非萘系减水剂和复合超细粉对高性能混凝土渗透性的影响

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摘要： 使用非萘系高效减水剂和复合超细粉体配制的高性能混凝土具有较好的流动性、抗压强度和抗渗性。混凝土的扩展度达22cm以上，在2小时内坍落度损失少于3cm，可以满足远距离运输，混凝土28d的抗压强度达60MPa以上。测定的Cl- 扩散系数及通过的电量说明了使用非萘系减水剂和复合超细粉体配制的混凝土具有较好的耐久性能。关键词： 非萘系高效减水剂； 低坍落度损失； Cl- 扩散系数； 复合超细粉体 在混凝土中掺加一定量适宜的减水剂，可以改善混凝土的流动性，提高混凝土的强度，使混凝土具有良好的泵送性； 节约单方混凝土水泥用量，从而降低能源和资源消耗。混凝土减水剂在我国建筑业得到了快速发展与广泛应用，其中萘系磺酸盐甲醛缩合物类高效减水剂、三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物类高效减水剂、木质素磺酸盐减水剂、糖钙减水剂等在我国使用量较高。这些减水剂基本上能够满足现场搅拌、施工的需要，但对于夏季气温较高的南方地区、远距离运输的商品混凝土，存在着坍落度损失大、后期流动度小的缺陷，影响建筑物施工质量，导致混凝土的耐久性不良，缩短了建筑物的使用寿命[ 1 - 3 ] 。 进入21世纪，混凝土的生态环境化、高强耐久化、轻质多功能化将成为混凝土发展趋向，上述缺陷就必须克服。要解决这些问题，需要根据不同的情况，采用不同的方法，通过改善混凝土的微观结构而使其获得高性能化在目前还是比较重要、现实的方法之一。如： (1) 控制混凝土的单方用水量。混凝土的单方用水量对混凝土的性能影响很大。在日本以及欧美等国家，水泥用量可保持在500kg/m3 ，坍落度保持在200mm以上，混凝土的水灰比控制在0.25以下，完全能满足施工要求，已应用于高层建筑、大跨度工程、海上采油平台等工程，优势十分明显。控制混凝土的水灰比对控制混凝土的收缩开裂[ 4 ] 、提高混凝土的抗渗性与耐久性、混凝土的强度等十分有利。日本对混凝土的单方用水量进行了严格控制，按照日本建筑学会标准JASS5 规定[ 5 ] ，普通混凝土单方用水量不超过185kg/m3 ，高耐久性混凝土单方用水量不超过175kg/m3。本研究参考JASS5规定，选择用水量在175kg/m3 以下，以保证混凝土具有较高的耐久性。 (2) 粉体的应用。采用工业废渣超细粉，在不损害混凝土内部结构(孔结构、界面结构、水化物结构等) 发展和耐久性的前提下可减少30% ～50%水泥用量，减少了CO2 的排放量，降低了能耗和资源消耗[ 6 ] ； 而且这些活性的细掺合料含有大量稳定的硅、铝氧化物的火山灰质材料，能够填充混凝土中的毛细孔及其他孔隙，提高了混凝土的保水性能和抗渗性能； 混凝土的初、终凝时间推迟了1h～2h，工作性能保持良好，有利于混凝土的泵送施工； 降低了混凝土水化热，可有效地控制混凝土的温度收缩裂缝。针对不同的使用环境与条件，选择适当品种的矿物质粉体复合物，取代混凝土中的部分水泥，可以提高混凝土的胶结黏度，降低新拌混凝土的泌水，减少离析与分层，克服单掺粉体的缺陷，从而使硬化混凝土的结构均匀，耐久性提高，寿命延长[ 7 ] 。水胶比W /B为014的硅酸盐水泥混凝土(基准混凝土) 的Cl- 扩散系数约为218 ×10- 12m2 / s； 在相同的水胶比(W /B = 0.4) 情况下，用比表面积500m2 /kg的磨细矿渣取代30%水泥，混凝土的Cl- 扩散系数约为1.4×10- 12m2 / s。由此可见，通过粉体技术，可使Cl- 扩散系数大幅度下降[ 8 ] ，耐久性明显提高。 (3) 减水剂的选用。减水剂对水泥具有较高的分散性，能大幅度降低单方混凝土的用水量，控制混凝土的坍落度，方便施工； 可以提高混凝土的耐久性，延长建筑物的使用年限； 减水剂可以吸附在胶凝材料粒子的表面，形成各种各样的形态； 另一方面在水泥的水化反应过程中，对水泥浆体系中的粒子进一步活化与分散，阻止水泥浆的团聚，防止坍落度损失，保持水泥的分散能力。因此，选择减水剂应从高的减水率、良好的分散及控制坍落度损失、较低的含碱量、较低的价格而且具有较好的耐久性、不污染环境等多方面来综合考虑。
高性能非萘系减水剂可显著降低混凝土的水灰比，使混凝土结构更加密实，耐久性提高； 复合超细粉体在早期物理填充作用和后期活化作用的叠加特性使混凝土完全满足现代建筑要求，基本上解决了萘系减水剂所配制的商品混凝土坍落度损失大、裂缝严重、耐久性不良等缺陷，且造价低，减水率高，应用前景好。
1 　 原材料及试验方法
1.1　 原材料 水泥： 江苏某水泥厂生产的42.5硅酸盐水泥； 3天抗压强度31.6MPa，抗折强度6.15MPa； 28 天抗压强度64.0MPa，抗折强度8.35MPa。
粉体： 1#粉煤灰+沸石粉( FA +NZ) ； 2#矿渣粉+粉煤灰( SG + FA) ，比表面积为500～550m3 /kg。 骨料： 砂子为中砂，细度模数2.9，比重2.58，容重1510kg/m3 ，含泥量< 2.4%。碎石为5～30mm的花岗岩碎石，比重2.58，容重1390kg/m3 ，压碎值12.5% ，含泥量< 2.0%。
减水剂： 1) 非萘系复合高效减水剂FT (氨基磺酸盐类) ，2) 萘磺酸盐系减水剂NF。1.2试验方法 混凝土力学性能试验按《普通混凝土力学性能试验方法》(GB50082—2003) 进行。抗渗性试验按照我国规范GBJ82—85 进行，试件尺寸： 顶面Φ175mm，底面Φ185mm，高150mm。从0.1MPa 开始，每隔8h增加0.1MPa水压，直至6个试件中有3个端面渗水，停止试验，记录水压，并以此计算抗渗等级。氯离子扩散系数及通过电量的测定是根据Nernst-Planck方程，参考路新瀛[ 9 ]提出的Cl- 扩散系数的测定方法。试样的制备是将28d龄期的试块切成10cm ×10cm ×10cm左右试件，抽真空、脱水，然后浸泡在浓度为4mol/L的氯化钠溶液中直至饱和。2 　 结果与分析
2.1　配比及结果 混凝土试验配合比如表1所示，试验结果见表2。 由表2 可见： 使用萘系减水剂配制的混凝土在1.5h后就出现较大的坍落度损失，难于泵送。 从No.1、No.2 和No.3 来看，非萘系高效减水剂( FT) 代替萘系减水剂的掺量提高，混凝土的初始流动性从19.5cm逐步增大到24.5cm，2h后流动性从18.0cm 逐步增大到22.0cm； 抗压强度略有下降，但差别不是很大(对No.1和No.2来讲) 。
从No.3 和No.4 来看，用非萘系高效减水剂( FT) ，混凝土的流动性、强度随水胶比的不同而不同，但差别不大，2h内坍落度损失均少于3cm。 用FT高效减水剂，使用不同的复合粉体，如No.4和No.5，对流动性、强度有一定的影响，但影响不明显，2h内坍落度损失均少于3cm。 用FT高效减水剂的水剂，如No.6和No.7，在不同的用水量情况下，其流动性不同，与使用粉剂的No.3和No.4 差别不大，2h 内坍落度损失均少于3cm，但抗压强度略有下降。2.2　 抗渗性试验
2.2.1　抗水渗性试验 使用No.1 混凝土，超细粉为( FA +NZ) 的抗渗试件进行抗渗试验，抗渗等级达P35，打开试件，渗水高度约为2～3cm。
使用No.5 混凝土，超细粉为( FA + SG) 的抗渗试件进行抗渗试验，抗渗等级达P38，未发现渗漏，打开试件，渗水高度为3～4cm。 以上试验证明，试验室用两种粉体配制的混凝土，在掺加非萘系高效减水剂的同时，其抗渗标号远远超过原设计P8的抗渗等级。2.2.2 氯离子扩散系数及通过电量的测定 根据Nernst-Planck方程，测定并计算了No.1和No.5 的Cl- 扩散系数。其中No.1 为6.8 ×10- 9cm2 / s，No.5为7.2 ×10- 9 cm2 / s，两者的Cl- 扩散系数相近。按照国外普通混凝土和高性能混凝土的Cl-扩散系数的一般范围，普通混凝土Cl- 扩散系数的下限(0.3～0.5) ×10- 8 cm2 / s，在海洋环境下(Cl-浓度约为0.5mol/L) ，保护层厚度2 ～3cm，使用年限可达70多年。高流动性及高性能混凝土的Cl- 扩散系数为0.7 ×10- 8 cm2 / s左右，Cl- 浓度0.5mol/L，保护层厚度4～5cm，其耐久性可达65～70年[ 5 ] 。 根据AASHTO T277[ 10 ] 和ASTM C1202[ 11 ] 方法，测定真空饱水试件持续6h通过的总电量Q，由通过电量判断Cl- 渗透性大小，按以下标准判断Cl- 的渗透性。
通过对No.1及No.5试件的三个试样，测定6h通过的总电量，计算其平均值。
No.1为1220C，No.5为1230C。 由No.1及No.5测定的6h通过的电量，对照表3分析，Cl- 的渗透性属于低档范围，与Cl- 扩散系数及抗渗性试验的结果是一致的。通过微观结构观察掺加复合超细粉体和非萘系高效减水剂的界面结构发现结构比较密实(见图1) ，说明使用这种非萘系高效减水剂和掺加复合超细粉体可以使混凝土具有较高的密实度和强度，提高了混凝土抗渗性能，从而有效地提高混凝土的耐久性能。3 探讨 非萘系的高效减水剂，具有比较高的减水率和分散性能，又有控制坍落度损失的功能，这主要是由于它的分子链不同。萘系减水剂的分子链为刚性横卧链，而非萘系高效减水剂所含的分子链属于柔软链，与萘系减水剂相比，非萘系的高效减水剂保持水泥的分散能力不同。水泥粒子吸附这种高分子的柔软链以后，离子间作用的全能量进行有效叠加。全能量(VT ) 是立体排斥力(VRS ) 和范德华引力(VA ) 的总和，是粒子间的移动力[ 12 ] 。其总和为“ + ”时处于分散状态，总和为“ - ”时表示为凝聚状态。由于这种立体作用，使其具有更大的分散效果； 同时，通过这种立体排斥力，能保持其分散系统的稳定性，从而使该减水剂具有其他减水剂所没有的特殊性能，使混凝土具有较高的减水率、流动性，同时又具有较好的保塑性，减少混凝土坍落度损失。 萘系及三聚氰胺系高性能减水剂的Zeta电位经时变化降低很快，60min 后由原来的30mV 降至10mV以下，非萘系高效减水剂的Zeta电位在90min内基本不变，而坍落度损失与Zeta电位变化密切相关。萘系、三聚氰胺系以及多羧酸系高性能减水剂，吸附在胶凝材料的粒子表面，具有各种各样的形态；另一方面由于水化反应的进行，水泥浆体系中的粒子进一步活化与分散，因此，这些超细粒子的水化物进一步又要吸附更多的高性能减水剂的分子，电性被中和，静电排斥作用及立体的排斥作用也随之降低，平衡受到破坏，范德华引力的作用变成主导，水泥浆开始凝聚，坍落度损失增大。 掺加超细粉体可提高混凝土抗氯离子渗透能力，这主要因为超细粉体的密实、填充效应和火山灰效应，降低混凝土孔隙率以及改善孔隙特征，有效地延长毛细孔通道，从而提高混凝土抗氯离子渗透性能。不同品种的超细粉体复合物，由于其化学成分、颗粒形状以及火山灰效应的差异，在混凝土中所呈现的效果也是不同的。另外，超细粉体对氯离子的物理吸附和化学结合作用也是不可忽视的重要因素。4结论 非萘系高效减水剂的分支比较多，疏水基分子链较短，极性较强，可以有效地控制混凝土坍落度损失，能保证混凝土在2h内的坍落度损失≤3cm，且该减水剂具有较高的减水率。
通过控制混凝土单方用水量≤175kg/m3 ，用矿物质粉体取代混凝土中的部分水泥，掺入非萘系高效减水剂，能有效地提高混凝土的抗渗性，抗渗等级可达P35以上。 非萘系高效减水剂掺入混凝土后，能有效地降低Cl- 扩散系数及通过的电量，属于Cl- 渗透性“低”的应用范畴。参考有关资料分析与计算，这种混凝土的使用寿命可达65～70年以上，使混凝土具有较高的使用寿命。
非萘系高效减水剂与大掺量活性细掺料的复合作用使混凝土的性能得到改善和提高，大大减少了水泥用量，提高工程质量，降低工程成本，经济效益和社会效益是非常显著的。

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