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外加剂组分对高韧性低收缩混凝土性能的影响

来源:石家庄市海森化工有限公司  日期:2017-03-10 13:35:01  属于:产品技术
文章摘要:研究外加剂中减缩、增韧和黏度调节组分对混凝土工作性能、力学性能、体积稳定性能、弯曲韧性指数等的影响,探讨外加剂减缩、增韧和黏度调节的机理,制备了高韧性低收缩混凝土:28d抗折强度>7.0MPa,28d抗压强度50~56MPa,弯曲韧性指数I20>20,180d干燥收缩率小于430×10-6,并成功应用于遂西高速李家户大桥桥面铺装,取消了钢筋网片,取得了显著的经济效益。
目前,在混凝土梁上铺装整平层混凝土时推荐采用钢筋网与8~12mm厚的混凝土形成的铺装结构体系。但是从多年的桥梁施工情况和应用现状来看,这种结构形式存在诸多问题。

(1)梁体混凝土和铺装层混凝土浇筑完成龄期相差较大,两层混凝土体积变形不一致,梁体混凝土限制铺装层混凝土的收缩,在铺装层表面形成较大的拉应力,易造成铺装层开裂;

(2)现场焊接的钢筋网片网格间距不等,绑扎马虎,极易出现钢筋脱落,且钢筋网下垃圾和积水难以清理,影响桥面铺装质量;

(3)混凝土梁预制精度差,使主梁顶面凸凹不平,在浇筑铺装层混凝土时,容易出现厚薄不一的现象,有些部位混凝土的厚度甚至不超过2cm,引起铺装层混凝土受力和变形的极大不协调,造成铺装层开裂;

(4)在铺装层施工过程中,由于车辆的碾压以及人为的踩踏,使钢筋网片紧贴梁体的顶面,出现钢筋网“沉底”的现象,降低了钢筋网对桥面铺装层混凝土力学性能的贡献,钢筋网片在铺装层中的作用受到质疑;

因此,针对以上问题,开发一种收缩小、韧性高、各向同性、匀质且与桥面板黏结性能好、整体性高的材料是解决混凝土梁桥面铺装层开裂,改善混凝土梁桥面铺装结构,提高桥面铺装稳定性能的关键。而制备高韧性低收缩混凝土需要对外加剂中相应的功能组分进行优化。

外加剂组分对高韧性低收缩混凝土性能的影响

1、试验原材料及配合比

采用P·O42.5级水泥,II级粉煤灰,5~16mm和16~26.5mm连续级配卵石破碎型碎石、0~5mm卵石破碎型机制砂,多锚点钢纤维和聚丙烯腈纤维。各原材料性能指标如表1~6所示。



根据性能及施工要求,采用密实骨架堆积理论设计高韧性低收缩混凝土的配合比,如表7所示。

2、外加剂的开发

针对混凝土梁桥面铺装层对混凝土性能的要求,采用分子结构中带有锚固基团的C-C主链和聚酯、聚醚、聚丙烯酸酯等聚合物侧链组成的聚羧酸高效减水组分为母体,对具有减缩、增韧、黏度调节等作用的组分进行研究和优化设计,开发出适用于制备高韧性低收缩桥面铺装层混凝土的复合型外加剂。

2.1减缩

钢筋网片在混凝土梁桥面铺装层中起到的力学作用主要是增强混凝土纵向和横向的受力,提高铺装层混凝土的抗弯性能,限制收缩,防止大面积开裂,然而在桥面使用过程中,铺装层受到复杂力系的耦合作用,各个方向都会产生收缩,都有开裂的可能。因此,需要研究混凝土收缩的机理,通过改善混凝土本身结构组成情况来降低混凝土收缩,使混凝土各向同性、匀质。

混凝土产生干燥收缩和自收缩的原因主要是新拌混凝土中含有大量毛细孔,这些毛细孔中充满了自由水,在混凝土硬化的过程中,大量的自由水通过毛细孔蒸发,由于水的表面张力作用而使水分在毛细孔中形成弯曲的凹液面,产生附加压力造成毛细孔孔径变小,从而引起混凝土干燥收缩和自收缩。减缩剂的主要组成成分是低级醇的环氧化合物和烷基聚氧乙烯醚,含有亲水的极性基团和憎水的非极性基团,亲水基团与水分子相互吸引溶于水,憎水基团与水分子相互排斥,减缩剂在混凝土的毛细管内,可以降低孔溶液的表面张力,从而降低混凝土的干燥收缩和自收缩,这就是减缩剂的工作原理。

2.2增韧

增韧聚合物主要组成成分为对氨基甲酸酯嵌段共聚物进行改性处理后得到的一种具有超长分子链的硅氧烷和聚醚基团。增韧聚合物的超长分子链相互缠结形成网络状骨架体系,镶嵌在水泥石之中可以提高混凝土的机械强度以及韧性,同时网络骨架结构自身的变形可以起到吸收结构应变能的作用,混凝土在受到外力冲击,结构内部形成微裂纹后,增韧聚合物耗散应变能而使微裂纹的扩展需要吸收更多的能量才能实现,从而起到对混凝土增韧的效果。图1为本研究采用的增韧组分A的分子结构图。

 

图1增韧组分A分子结构图

通过研究增韧组分A掺量对C-S-H凝胶29SiNMR图谱的影响可以看出,随着增韧组分A掺量增加,C-S-H凝胶聚合度和分子链长增加,从而提高了水泥浆体的韧性。

2.3黏度调节

由于机制砂级配较差,细度模数较大,颗粒棱角分明,引起混凝土拌合物包裹性能、黏聚性能不良,影响混凝土的和易性,在实际生产中,需要加大外加剂用量和用水量,在混凝土振捣时,容易造成矿物掺合料上浮而影响混凝土的耐磨性能,且混凝土拌合物易泌水、离析等。因此,需要调整外加剂中的黏度调节组分,使浇筑的混凝土是均匀的整体,不出现骨料下沉而导致的离析现象,提高梁体和铺装层的黏接性能,以保证桥梁施工质量。

图2不同掺量增韧组分的BFS-C-PC体系C-S-H凝胶29SiNMR图谱



外加剂中黏度调节组分的分子结构中的羟基和醚键上的氧原子可以与水泥浆体中自由水分子形成氢键,将水泥浆体中的自由水变成结合水,使得水泥浆体中的自由水减少,增加水泥浆体的黏度,从而起到保水、增黏的作用。

3、各功能组分混凝土性能的影响

3.1减缩组分对混凝土体积稳定性能的影响

采用表7所示的配合比,通过在混凝土中掺入胶凝材料质量的0.1%、0.3%,0.5%的减缩剂,对比普通混凝土的干燥收缩,得到如表8所示的试验结果。

 

表8减缩剂对混凝土性能的影响

从试验结果可以看出,随着减缩剂掺量的增加,混凝土拌合物的坍落度增大,收缩率明显降低。其中减缩剂掺量为0.3%时,3d干燥收缩率比空白组降低了34%,180d干燥收缩率降低了16%。说明减缩剂的掺入可以大大降低混凝土的干燥收缩。

3.2增韧组分对混凝土性能的影响

3.2.1力学性能

在相同的混凝土配合比基础上,通过在混凝土中掺入胶凝材料质量的0.3%、0.5%、0.7%的增韧组分,研究增韧组分对混凝土抗压强度的影响,试验结果如表9所示。

表9增韧组分对混凝土抗压强度的影响

可以看出,随着增韧组分掺量提高,混凝土抗压强度略有降低。

3.2.2界面黏接

将混凝土中骨料和水泥浆体界面结合的情况用扫面电镜在不同放大倍数下进行拍照,得到图3,图3中:“/”前面的数字表示增韧剂掺量(%),“/”后面的数字表示放大倍数。

图3扫描电镜照片


从扫描电镜的图片可以看出,普通混凝土从放大500倍到5000倍的照片中都可以很清楚的观察到水泥砂浆和骨料的界面,而添加0.3%增韧剂的混凝土在放大50倍下可以清楚的看到骨料与水泥砂浆的界面,当放大到100倍时界面变的模糊,放大到超过500倍时已经无法辨别出水泥砂浆和骨料的界面,说明增韧剂的添加使水泥砂浆和骨料的结合变的紧密,混凝土具有更好的一体性;添加0.5%增韧剂的混凝土在放大100倍的照片中只能通过气泡和孔洞分辨的出骨料和水泥砂浆,放大到500倍时,分辨不出两者的分界面,说明随着增韧剂掺量的提高,水泥砂浆和骨料黏接的更加紧密,混凝土的一体性得到更进一步的提高,各部分连接紧密的混凝土比普通混凝土的韧性也得到很大程度的提高。

3.3.3弯曲韧性指数

图4为不同掺量增韧剂钢纤维混凝土的载荷-挠度曲线。增韧剂掺量为相对于胶凝材料的质量百分比,且除增韧剂掺量外,其他原材料的配合比都相同。

图4不同增韧剂掺量钢纤维混凝土的载荷-挠度曲线



将数据导入origin中,用积分的方法求出各曲线对应I20的OAB和OAGH的面积,然后计算得到弯曲韧性指数I20,分别为:普通混凝土I20=16.25,添加0.3%增韧剂I20=19.17,添加0.5%增韧剂I20=21.63,比普通混凝土提高了33%。可见,增韧剂的添加对混凝土弯曲韧性有很大的提高。

3.3黏度调节组分对混凝土工作性能的影响

试验结果表明,黏度组分对混凝土工作性能有很大的影响,随着掺量增加,混凝土的坍落度先上升后下降,当增黏组分的掺量为0.05‰时,混凝土的工作性能最符合施工要求。

采用以上各功能组分对混凝土性能进行优化调节,最终制备出高韧性低收缩混凝土,混凝土性能如表11所示,成功应用于遂西高速李家户大桥(长126m,宽24.5m)桥面铺装,取消了钢筋网片,较普遍采用的普通混凝土加钢筋网的桥面铺装结构,工程造价降低了6万多元,施工进度加快了近3倍,取得了显著的经济效益。

表10外加剂黏度调节组分对混凝土工作性能影响


注:掺量为黏度调节组分与胶凝材料总量的比。

表11高韧性低收缩混凝土的性能

4、结论

随着减缩组分掺量的增加,混凝土干燥收缩率明显降低,混凝土坍落度增大,掺量超过0.3%时,粉煤灰上浮,混凝土离析、泌水;

随着增韧组分掺量的提高,混凝土胶凝浆体中C-S-H的聚合度和分子链长增大,浆体和骨料界面孔隙率降低,界面结构致密,弯曲韧性指数增大;掺量超过0.5%时,混凝土抗压强度略有降低;

随着黏度调节组分掺量增加,混凝土浆体黏度增加,混凝土匀质性和界面黏接强度提高;掺量超过0.05‰时,浆体黏稠,流动性降低;

制备出了低收缩高韧性C40桥面铺装层混凝土:28d抗折强度>7.0MPa,28d抗压强度50~56MPa,弯曲韧性指数I20≥20,180d干燥收缩率(相对湿度:(60±5)%)小于430×10-6,并成功应用于遂西高速李家户大桥桥面铺装,取消了钢筋网片,取得了显著的经济效益。


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