一种应用于低总胶自密实混凝土的新型粘度改性剂

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因此,如果自密实混凝土需求量大幅增加,相关行业部门应该集中资源,以找到一个创新之 路来推广该类型自密实混凝土。
3 低总胶用量的自密实混凝土
在传统自密实混凝土的技术条件下,商品混凝土生产商需使用较多的胶凝材料来配制自密实 混凝土。这些胶凝材料通常是搅拌站现有的水泥与火山灰材料。由于材料变化引起的自密实混凝 土性能的波动可以通过改变胶凝材料用量与高效减水剂的掺量来调整。而所需额外的胶凝材料使 用量以及涉及到的物流(额外的筒仓、延长的搅拌时间、严格的原材料质量控制等等)会增加生 产成本,最终降低利润。因此在保证自密实性能的前提下,应尽量降低总胶用量,从而降低混凝 土单方成本。
流动度, cm
71 cm 67 cm 64 cm
T50, s
2 3 6
V 型漏斗通 过时间, s 中断
9 73
54 cm
3
中断
66 cm
4
26
68 cm
3
28
56 cm
12
中断
混凝土状态
泌水、离析 +10 l/m3 水后离析 +10 l/m3 水后离析 增加水或减少 VMA,状态无
改善。 +10 l/m3 水后离析 泌水、离析,增加 VMA 后流
动度降低。
+10 l/m3 水后离析
一般情况下,使用 350kg/m3 的胶凝材料可以获得比较满意的流动度(630~670 mm)与 V 漏斗通 过时间(8~20s)。 而改用其它水泥试验同样可以获得较好的流动性能,但是过一段时间混凝土会 离析。如果通过增加 VMA 的掺量来使混凝土稳定,那么其流动性会有相当大的下降,继续增加高 效减水剂掺量或者用水量来增加流动度将会使离析现象再次发生。在此情况下,我们应该考虑是 否需要对 VMA 进行一定的改进,让混凝土有较低的屈服值来提高其流动性以及拥有足够的塑性粘 度来阻止混凝土的离析,也就是说,应该使混凝土保持匀质性且不影响流动性能。理想状态下, 混凝土在静止时也应该展示其触变性能。另外重要一点是考虑整个体系的稳定性,当在混凝土配 比中加入 10L 左右的水时,混凝土也应同样保持匀质。
5 特制的粘度改性剂
一般情况下,粘度改性剂通过增加较大的屈服值与较少的塑性粘度来提高混凝土的稳定性 (图 4)。屈服值小于 10 Pa 对于混凝土影响不大,而单纯增加塑性粘度的 VMA 也不能获得足够 稳定的混凝土拌合物,当塑性粘度大于 80 Pa*s 时,混凝土拌合物由于粘滞导致流动速度较慢。
τ0
摘要:在欧洲,自密实混凝土(Self-consolidating concrete, SCC)已被广泛应用于预制构件,且其 优越性已被证实,但在商品混凝土领域情况却截然不同,自密实混凝土目前在该领域的使用量依 然很低。通常,商品混凝土制造商要销售低强度等级的自密实混凝土时,其实际强度均要高于设 计值,因为他们需要使用较多的胶凝材料如水泥、火山灰等来满足其较高的和易性要求,这必然 会导致生产成本的增加。在保证自密实混凝土相关性能的前提下,减少总胶用量可以降低单方混 凝土成本。基于此,本文介绍了一种新型粘度改性剂(VMA)。使用该新型粘度改性剂可以配制 出总胶在 380kg/m3 以下,扩展度为 600mm~670mm 的低强度自密实混凝土。
桥接水泥
桥接细骨料
图 3 VMA 作用机理
本文主要目标是介绍一种新型 VMA 技术,使其在混凝土加水后(每立方混凝土多加 10L 水, 相当于拌和水量变化 4%)能维持稳定的状态。
3.3 设计参数
关 于 测 试 项 目 一 些 重 要 参 数 已 被 确 定 : 总 胶 用 量 不 超 过 380 kg/m3 , 流 动 度 应 在 600mm~670mm 之 间,T50 不超 过 12s,无 明显泌水。因无足够数据 ,低总胶自密实混凝 土 (SDC)V 漏斗通过时间不确定。考虑到商品混凝土生产商的需要,自密实保持时间定为 90min。 VMA 应该有一合理的掺量,总之,它应该是“用户友好型”产品 ,即它应该按普通 VMA 掺量添 加,且不显著改变混凝土拌和流程,也就是说,系统应与水泥、集料及外加剂有效联合并保持稳 定,即使每立方混凝土用水量变化 10L 左右也能保持很好的状态。总之低总胶自密实混凝土必须 是稳定的。
1 前言
自密实混凝土技术出现于上世纪 80 年代,并很快在亚洲各地尤其是日本推广开来,与此同时 一些指导工程实践的建议和标准也陆续公布。日本土木工程师协会在《自密实混凝土应用指南》 中提出自密实混凝土有三种类型:粉末型(P)、粘度剂类型(V)以及混合型(C)[1]。其中粉末 型要达到自密实效果主要是通过降低水胶比来获得足够的抗离析性能以及掺加适量的高效减水剂 与引气剂来获得必要的流动性。粘度剂类型自密实混凝土要获得自密实效果主要是使用粘度改性 剂来达到足够的抗离析性能,高效减水剂与引气剂同样被使用以获得必要的流动性。该种类型自 密实混凝土通常使用在水下浇筑方面。
VMA 类型
No VMA Modified cellulose + 3% VP Stab 332-5997 + 0.7%
Nano silica + 5%
Polysaccharide + 150 g/m3
Xanthan gumቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ+ 1.5%
Modified polyacrylamide + 2%
表 1 普通粘度改性剂的相关性能
表 2 新型粘度改性剂的性能
VMA 种类及掺量
流动度-5’,mm 流动度-90’, mm T50-5’,s T50-90’,s V 型漏斗通过时间-5’,s V 型漏斗通过时间-90’,s L 型槽-5’,h1/h2 L 型槽-90’,h1/h2
VP STAB 4036103—2%
680 625 4 8 11 19 0.87 0.81
较高的胶凝材料用量使自密实混凝土产生较大的塑性粘度,因而适合使用在重加固结构中, 日本土木工程师协会[1]推荐其应用于钢筋用量在 350 kg/m3 以上的情形。
低总胶用量的自密实混凝土特征是有较高的屈服值及较低的塑性粘度,因而适于使用在钢筋 用量低于 100 kg/m3 且比较轻的加固结构。该类型混凝土适合使用在混凝土强度等级为 C25-C30 的结构中,而 C25~C30 等级的混凝土有三亿二千五百万立方米,这大约占了欧盟商品混凝土的 88%[3]。
VP STAB 5216266—3%
690 600 7 12 18 35 0.92 0.83
VP STAB 521-6270 —2.5%
660 560 8 11 24 56 0.83 --
6 现场试验
在产品投放市场之前,我们优选了一些合作伙伴进行大试,其中与两家商品混凝土公司一起 进行的现场试验其数据如表 3:
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Stable area
Stable area
Ref
Reference
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图 4 粘度改性剂对流动性能的影响
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图 5 所需粘度改性剂的性能
3
因此,我们开发了一种新型 VMA,它可以通过调整用水量、含气量与减水剂掺量从本质上影 响混凝土塑性粘度与屈服值(图 5),从而通过调整 VMA 掺量来提供混凝土必要的流变性能。我 们应用前述混凝土配合比测试了该类 VMA,其试验结果见表 2。其中使用了四种类型水泥,碎石 与天然石、粉煤灰与石灰石填料以及三种聚羧酸高效剂来测试其兼容性,结果发现 Stab 403-6103 粘度改性剂性能表现最为优异。同时研究了每方混凝土多掺 10L 水后混凝土的饱满度与稳定性, 实验室结果表明 Stab 403-6103 粘度改性剂性能同样令人满意,因此我们决定进行混凝土现场试 验。
自密实混凝土已被广泛应用在预制构件行业,它的诸多优越性已被证实,综合性价比高,同 时可以增加预制件的美学效果及耐久性能。据估计,全世界应用于结构的预制构件超过 50%使用 的是自密实混凝土,但在商品混凝土行业,情况却截然不同,为何差异如此之大?
2 市场上的自密实混凝土
即使具有相同的性能(如新拌混凝土的坍落度、流动度、T50、V 漏斗通过时间以及硬化混凝 土的抗压强度),自密实混凝土的材料组成(或配合比)也会随着工厂与国家地域的不同而不 同。Wallevik[2]报道不同国家自密实混凝土配比中的胶凝材料与用水量差异很大。在预制构件行 业,自密实混凝土的优越性显而易见,它可以简化生产流程,节约材料成本,提高质量,增加产 量,减少修补,降低噪音以及提高安全。而商品混凝土生产商不会从它的生产过程中直接收益, 他只有销售自密实混凝土的性能给自己的最终客户。
2
我们选择了资料可查且市场上常见的 15 种粘度改性剂,同时合成了 5 种新型的 VMA。由于 这些 VMA 会影响混凝土的屈服值(流动度)与塑性粘度(T50 和 V 漏斗通过 时间),因而我们 会通过混凝土试验来检测它们的性能,其配比中水泥为 CEM II 42.5 A/L 类型,用量 350 kg/m3 。 所用集料为饱和面干状态,不含可通过 0.1mm 筛的细粉,且最大尺寸 20mm。每立方混凝土用水 量 185L。所用聚羧酸高效减水剂掺量 0.8%,VMA 作为最后一个组分在高效减水剂之后掺入,且 掺量是按照胶凝材料的百分比来计算。一些 VMA 的试验结果如表 1 所示:
• 700 mm
90
• 750 mm
120
高屈服值混凝土比较硬且难于流动,高塑性粘度混凝土流动性可以但流动速度缓慢。如果塑 性粘度很低,那么混凝土流动性好,但是会发生离析与泌水现象。稳定的混凝土其屈服值与塑性 粘度应该在蓝色区域内,但此时性能还达不到自密实混凝土的要求,只有在绿色区域内的混凝土 其性能才能满足自密实混凝土的和易性要求。
一种应用于低总胶自密实混凝土的新型粘度改性剂
Dr. Mario Corradi1, Dr. Jan Kluegge1, Nilotpol Kar2, Dr. Bruce Christensen1 and Jianying Yang1 (1.巴斯夫化学建材亚太区,上海;2.巴斯夫化学建材亚太区,新加坡)
3.1 主要性能
基于此,我们研究使用较低的胶凝材料来配制自密实混凝土(此时总胶用量低于 380 kg/m3 , 甚 至 可 能 低 于 350kg/m3 ) 以 取 代 C25~C35 的 普 通 商 品 混 凝 土 , 从 而 可 以 节 省 额 外 的 填 料 (100~150kg/m3),最终降低成本。粘度改性剂应该保持自密实混凝土的匀质性且改善它的状态,而 不能通过增加塑性粘度来显著影响混凝土流动性(低屈服值)。配比中水泥用量决定于强度等 级、耐久性要求以及水灰比,剩余的胶凝材料则由填料补充。很明显在该研究中,相对于水灰比 的变化,普通 VMA 不能提供必要的稳定性。因此我们发明了一种新型的粘度改性剂。
使用大掺量胶凝材料标准自密实混凝土的性能也可通过掺加特制的 VMA (图 2)来获得。
1
骨架
亲水性链
憎水性基团
负电荷
图 2 VMA 简化分子结构模型
VMA 提高了混凝土的稳定性及工作性,其作用机理如图 3。长的分子链联接着水泥与细骨 料。通过不同官能团间的交互作用,它们像“柔性胶”一样保持细粉颗粒处于匀质的悬浮状态。 这种机制使混凝土在较少总胶用量的情况下能够获得比较稳定的浆体。因此,这种 VMA 有能力将 离析的混凝土转变成比较稳定且状态较好的混凝土。
一般情况下,当商品混凝土生产商销售自密实混凝土,尤其是强度较低的 SCC 时,他们提供 的强度要高于设计值,从而导致自己的材料成本增加,因为他需要通过提高胶凝材料的用量来满 足自密实混凝土必须的特殊性能。这些胶凝材料一般是水泥、火山灰材料以及石灰石填料等等, 而过多的水泥或其它胶凝材料用量直接导致生产及运输成本的增加,因此在保证自密实性能的前 提下,降低胶凝材料的用量会减少混凝土的单方成本。除预制构件外,自密实混凝土还用于对加 固及有强度要求的领域。在结构中使用自密实混凝土,必须确保满足设计参数的可靠性及耐久性 要求。
3.2 SDC 的流变学
大流动混凝土流变学可用两种主要参数来定义其性能:(1)屈服值,表征其抵抗从静止到运 动的能力;(2)塑性粘度,表征其抵抗运动速度增加的能力。
160
120
屈服值 (Pa)
80
• 550 mm
40
0 0
• 600 mm
• 650 mm
30
60
塑性粘度 (Pa*s) 图 1: 屈服值 VS 塑性粘度
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