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      科學技術論文

      保水劑對墩身混凝土性能影響研究

      時間:2022年06月21日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

      摘 要:墩身混凝土施工、養護過程中時常出現砂線問題,文章提出調整膠凝體系的同時摻加保水劑,通過對比改性后混凝土的泌水率、坍落度、含氣量、抗壓強度、電通量值以及抗氯離子擴散系數得出如下結論:①粉煤灰-礦粉水泥膠凝體系保水劑摻量 0.05% (B10)泌水

        摘 要:墩身混凝土施工、養護過程中時常出現“砂線”問題,文章提出調整膠凝體系的同時摻加保水劑,通過對比改性后混凝土的泌水率、坍落度、含氣量、抗壓強度、電通量值以及抗氯離子擴散系數得出如下結論:①粉煤灰-礦粉水泥膠凝體系保水劑摻量 0.05% (B10)泌水率最低,相當于水泥膠凝體系(B0)的29.88%,當保水劑摻量大于 0.05% 時,坍落度值、含氣量已不滿足于墩身混凝土設計要求;②強度最優配比為 B10,其 56天強度可到達 59.4 MPa,相當于 B0 的 123.24%;③對比保水劑摻量 0.05% 時,水泥膠凝體系(B3)、粉煤灰-水泥膠凝體系(B6)、礦粉-水泥膠凝體系(B8)、粉煤灰-礦粉-水泥膠凝體系(B10)在 56天標準養護條件下電通量、抗氯離子擴散系數發展規律,得出不同膠凝體系發展趨勢為 B3>B6>B8>B10。

        關鍵詞:高速鐵路;墩身混凝土;砂線;保水劑;泌水率;電通量值;抗氯離子擴散系數

      混凝土論文

        1 引言

        目前我國高鐵總里程數位居世界第一,高鐵在便利人們出行的同時也加快地域間經濟、文化的交流。國內已建和在建高鐵工程大量采用高架橋形式建設,作為承接預制箱梁和高鐵運行中沖擊荷載的墩身結構,施工過程中經常遇到外觀質量問題——砂線。

        砂線指混凝土表面的水泥漿流失,砂子裸露的現象。砂線不僅影響墩身的外觀,也會降低混凝土的耐久性,嚴重時可導致鋼筋保護層厚度不足,同時外界氯離子、碳酸根離子侵入墩身混凝土內部,最終影響墩身結構的安全性。根據以往施工經驗,砂線發生的根本原因是模板內的混凝土出現泌水,并在凝結硬化過程中產生收縮,致使混凝土澆筑時與模板之間形成微細縫隙,泌水下滲帶走尚未凝結硬化的水泥漿,導致拆模之后砂外露,形成砂線。保水劑的提出源于水下不分散混凝土的提出和應用,上世紀 70 年代,相關研究人員通過調整礦物摻合料和外加劑來改善混凝土的各種性能,使混凝土在水中不分散。1978 年日本學者研制出水下不分散混凝土外加劑,并應用于實際工程中,取得良好的經濟效果。

        1984年,中國石油研究院研制出丙烯系列抗分散劑,之后相繼研制出纖維素系列保水劑,該保水劑在多項大型工程中得到運用,取得良好的社會效應和經濟效益。目前有機保水劑主要指水溶性纖維素醚,是以天然纖維素歷時堿化、醚化反應后所形成生成物的總稱。我國纖維素醚類的保水劑應用研究多集中于砂漿 ,研究成果集中于早期工作性、凝結時間等,同時相關學者就保水劑提出增稠作用、假塑性、分散作用、減阻作用等作用機理。

        泌水率是泌水量與混凝土拌合物用水量之比,泌水量即混凝土體積已固定但未凝結硬化前自由水向上移動時收集的自由水量,其形成的主要原因是新拌混凝土和易性較差致使水泥漿包裹集料顆粒性能下降引起的。墩身結構在澆筑混凝土的過程中,當混凝土和易性較差時混凝土泌水率增大致使墩身結構表面水泥漿流失嚴重,墩身混凝土凝結硬化后產生砂線,砂線嚴重部位伴隨著細小裂紋的產生,嚴重影響墩身結構的耐久性,因此需要通過控制墩身混凝土泌水率,從而減少墩身結構砂線的發生。本研究立足于中鐵十八局鄭萬高鐵項目,旨在解決墩身結構砂線問題,綜合以往墩身混凝土配合比設計經驗,提出調整膠凝體系的同時摻加保水劑,通過對比改性后混凝土的泌水率、坍落度、含氣量、抗壓強度、電通量值以及抗氯離子擴散系數發展規律,降低混凝土泌水率的同時確;炷梁笃趶姸燃澳途眯,為今后墩身混凝土結構砂線控制提供參考。

        2 試驗

        2.1 試驗方案設計與目的

        本研究旨在解決施工過程中因混凝土和易性較差出現的“砂線”難題,通過對比調整膠凝體系類型以及摻加保水劑成分改性后混凝土的泌水率、坍落度、含氣量、抗壓強度、電通量值以及抗氯離子擴散系數發展規律,得出最佳改性后混凝土配合比,為今后解決混凝土結構“砂線”問題提供參考依據。實驗設計要求:混凝土設計年限 100 年;T2H1Y1-L1D2 環境(T2- 碳化環境等級為 2 級;H1- 化學環境侵蝕環境等級為 1 類;Y1- 鹽類環境 1 類;L1-氯鹽環境等級為 2 級;D2- 凍融環境為2 級)要求;56 天設計強度等級為 C45,混凝土坍落度值為 160 ~ 200 mm、含氣量≥ 5.0%、混凝土堿含量 ≤ 3.0 kg/m3、56 天 電通量< 1 200 C、抗氯離子擴散系數≤ 7×10-12 m2/s。

        2.2 原材料

        水泥選料為 P.O 42.5 低堿水泥;礦物摻合料為 F Ⅱ類粉煤灰、S95 級礦粉;集料為細集料細度模數 2.8、含泥量 0.3%,粗集料選用 5 ~ 20 mm、含泥量 0.8%、壓碎指標 8% ;減水劑選用高性能聚羧酸減水劑;引氣劑選用脂肪醇類;保水劑選用聚丙烯酰胺,陽離子型,分子量 200 萬;按聚丙烯酰胺:纖維素醚:采用甲基纖維素醚:羥丙基纖維素:甲級羥乙基纖維素 = 3 : 1 : 1 : 1 : 1 混合而成。

        2.3 試驗方法

        2.3.1 拌合物性能測試拌合物性能測試主要依據以下各類標準。

        (1)新拌混凝土坍落度值、含氣量測試試驗依據GB/T 50081-2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》,壓力泌水率依據 GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》。(2)抗壓強度測試依據 GB/T 50081-2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》。(3)電通量值、抗氯離子擴散系數測試依據 GB/T50082-2009《普通混凝土長期性和耐久性試驗方法標準》。

        2.3.2 墩身混凝土配和比墩身混凝土配和比

        3 結果與分析

        3.1 不同配合比下混凝土泌水率分析不同配合比下混凝土的泌水率是不盡相同的:(1)對比 B0 ~ B10 配比泌水率變化趨勢可知 B10配比的泌水量最低;(2)對比 B0、B1、B2、B3、B4 不同摻量保水劑下泌水率發展趨勢可發現,泌水率隨著保水劑摻量的增加呈下降趨勢,B1、B2、B3、B4 的泌水率相較于 B0分別減少 12.5%、19.81%、40.24%、69.21%;(3)不同與 B0、B1、B2、B3、B4 水泥膠凝體系,B5、B6 分別為粉煤灰 - 水泥膠凝體系在保水劑摻量為 0和 0.05% 下泌水率變化趨勢,B5、B6 泌水率相較于 B0分別減少 7.32%、42.99%,由此可見粉煤灰 - 水泥膠凝體系較水泥膠凝體系泌水率略有下降;(4)B7、B8 分別為礦粉 - 水泥膠凝體系保水劑摻量為 0% 和 0.05% 下泌水率變化趨勢,B7、B8 泌水率分別為 B0 的 102.13% 、49.69%,礦粉 - 水泥膠凝體系未摻加保水劑時泌水率大于水泥膠凝體系;(5)礦粉 - 粉煤灰 - 水泥膠凝體系保水劑摻量為0、0.05% 時泌水率發展變化如 B9、B10 所示,分別為B0 的 68.60%、29.88% ,粉煤灰 - 礦粉 - 水泥膠凝體系無論未摻加保水劑還是摻加保水劑的泌水率均低于粉煤灰 - 水泥膠凝體系和礦粉 - 水泥膠凝體系。通過分析泌水率變化趨勢可得:

        (1)水泥膠凝體系中隨著保水劑摻量的增加,泌水率呈減小趨勢,其主要原因為保水劑隸屬大分子有機材料,溶于水后形成一層薄而粘的膠狀膜結構,水分子進入膜結構中受到較強的約束力,同時會加強水分子間的相互作用力,溶有保水劑的混凝土由于水分子和保水劑分子間的相互擴散及相互作用,約束自由水的擴散與流動。未摻加保水劑的混凝土,水分子間的作用力減弱,水膠比增大時,由于水泥顆粒吸附水作用能力有限而產生泌水現象;(2)粉煤灰 - 水泥膠凝體系的泌水率低于水泥膠凝體系,其主要原因是粉煤灰呈球形疏松多孔顆粒,其需水量大于水泥,因此粉煤灰 - 水泥膠凝體系的泌水率低于水泥膠凝體系;(3)未摻加保水劑的礦粉 - 水泥膠凝體系的泌水率略高于水泥膠凝體系,礦粉比表面積為 450 m2 / kg,大于水泥比表面積(350 m2 / kg),其顆粒形態呈片狀光滑結構,早期與水反應能力較弱,因此礦粉 - 水泥膠凝體系的泌水率略高于水泥膠凝體系;(4)礦粉 - 粉煤灰 - 水泥膠凝體系未摻加保水劑配比的泌水率介于粉煤灰 - 水泥膠凝體系和礦粉 - 水泥膠凝體系之間,主要歸結于粉煤灰的需水量大于礦粉的需水量。

        3.2 不同配合比下混凝土坍落度、含氣量分析不同配合比坍落度值、含氣量值發展趨勢,綜合 坍落度、含氣量值發展趨勢可得如下結論。

        (1)水泥膠凝體系(B0 ~ B4)中隨著保水劑摻量的增加,坍落度、含氣量值隨之下降,其中 B4 配比已不滿足墩身結構混凝土坍落度值、含氣量值要求。B1、B2、B3 配合比 60 min 時坍落度值相較于 B0 分別減少 0、5.56%、8.33%。

        (2)未摻加保水劑的粉煤灰 - 水泥膠凝體系坍落度值、含氣量值均高于 B0 配合比,B5、B6 配合比 60 min時坍落度值為 B0 的 105.56% 、97.22%,含氣量值為 B0的 109.43%、103.77%。

        (3) B7、B8 保水劑摻量為 0、0.05% 礦 粉 - 水泥膠凝體系 60 min 坍落度值、含氣量值分別為 B0 的100.00%、91.67% 和 105.56%、98.11%。

        (4)粉煤灰 - 礦粉 - 水泥膠凝體系保水劑摻量 0、0.05% 的配合比 B9、B10, 60 min 時坍落度值為 B0 的102.78%、91.67%,其含氣量值分別為 B0 的 107.54%、101.89%。本研究中采用保水劑組分中聚丙烯酰胺為陽離子型,保水劑溶于自由水中,之后包裹水泥顆粒,保水劑摻量增大,包裹量隨之增大,聚羧酸減水劑是一種負離子型表面活性劑,與帶保水劑組分中帶正電的聚丙烯酰胺離子在電荷引起作用下相互吸附,形成絮凝結構,最終導致坍落度值降低,流動性較小。對比 B0、B1、B2、B3 新拌混凝土坍落值發展,B1、B2、B3 分別為 B0 的95%、90%、85%,60 min 內損失率分別為 10%、5.26%、5.56%、2.94%,保水劑的摻加雖然會降低新拌混凝土坍落度值,但從數據發展規律分析可知,保水劑對混凝土坍落度值的經時損失影響較小,摻量未超過 0.05% 時均滿足現場實際施工要求。

        3.3 強度分析

        依據墩身結構所處環境,混凝土設計等級為 C45, 不同配合比 56 天強度發展走勢可知 B0 ~ B10配合比強度均滿足設計要求。

        (1)對比水泥膠凝體系不同保水劑摻量下 B0 ~ B4強度發展,隨著聚丙烯酰胺摻量的增加強度呈現先增后減趨勢,當摻量為 0.05% 時強度達到最大值,之后隨著摻量的增加強度逐漸下降,且 B1、B2、B3、B4 強度值分別為 B0 的 103.32%、108.71%、112.66%、107.47%;(2)保水劑摻量為 0、0.05% 的粉煤灰 - 水泥膠凝體系 B5、B6 的強度值分別為 B0 的 111.62%、115.98%,即保水劑的摻加有利于粉煤灰 - 水泥膠凝體系強度的發展;(3)礦粉 - 水泥膠凝體系保水劑摻量為 0 和 0.05%的強度發展如 B7、B8 所示,其強度為 B0 的 117.43%、118.67%,由此可見礦粉 - 水泥膠凝體系的強度值高于粉煤灰 - 水泥膠凝體系;(4)對比礦粉 - 粉煤灰 - 水泥膠凝體系保水劑摻量0、0.05% 下 B9、B10 強度發展可知,B9、B10 的強度分別為 B0 的 119.71%、123.24%,礦粉 - 粉煤灰 - 水泥膠凝體系強度值高于礦粉 - 水泥膠凝體系高于粉煤灰 -水泥膠凝體系;(5)對比 B0 ~ B10 不同配合比下強度發展,B10為最佳高強度配合比。綜合以上分析可得,保水劑的摻加會增大混凝土的黏聚性,混凝土中各組分間相互膠黏性增強,成型時堆積更加緊密,一定程度上阻斷混凝土內部的連通開口孔,使混凝土內部形成微小密閉的均勻氣泡。同時保水劑將自由水、吸附水封閉于混凝土內部,內部的自由水和吸附水較難蒸發,養護過程中內部水分的存在確保膠凝材料的進一步水化作用,水化產物能夠均勻填充于混凝土界面,保證混凝土強度的發展。

        3.4 耐久性分析

        墩身混結構用混凝土設計年限為 100 年,基于墩身混凝土所處的環境等級,其耐久性分析指標主要從電通量值、抗氯離子擴散系數值展開分析與討論。綜合上述不同配合比下混凝土泌水率、坍落度、含氣量以及強度發展趨勢可得,粉煤灰 - 礦粉 - 水泥膠凝體系(B10)性能最優,基于此耐久性分析討論水泥膠凝體系未摻保水劑配合比(B0)、水泥膠凝體系保水劑摻量 0.05% 配合比(B3)、粉煤灰 - 水泥膠凝體系保水劑摻量 0.05%配合比(B6)、礦粉 - 水泥膠凝體系保水劑摻量 0.05%配合比(B8)、粉煤灰 - 礦粉 - 水泥膠凝體系保水劑摻量 0.05% 配合比(B10)5 種配合比電通量值、氯離子擴散系數發展趨勢。

        B0、B3、B6、B8、B10配合比 56 天電通量均小于 1 200 C,其發展規律為 B0(1 034)> B3(976)> B6(804)> B8 (786)> B10(713),即抗滲性能、抗壓強度發展規律為 B0 < B3 B3(6.4)> B6(5.3)> B8(4.8)> B10(4.1),與電通量發展趨勢等同,其中 B0 配合比的抗氯離子擴散系數已不滿足設計要求。綜合 56 天電通量、氯離子擴散系數發展規律可得 B10 為最佳配合比,其抗壓強度值最大,電通量值、氯離子擴散系數值最低,抗滲透性能最強。

        3.5 SEM 分析

        綜合上述宏觀試驗結果討論,B10 為最優配合比,基于此展開 B10 的 56 天斷面微結構 SEM 分析,通過對比 B0、B10 微結構水化產物排布情況,有利于揭示 B10配合比高強、高耐久性的原因。為 B0 的 56 天硬化漿體斷面微觀形貌圖,斷面微結構中水化產物排列較為疏松,呈現出較多的“溝壑”形狀,“疏松”水化產物的排列和“溝壑形態”的出現制約強度、耐久性的發展;為 B10 的 56 天硬化漿體斷面微觀形貌圖,斷面微結構水化產物排布較為密實,且水泥水化生成的六方片狀晶體嵌于排布的水化產物中,進一步提高微結構的致密程度,因此 B10 配合比強度、耐久性較高。

        4 工程應用實例

        上述 B10 配合比現已應用于鄭萬鐵路墩身結構中,墩身混凝土結構澆筑完成后外觀。采用 B10 配合比改性后的墩身混凝土砂線明顯減少,同時墩身表面的細小裂縫基本上消除,大大提高墩身混凝土結構的耐久性。

        5 結束語

        對比 B0 ~ B10 配合比泌水率發展趨勢,B10 的泌水率最低,相當于 B0 的 29.88%,依據不同配比下坍落度值、含氣量值發展趨勢,保水劑摻量大于 0.05% 時,坍落度值、含氣量已不滿足于墩身混凝土設計要求,因此滿足墩身混凝土工作性指標和最低泌水率要求的保水劑最佳摻量為 0.05%?箟簭姸茸顑炁浔葹 B10(粉煤灰 - 礦 粉 - 水泥膠凝體系),其 56 天標準養護條件下抗壓強度可達59.4 MPa,相當于 B0(水泥膠凝體系)的 123.24%。56 天標準養護條件下電通量、抗氯離子擴散系數發展趨勢為 B0 > B3 > B6 > B8 > B10,B10 配合比現已應用于工程中,且較為有效的減少墩身“砂線”的現象。

        參考文獻

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        [2] GB/T 50080-2016 普通混凝土拌合物性能試驗方法標準 [S]. 2016.

        [3] GB/T 50081-2019 普通混凝土力學性能試驗方法標準 [S]. 2019.

        [4] GB/T 50082-2009 普通混凝土長期性和耐久性試驗方法標準 [S]. 2009.

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        [8] 劉秉京 . 混凝土技術 [M]. 北京:人民交通出版社,2004.

        [9] 陳建奎 . 混凝土外加劑原理與應用 [M]. 北京:中國計劃出版社,2004.

        作者:賈勝利

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