新型高效混凝土外加劑的應用與現(xiàn)狀

　　現(xiàn)代建設工程和工程建筑物及其施工技術對混凝土的要求越來越多也越來越高，不僅要求具有適當?shù)目箟骸⒖拐?、抗拉、抗彎強度，而且要求其具有高抗凍性、抗?jié)B性、耐腐蝕性、抗堿-骨料反應性、致密性和耐久性，以能抵抗各種來自內(nèi)部或外部因素的破壞，并要有合適的流動性和成型及水化性能，以滿足各種施工環(huán)境和施工條件的要求。因而在混凝土的制備過程中，通常要在其拌合物中或拌合前摻入不大于水泥重量一定比例(通常為5%)的外加劑，以期改變或改善混凝土性能諸如流動性、和易性、早期強度、抗凍性、抗?jié)B性、水化進程等。尤其是在21世紀，高強、高性能及高耐久性混凝土的發(fā)展和應用更是離不開各種高效外加劑的使用。為滿足和適應這些要求，世界各國混凝土材料專家進行了大量的研究、開發(fā)和應用，不斷地研制各種外加劑及其復合應用，使混凝土的性能改善取得了明顯成效。
1　新型高效減水劑
　　高效減水劑是上世紀60年代開發(fā)出來的減水劑。1963年，聯(lián)邦德國研制成功三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮聚物，同時出現(xiàn)的還有多環(huán)芳烴磺酸鹽甲醛縮合物。由于這三種外加劑對水泥有強的分散能力，減水率高達20%~30%，而不同于普通的塑化劑(減水劑)，因而稱為高效減水劑或超塑化劑。高效減水劑給混凝土帶來了變革性的變化，促進了高強混凝土、流態(tài)混凝土和集中攪拌的商品混凝土的發(fā)展，已廣泛用于制備自流平砂漿和混凝土、水下澆灌混凝土、宏觀無缺陷混凝土和高性能混凝土等。伴隨著高強度、高流動性混凝土的技術發(fā)展，混凝土外加劑有了很快地發(fā)展。最初發(fā)展起來的是萘系、密胺系高效減水劑，近年來聚羧酸系減水劑的優(yōu)越性能已得到國際上廣泛的認同和普遍使用。在混凝土中摻入高效減水劑后，許多性能如微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、吸附性、硬化速度、強度等都將發(fā)生改變，水泥礦物水化和水泥本身的一些性能也會受到影響。新型高性能減水劑是目前國內(nèi)外高性能混凝土技術發(fā)展的一個重要方面。
1.1　聚羧酸系高效減水劑
　　多年來，科研和生產(chǎn)部門采用把減水劑與緩凝劑的復合物摻入混凝土以使坍落度損失有所減緩，但仍未根本上解決問題。聚羧酸系減水劑的問世，使高流動、低坍落度損失混凝土的制備得以實現(xiàn)。近年來，通過“分子設計”合成聚羧酸系高性能減水劑并探討其結(jié)構(gòu)與性能之間關系的研究非?；钴S。聚羧酸系物質(zhì)由于其分子結(jié)構(gòu)特性具有很多優(yōu)點，低摻量發(fā)揮高效塑化效果、坍落度保持性好、水泥適應性廣、減水效率高、分子構(gòu)造上自由度大、合成技術多，因而高性能化的余地很大。
　　在結(jié)構(gòu)特征上，聚羧酸系減水劑完全不同于傳統(tǒng)的萘磺酸甲醛縮合物或磺化三聚氰胺甲醛縮合物類高效減水劑，其親水性的官能團主要為羧基，而憎水性的聚合物主鏈則主要是脂肪族結(jié)構(gòu)單元，在線形主鏈上還帶有許多一定長度的側(cè)鏈，形成所謂的梳形結(jié)構(gòu)。它的分散和分散保持性能與化合物的結(jié)構(gòu)有密切關系，良好的結(jié)構(gòu)特征可以使其在混凝土中作為減水劑使用時，在用量很小的情況下就會對水泥顆粒產(chǎn)生很強的分散作用，而且這種分散作用還不會隨著時間的延長而明顯降低，即表現(xiàn)出較好的坍落度保持性能。
　　聚羧酸系高性能減水劑是配制免振搗自密實高性能混凝土和高強超高強高性能混凝土的首選外加劑，混凝土配合比設計參數(shù)變化較大，性能得到顯著改善。聚羧酸系高效減水劑可以在保持混凝土的工作性和高流動性的條件下，使混凝土的水灰比降至最低。但并非所有的聚羧酸系高效減水劑都是高性能減水劑，分子結(jié)構(gòu)不良的聚羧酸系高效減水劑很難適應現(xiàn)代水泥和混凝土技術的要求。如何從不同的結(jié)構(gòu)出發(fā)，設計合適的合成途徑和工藝條件，從而研究其結(jié)構(gòu)和性能之間的關系，進而確定含羧基聚合物的最佳組成和結(jié)構(gòu)是混凝土減水劑研究領域一個有重要意義且有待于突破的大課題。
1.2　高效減水劑在高強混凝土中的應用
　　抗壓強度超過50～60ＭＰａ的混凝土通常被認為是高強混凝土，其重要特點是強度高、耐久性好、變形小。20世紀60～70年代，高效減水劑的應用使混凝土業(yè)出現(xiàn)了驚人的進展，突出地體現(xiàn)在水灰比從小于0.50大幅度地降低到可以小于0.30甚至更低，從而混凝土能夠迅速地硬化，強度大大提高。以高強度混凝土建造的高層建筑物和大跨橋梁迅速獲得應用，施工工期縮短和模板周轉(zhuǎn)加快。
　　目前，獲得高強混凝土的最基本途徑是選擇優(yōu)質(zhì)的膠凝材料、骨料與高效減水劑，然后優(yōu)化這些材料的配比。其關鍵是減少基體中的孔隙率，微裂紋和脆弱晶體結(jié)構(gòu)，還要促進集料界面過渡區(qū)的強度和質(zhì)量。為了達到上述目的，降低水灰比是主要方法。實踐表明，水灰比為0.3以下的混凝土材料比水灰比為0.4以上的具有明顯優(yōu)越的質(zhì)量，且當水灰比降低到水泥漿體完全水化所需理論最低值時，強度仍然增加。因此，高效減水劑是制備高強混凝土必不可少的組分。1988年在美國西雅圖Two U?鄄nion Square Building工程建設中，使用的133 MPa高強混凝土，采用了高效減水劑，水灰比都在0.4以下，不僅可以確保建筑物的大空間、降低工程的總造價，而且混凝土非常密實，能保持在嚴酷環(huán)境條件下提高其耐久性。
　　然而，隨著混凝土制備強度進一步提高，水泥和高效減水劑之間的相容性問題已引起普遍關注，減水劑的飽和點摻量、流動度損失和強度常用來判定減水劑在混凝土拌合物中的相容性。減水劑的相容性研究能夠進一步揭示其在混凝土中的物理化學作用。
1.3　高效減水劑在高性能混凝土中的應用
　　高性能混凝土的定義一般包括高流動性和長期使用的力學性能和耐久性能兩方面。歐美國家注重于混凝土硬化后的高性能，如較高的強度、耐久性和耐腐蝕性等，而日本強調(diào)的是新拌混凝土的性質(zhì)，認為高流態(tài)、免振自密實混凝土就是高性能混凝土。事實上，這兩種性能是相互聯(lián)系、不可分割的。混凝土要實現(xiàn)高性能化，解決問題的關鍵在于組成材料和工藝過程。首先，在組成材料和配合比方面，通常使用高性能減水劑和超細礦物摻和料。高性能減水劑應是性能更好、更能滿足實際需要的高效減水劑，即除具有高效減水、改善混凝土孔結(jié)構(gòu)和密實程度等性能外，還能控制混凝土的坍落度損失，更好地解決混凝土的引氣、緩凝、泌水等問題。可以說，沒有高性能減水劑就不可能實現(xiàn)高性能混凝土。
　　通常聚羧酸系減水劑較萘系減水劑的減水率高，與水泥的相容性更好，用聚羧酸系減水劑配制高性能混凝土，水膠比可以降至很低，混凝土的流動性很大。由于減水劑與不同水泥存在相容性問題，混凝土容易出現(xiàn)流動性損失；另外，高性能混凝土在硬化過程中容易出現(xiàn)裂縫，致使混凝土耐久性降低。通過高性能減水劑與大摻量活性細摻料兩者的復合作用使混凝土的性能得到改善和提高，大大減少了水泥用量和水膠比，提高了工程質(zhì)量，降低了工程造價。美國使用高效減水劑的高性能混凝土的一個典型實例是長12.9km的 Northumberland Strait 橋。混凝土的配合比是硅酸鹽水泥450kg/m3,單位用水量153L/m3，高效減水劑3L/m3，AE劑0.16L/m3，坍落度20cm，引氣量6%，其 1天、3天和28天齡期的抗壓強度分別為 35MPa、52MPa和82MPa。在我國，高性能減水劑的質(zhì)量與國外產(chǎn)品有一定差距，隨著對高效減水劑的深入研究，差距將會縮小，免振搗自密實混凝土及高強超高強高性能混凝土也將得到進一步發(fā)展；因此，及時開展這方面的基礎研究非常必要。
1.4　高效減水劑在高耐久混凝土中的應用
　　混凝土耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素作用，長期保持強度和外觀完整性的能力。采用混凝土建造的工程大多是永久性的，提高混凝土的耐久性，就能延長建筑物的使用期限，減少維修，從而獲得巨大的經(jīng)濟效益。外加劑成分不同對混凝土耐久性產(chǎn)生不同的影響作用，減水劑提高了混凝土密實度，則混凝土的抗?jié)B、抗凍、耐侵蝕等耐久性提高；早強劑對混凝土的抗?jié)B、抗凍等耐久性也是有利的，但由于引入混凝土中的Cl、Na+等可能會引起鋼筋銹蝕和堿骨料反應，而降低混凝土的耐久性。現(xiàn)在通過摻加硝酸鹽阻銹和粉煤灰抑制堿骨料反應等措施來避免混凝土耐久性降低。
　　對抗凍融性能要求高的混凝土，所用的外加劑最好是同時具有高效減水和引氣性能的復合型產(chǎn)品。若混凝土在低溫下施工，則選用的外加劑除有引氣、減水成分外，還應有防凍和早強成分。但對鋼筋混凝土不能選用含氯鹽物質(zhì)作外加劑原料，對水泥、混合材和拌和水含堿量高、骨料又有一定數(shù)量活性成分的混凝土，所用外加劑還應盡量降低堿含量。
　　對抗?jié)B要求高的混凝土，應該用高效減水劑來減少混凝土用水量，提高密實度，同時加入引氣成分，使混凝土中形成大量微小氣泡，減少泌水通道，提高抗?jié)B性能。摻入適量復合膨脹劑，也是配制高抗?jié)B混凝土的一個有效途徑。
　　混凝土的碳化與鋼筋銹蝕會大大降低混凝土的耐久性。通過在混凝土中摻加高效減水劑，增加混凝土密實度，可明顯減緩混凝土的碳化速度，混凝土PH值降低也緩慢，鋼筋產(chǎn)生銹蝕的危害也明顯減慢。若外加劑中含有大量氯離子，將加快鋼筋銹蝕，所以，鋼筋混凝土應嚴格控制外加劑中氯鹽含量，同時可考慮復合某些鋼筋阻銹劑。
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摘自《中國水泥》 2005年 03月號