凝土對(duì)減水劑提出有別于其他工程的特殊要求。首先,具有很好的減水增強(qiáng)效果,從而減少單位用水量和單位水泥用量;降低水化熱、減少收縮、提高抗?jié)B等耐久性指標(biāo)。在三峽工程中,中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程標(biāo)準(zhǔn)TGPS05 - 1998《混凝土用外加劑技術(shù)要求及檢驗(yàn)》規(guī)定緩凝高效減水劑的減水率不小于18% ,將混凝土用水量降至合理的范圍。
其次,水工大體積混凝土溫控和施工要求使用緩凝型高效減水劑,不僅要求能延緩混凝土的凝結(jié)時(shí)間,避免施工縫的出現(xiàn),而且要求能延緩水化放熱峰出現(xiàn)的時(shí)間、降低水化放熱峰值。對(duì)于高溫緩凝、特別是碾壓混凝土的高溫緩凝是該類外加劑的技術(shù)問題。江蘇博特新材料有限公司采用特殊的功能性緩凝組分,不僅很好地解決了高溫緩凝問題,摻JM - Ⅱ的高石粉含量碾壓混凝土成功實(shí)現(xiàn)了35℃條件下初凝時(shí)間大于6h的目標(biāo);而且JM - Ⅱ緩凝高效減水劑可以調(diào)整控制水泥水化熱釋放速度,優(yōu)化了水化放熱曲線(圖1) ,從而有效降低了混凝土早期水化熱,平緩了溫升梯度。由于JM - Ⅱ的這一獨(dú)特特點(diǎn),很好地幫助了三峽三期工程取得了混凝土至今未出現(xiàn)一條裂縫的業(yè)績(jī)。
更重要的是,水利水電工程由于其重要性,設(shè)計(jì)要求工程壽命達(dá)到100年或更長(zhǎng)時(shí)間,因此要求混凝土耐久性很高,高耐久混凝土除了砂石水泥粉煤灰等原材料質(zhì)量要有保證外,減水劑質(zhì)量必須嚴(yán)格控制,要求減水劑堿含量、氯離子含量和含氣量等盡可能低,用以配制的混凝土和易性、均勻性好,不泌水、不離析,含氣量適中、氣泡結(jié)構(gòu)好。
龍灘水電站、三峽水電站等大型工程建設(shè)過程中,根據(jù)以上特點(diǎn)和要求,對(duì)高效減水劑進(jìn)行了嚴(yán)格優(yōu)選,對(duì)設(shè)計(jì)的混凝土配合比進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn),表1是三峽和龍灘工程中所用的配合比。表1所列配合比中,選用了JM - Ⅱ緩凝高效減水劑,工程使用結(jié)果表明, JM - Ⅱ緩凝高效減水劑減水率大,凝結(jié)時(shí)間可調(diào),本體含氣量小于2% ,現(xiàn)場(chǎng)摻加引氣劑以后含氣量可以控制在4. 0%～6. 0%范圍,氣泡結(jié)構(gòu)良好。
4 萘系泵送劑
流態(tài)泵送混凝土是水電工程必須要用到的混凝土,廠房及一些附屬結(jié)構(gòu)往往用泵送混凝土。水電工程泵送混凝土的要求與特點(diǎn)與常規(guī)或碾壓混凝土并無(wú)本質(zhì)區(qū)別,主要要求保證混凝土的和易性、耐久性、抗裂性,以及不離析、不泌水、均勻性好等。
用于水電工程泵送混凝土的外加劑(泵送劑) ,要求減水率高、混凝土坍落度損失小、混凝土可泵性好等。JM - Ⅱ緩凝泵送在三峽水電站等大型工程中的應(yīng)用表明, JM - Ⅱ緩凝泵送劑的特點(diǎn)是: ①大減水:按國(guó)標(biāo)檢測(cè),減水率大于20%; ②高保坍: JM - Ⅱ采用特種高分子共聚物為保坍組分,具有較高的保坍能力,且對(duì)水泥品種、型號(hào)及氣溫適應(yīng)性強(qiáng),幾乎不受外界氣溫變化的影響; ③高增強(qiáng):摻JM - Ⅱ的混凝土,具有很好的觸變性能,混凝土初凝、終凝時(shí)間間隔很短,強(qiáng)度發(fā)展迅速,增強(qiáng)效果顯著, 28d強(qiáng)度較普通混凝土一般可提高35% ～60% , 90d在20%以上,且后期強(qiáng)度性能發(fā)展穩(wěn)定; ④可泵性好:摻JM - Ⅱ的混凝土泌水小、粘聚性好,混凝土不離析,可泵性高。
5 聚羧酸類超塑化劑
5. 1 傳統(tǒng)高效減水劑存在的問題
傳統(tǒng)高效減水劑通常為縮聚型聚合物材料,其在水泥混凝土中主要是以靜電排斥理論(DLVO)為基礎(chǔ),通過提高水泥顆粒表面的δ電位來(lái)提高其分散性能的外加劑。這類縮聚型外加劑雖然具有良好的分散性,但坍落度經(jīng)時(shí)變化大,一般通過多次添加法、后摻法、與緩凝劑復(fù)合使用法來(lái)加以解決,但由于操作上的復(fù)雜性,引起混凝土性能和質(zhì)量的不穩(wěn)定;而且這種類型的高效減水劑大多采用強(qiáng)刺激性味的甲醛為原料進(jìn)行縮聚反應(yīng),磺化過程一般都采用強(qiáng)腐蝕性的發(fā)煙硫酸或濃硫酸進(jìn)行,這不可避免會(huì)對(duì)生產(chǎn)工人和周圍環(huán)境造成不利影響,并且還會(huì)產(chǎn)生大量廢渣、排放大量廢液,不利于可持續(xù)發(fā)展。目前歐洲國(guó)家已經(jīng)明確禁止生產(chǎn)這類外加劑,甚至在很多場(chǎng)合已經(jīng)不再允許使用含甲醛的外加劑。此外,由于受分子結(jié)構(gòu)本身和機(jī)理方面的制約,坍損問題無(wú)法從根本上解決,性能也不可能有很大的提高。
總的來(lái)講,傳統(tǒng)的減水劑主要存在如下問題: ①混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失大; ② 生產(chǎn)過程不利于環(huán)保;③由于受到作用機(jī)理方面的限制,性能不可能有大的提高。④泌水率大、增大混凝土的收縮; ⑤水泥適應(yīng)性差,減水率偏低。
5. 2 新型聚羧酸類超塑化劑的優(yōu)勢(shì)
傳統(tǒng)的磺化芳香族聚合物減水劑由于無(wú)法從根本上解決坍損問題和環(huán)境污染問題,于是研究者們把目光轉(zhuǎn)向了羧酸類聚合物- 稱之為第三代新型聚合物減水劑,并取得了很大的成果。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,聚羧酸類超塑化劑與其它高效減水劑相比,主要具有以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn): ① 低摻量( 0. 2% ～0. 5% )而發(fā)揮高的分散性能; ② 流動(dòng)性保持能力強(qiáng), 90min內(nèi)坍落度基本無(wú)損失; ③分子結(jié)構(gòu)上自由度大,外加劑制造技術(shù)上可控制的參數(shù)多,高性能化的潛力大; ④ 由于在合成中不使用強(qiáng)刺激性物質(zhì)甲醛和濃硫酸,因而對(duì)環(huán)境不造成任何污染; ⑤可以大幅度提高礦物摻合料在混凝土中的摻量。
5. 3 聚羧酸類超塑化劑的種類及分子結(jié)構(gòu)
聚羧酸類超塑化劑產(chǎn)品可細(xì)分為六大類,具體分子結(jié)構(gòu)見表2。其中I類主要含有PEO接枝側(cè)鏈和羧酸基團(tuán), Ⅱ類主鏈上除了含有羧酸基團(tuán)外,還有磺酸基團(tuán); Ⅲ類被稱之為聚醚類超塑化劑( PE) ,其支鏈很長(zhǎng); Ⅳ類是交聯(lián)共聚物,其具有優(yōu)異的坍落度保持能力。Ⅴ類主要是馬來(lái)酸酐和烯丙醇醚的接枝共聚物;Ⅵ類為苯乙烯和馬來(lái)酸酐共聚物與單甲基聚醚的接枝物。
此外從主鏈的分子結(jié)構(gòu)上看分為三大類,一類是以甲基丙烯酸(丙烯酸)為主鏈接枝EO或PO支鏈,這是目前大多數(shù)產(chǎn)品的分子結(jié)構(gòu)(表2中I～ IV類) ;另一類以馬來(lái)酸酐為主鏈接枝不同的聚氧乙烯基( EO)或聚氧丙烯基( PO)支鏈(表2中V類) ;第三類是以烯丙醇為主鏈接枝EO 或PO 支鏈(表2 中V I類) 。
不同主鏈結(jié)構(gòu)的共聚物其性能差距也很大, I～Ⅳ類一般通過調(diào)整接枝側(cè)鏈長(zhǎng)度和接枝密度就可以實(shí)現(xiàn)分散和保坍的統(tǒng)一, Ⅳ類更具有優(yōu)越的保坍性能; Ⅴ類一般分散性能不是太好,但保坍性能優(yōu)異。Ⅵ類分散性能比較好,但保坍能力很差。而且對(duì)于不同的主鏈化學(xué)結(jié)構(gòu),接枝側(cè)鏈的長(zhǎng)度對(duì)性能的影響也不一樣。
所有的梳型接枝聚合物其結(jié)構(gòu)特征都有一個(gè)共同的特點(diǎn),一般都具有長(zhǎng)的側(cè)鏈( EO或PO)提供空間位阻, - COOH基團(tuán)提供吸附基團(tuán)(錨固基團(tuán)) 。
5. 4 新型聚羧酸類超塑化劑的作用機(jī)理
目前,對(duì)于減水劑的作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)主要基于兩個(gè)理論:DLVO理論和空間位阻理論。傳統(tǒng)的縮聚型減水劑作用機(jī)理基本比較清晰,已經(jīng)形成了以“吸附—ζ電位(靜電斥力) - 分散”為主體的靜電斥力理論(其示意圖見圖2a) ,傳統(tǒng)超塑化劑對(duì)水泥槳體的分散作用主要與以下三個(gè)物理、化學(xué)作用有關(guān),及吸附、靜電排斥(電位)和分散,外加劑被水泥顆粒表面吸附后呈剛性鏈平臥吸附狀態(tài)。體系對(duì)外加劑的吸附量增加,ζ電位進(jìn)一步變負(fù)(絕對(duì)值增大) 。因此,傳統(tǒng)的磺化芳香族聚合物減水劑和木鈣類減水劑主要是通過這種電荷壓縮雙電層產(chǎn)生靜電斥力而具有分散作用,而在設(shè)計(jì)超塑化劑時(shí)主要通過提高分子主鏈中的電荷密度即增加δ電位來(lái)提高其分散性,但這種高電荷密度的聚合物在水泥顆粒上吸附過快,因此這種分散機(jī)理不可能從根本上解決傳統(tǒng)塑化劑坍落度損失快的缺陷。
對(duì)于聚羧酸類超塑化劑而言,早期的聚羧酸減水劑基本上都是低分子量的丙烯酸類共聚物,其分散機(jī)理還是立足于經(jīng)典的DLVO理論,因此其性能也很難提高,坍落度保持基本上依靠COOH 基團(tuán)的緩凝作用。目前,世界性研究熱點(diǎn)基本上都是羧酸類接枝共聚物類,其主要是利用側(cè)鏈提供大的空間位阻效應(yīng)來(lái)提高分散性能。很多學(xué)者都明確指出用DLVO 理論解釋聚羧酸系高效減水劑的作用機(jī)理是十分困難的,解釋為空間位阻效應(yīng)更合理些(見圖2b) 。其主鏈化學(xué)結(jié)構(gòu)中的羧基、磺酸基負(fù)離子提供靜電斥力和吸附點(diǎn),同時(shí)聚羧酸系化學(xué)結(jié)構(gòu)中的醚鍵與水分子可以形成氫鍵,并形成親水性立體保護(hù)膜,由于接枝聚合物結(jié)構(gòu)中支鏈多且長(zhǎng),在水泥顆粒表面吸附時(shí)形成龐大的立體吸附結(jié)構(gòu),因而其飽和吸附量減少,ζ電位較低。關(guān)于流動(dòng)性的保持,認(rèn)為吸附狀態(tài)是最重要的,該聚合物特有的分子結(jié)構(gòu)使其不易脫吸,即其吸附量隨初期水化的進(jìn)行而減少的幅度較小,從而有利于水泥漿體在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持較好的流動(dòng)性,表現(xiàn)為混凝土坍落度損失小。
5. 5 聚羧酸類超塑化劑的性能
聚羧酸類混凝土超塑化劑是根據(jù)建材產(chǎn)品綠色化及混凝土向高性能化的發(fā)展趨勢(shì)而研制的多功能混凝土化學(xué)外加劑,不僅集大減水、高保坍、高增強(qiáng)和高耐久于一體,而且有些產(chǎn)品還能顯著降低混凝土的自身收縮和干燥收縮。聚羧酸類混凝土超塑化劑適用于配制高流態(tài)、高保坍、高增強(qiáng)和高耐久要求的混凝土,也特別適用于有減縮或有外觀質(zhì)量要求的混凝土工程,可廣泛應(yīng)用于交通、水利、能源、市政、港口等國(guó)家重點(diǎn)工程。
從目前的研究報(bào)道來(lái)看,聚羧酸類超塑化劑具有優(yōu)異的性能指標(biāo)和特點(diǎn),其主要表現(xiàn)在: ①大減水,減水率達(dá)30%以上,最高可達(dá)45%; ②高增強(qiáng), 3d抗壓強(qiáng)度提高150% ～200% , 28d抗壓強(qiáng)度提高40% ～70% , 90d 抗壓強(qiáng)度提高30% ～ 50%; ③ 高保坍,90min坍落度基本不損失,且?guī)缀醪皇軠囟茸兓挠绊? ④和易性好,抗泌水、抗離析性能好,泵送阻力小,便于輸送;混凝土表面無(wú)泌水線、無(wú)大氣泡、色差小,特別適合于外觀質(zhì)量要求高的混凝土; ⑤減少混凝土收縮, 28d混凝土干燥收縮率為普通混凝土的94% ,較萘系高效減水劑降低了20%以上; ⑥ 可減小早期水化放熱速率,降低水化放熱梯度,優(yōu)化水化放熱曲線;⑦堿含量極低,從而最大程度上避免發(fā)生堿- 骨料反應(yīng)的可能性,提高了混凝土的耐久性; ⑧不含氯離子,對(duì)鋼筋無(wú)腐蝕性; ⑧抗碳化能力較普通混凝土大幅度提高; ⑨適應(yīng)性強(qiáng),適應(yīng)于多種規(guī)格、型號(hào)的水泥,與礦渣、粉煤灰等活性摻合料相配伍,適應(yīng)性好; ⑩產(chǎn)品性能穩(wěn)定,長(zhǎng)期貯存不分層、無(wú)沉淀,冬季無(wú)結(jié)晶,無(wú)毒。
與目前市場(chǎng)占有量最大的萘系高效減水劑相比,聚羧酸類超塑化劑在減水率、保坍性能、增強(qiáng)效果、減少收縮方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),同時(shí)還是清潔化生產(chǎn)的,具體如表3所示。因此,聚羧酸類超塑化劑是非常有應(yīng)用前景的。
5. 6 聚羧酸類超塑化劑的工程應(yīng)用
近幾年,聚羧酸類超塑化劑已開始了大面積的推廣應(yīng)用。江蘇博特新材料有限公司研制并生產(chǎn)的JM- PCA系列外加劑目前已在國(guó)內(nèi)一些國(guó)家重點(diǎn)工程中得到了推廣應(yīng)用,其典型工程主要有江蘇田灣核電站、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋、鄭州國(guó)際會(huì)展中心、杭州灣跨海大橋、南京長(zhǎng)江三橋、蘇通大橋、廣東LNG液化天然氣項(xiàng)目、鄭西客運(yùn)鐵路專線、武廣客運(yùn)鐵路專線等重點(diǎn)工程,同時(shí)也在三峽、溪洛渡、龍灘、小灣等大型水電工程中成功應(yīng)用。
另外,聚羧酸類超塑化劑自身的性能優(yōu)勢(shì),已得到了工程使用單位的密切關(guān)注。為了推動(dòng)聚羧酸類超塑化劑在水電工程大壩混凝土中的應(yīng)用,由云南華能瀾滄江水電有限公司組織的多家單位開展了《小灣水電站壩體混凝土摻聚羧酸類超塑化劑混凝土性能試驗(yàn)》研究,這為聚羧酸類超塑化劑在常規(guī)混凝土中的應(yīng)用研究開其先河。試驗(yàn)研究結(jié)果表明: ①聚羧酸類超塑化劑可以延緩水泥的水化放熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間,優(yōu)化水化放熱曲線,從而降低早期水化熱; ②聚羧酸類超塑化劑具有很好的減水增強(qiáng)作用,可以在萘系高效減水劑的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少壩體混凝土的用水量和(或)膠凝材料用量,從而優(yōu)化壩體混凝土配合比; ③聚羧酸類超塑化劑有利于提高混凝土和易性,減少混凝土坍落度損失和含氣量損失,改善混凝土的均質(zhì)性和可施工性能; ④聚羧酸類超塑化劑具有明顯的減少收縮作用,與萘系減水劑相比,可減少壩體混凝土的干縮達(dá)20% ～30%; ⑤聚羧酸類超塑化劑還有利于改善混凝土力學(xué)性能,提高抗壓和抗拉強(qiáng)度,提高極限拉伸值,降低彈強(qiáng)比,從而有利于提高混凝土的抗開裂性能。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)表明:摻聚羧酸類超塑化劑混凝土施工和易性良好,粘聚性好且不粘、不泌水,坍落度損失小,含氣量損失小,易于振搗成型;混凝土早期溫升慢;拆模后混凝土側(cè)面氣泡分布均勻,色澤均一,外觀質(zhì)量良好。總之,用聚羧酸類超塑化劑取代萘系減水劑,具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,聚羧酸類超塑化劑在常規(guī)混凝土中具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。
6 混凝土引氣劑
引氣劑是一種混凝土外加劑,它本身一般是低表面張力的表面活性劑,在混凝土攪拌過程中,摻入微量該外加劑,即能在新拌與硬化混凝土中引入適量(按體積率計(jì)總量)微小的獨(dú)立分布?xì)馀?。引氣劑引入的微?xì)氣泡在新拌混凝土中類似滾珠軸承,幫助填充骨料與膠凝材料之間空隙,可以提高新拌混凝土坍落度;由于氣泡包裹于膠凝材料漿體中,相當(dāng)于增加新拌混凝土膠凝材料漿體體積量,可以提高混凝土和易性,能有效減少新拌混凝土的泌水,避免離析。同時(shí),由于引氣劑在混凝土中引入空氣,可以降低水泥等膠凝材料用量,不僅經(jīng)濟(jì),而且可以降低混凝土水化熱。大量實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐結(jié)果表明,混凝土引氣劑具有改善混凝土耐久性能的功效。優(yōu)質(zhì)引氣劑還可以改善混凝土抗?jié)B性能,有利于降低堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的危害性膨脹作用。
混凝土引氣劑的氣泡穩(wěn)定性能與引氣劑氣泡質(zhì)量密切相關(guān)。一般而言,氣泡越細(xì)小、均勻,其穩(wěn)定性也就越高,硬化混凝土也具有更為合理的孔結(jié)構(gòu)、孔形態(tài)及分布,從而能夠明顯改善混凝土的耐久性。在混凝土高堿、高鹽的體系中,混凝土引氣劑的表面張力并不是決定引氣劑氣泡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,博特公司通過多年的研究證實(shí),引氣劑在空氣- 水界面上的單分子膜的強(qiáng)度直接決定了引氣劑的穩(wěn)泡性能,與引氣劑性能的優(yōu)劣密切相關(guān)。在此基礎(chǔ)上,博特公司開發(fā)出了JM - 2000高性能混凝土引氣劑。
經(jīng)龍灘、錦屏等水電工程應(yīng)用表明, JM - 2000高性能混凝土引氣劑符合《混凝土外加劑》、《水工混凝土外加劑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品主要技術(shù)與性能指標(biāo)如下: ①摻量低,摻量為水泥的0. 3 /萬(wàn)～1 /萬(wàn),同比摻量比目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上國(guó)內(nèi)外廠商提供的商品混凝土引氣劑摻量低20%; ②含氣量高,高性能引氣劑的摻量為0. 4 /萬(wàn)時(shí),混凝土的含氣量≥4. 5% , ,其綜合性能比目前國(guó)內(nèi)外商品化相關(guān)產(chǎn)品提高50%以上。含氣量可達(dá)到4. 5%以上; ③氣泡的結(jié)構(gòu)和形態(tài)優(yōu)異,穩(wěn)定性好, 1h的含氣量損失低于15%;氣泡間隔系數(shù)≤250μm; ④ 引氣混凝土和易性好,新拌混凝土的泌水率比低于60%; ⑤ 大幅提高混凝土的各項(xiàng)耐久性能,摻該引氣劑的混凝土比基準(zhǔn)混凝土抗凍性提高至少兩倍以上,即混凝土200次凍融循環(huán)后,混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量大于70% ,混凝土試件在3. 0%濃度的硫酸溶液中侵蝕28d的強(qiáng)度損失率低于30%;混凝土碳化深度低于5mm;混凝土28次鹽溶液凍融循環(huán)后剝落量變化幅度≤4. 0%。
7 展望
在以長(zhǎng)江三峽大壩為首的水利水電工程建設(shè)過程中,積累了大量的有中國(guó)特色的建壩經(jīng)驗(yàn),為世界水利水電建設(shè)的技術(shù)進(jìn)步起到了積極的推動(dòng)作用。大量新材料、新技術(shù)和新工藝的采用,起到了不可磨滅的作用,其中包括了高效減水劑和引氣劑為代表的一批混凝土外加劑。混凝土外加劑已經(jīng)為實(shí)現(xiàn)水工混凝土的高性能化起到了關(guān)鍵的作用,有理由相信混凝土外加劑還將會(huì)、也必將會(huì)為水工混凝土性能的進(jìn)一步提升發(fā)揮著重要作用。
