【摘要】上海光源工程对结构混凝土有严格的裂缝要求, 论述了R25 聚羧酸减水剂的减水机理, 介绍了掺加R25 聚羧酸减水剂的低收缩混凝土配比研制, 通过试验结果分析, 提出了优化配比的改进措施。经优化配比的低收缩混凝土用于上海光源工程, 满足了大坍落度、低坍落损失的要求, 拆模后无肉眼可见裂缝, 结构强度、耐久性均体现出良好效果。
【关键词】上海光源工程低收缩混凝土R25 聚羧酸外加剂
【中图分类号】TU755.4 / 文献标识码B 【文章编号】1004- 1001( 2007) 03- 0201- 03
1 工程概况
上海光源工程位于上海浦东张江高科园区, 基地总占地面积为194 231 m2 , 总建筑面积50 857 m3,工期为2 年。该工程为国家重大科学工程, 建成后的上海光源能量居世界第四, 是目前世界上正在建造或设计中性能最好的中能光源之一, 在我国基础科学和高新技术许多前沿领域的研究上有着不可替代的重要作用, 是提高我国创新能力的重要基础设施。
该工程作为重点工程, 对混凝土的质量提出了较高的要求, 特别是对于工程裂缝的控制更严格。工程裂缝控制的主要特点是: 工程底板厚、面积大; 基础底板面在室外地坪以上, 易受环境影响; 底板下有长桩, 对底板有较大的约束; 有防辐射要求; 工程竣工前的长期和大面积暴露; 底板与墙板不得出现任何有害裂缝。
1.1 对混凝土的要求
为了保证工程质量, 有效地控制裂缝, 工程对混凝土的设计提出了以下要求:
(1) 混凝土墙板结构上不得出现垂直墙面宽度≥0.15 mm的贯穿裂缝。
(2) 要求混凝土收缩值低( 180d 收缩值≤500×10- 6) 。
(3) 易于浇筑和密实成型。
(4) 混凝土拌和物需较大坍落度(170～180 mm), 但现场坍落度损失小(1 h 损失≤20 mm)。
1.2 技术路线
针对光源工程底板要求, 我公司对于光源低收缩混凝土的研制应用提出了以下两点技术路线:
(1) 在混凝土中掺加一定量粉煤灰、矿粉来改善混凝土的泵送性能, 提高混凝土的耐久性。
(2) 摒弃使用普通或中效减水剂配制混凝土的常规模式, 使用新型聚羧酸系高效减水剂配制低收缩混凝土。
1.3 混凝土性能
通过上述技术措施可使混凝土达到以下各项优异的性能:
(1) 在保证混凝土强度的条件下,改善混凝土工作性。
(2) 在给定工作性条件下,降低水灰比,提高混凝土的强度和耐久性。
(3) 在保证混凝土浇注性能和强度的条件下,减少水和水泥用量, 减少徐变、干缩、水泥水化热等引起的混凝土初始缺陷的因素。
(4) 坍落度保持性能好, 经时坍落度损失小。
(5) 满足防辐射要求, 对环境无污染。
2 低收缩混凝土的研制
2.1 原材料选用
2.1.1 外加剂
R25 聚羧酸减水剂的匀质性指标见表1。
RHOEPLUS 25 的分子( PCE) 结构为主链上带有多个活性基团, 极性较强; 侧链带有亲水性的聚醚链段, 并且链较长、数量多, 疏水基的分子链段较短、数量较少。聚羧酸高性能减水剂的分子结构模型如图1。
R25 聚羧酸高效减水剂的作用机理是以静电斥力、空间位阻为主。静电斥力作用是聚羧酸系减水剂在水泥颗粒界面的吸附和形成的双电层, 使水泥颗粒间产生静电斥应力, 混凝土开始流动的屈服剪切应力降低, 从而使团聚的水泥颗粒得以分散, 水泥颗粒间相互滑动能力增大, 改善了和易性; 同时能有效控制混凝土的用水量, 保证力学性能与耐久性的要求。
空间位阻作用是聚羧酸系减水剂吸附在水泥颗粒表面,形成一层较厚的聚合物分子吸附层。当水泥颗粒相互靠近时, 吸附层相互重叠, 在水泥颗粒间会产生斥力作用, 重叠越多, 斥力越大, 称之为空间位阻斥力( 见图2) 。R25 聚羧酸减水剂由于其主链较短, 侧链较长, 主链吸附在水泥表面, 长侧链和短侧链随机组合接枝在主链上, 在溶液中充分伸展, 形成厚的溶剂化外层, 由于空间位阻斥力作用, 使水泥颗粒之间相互排斥而分散, 有效地阻止水泥粒子间的凝聚,有利于游离水的释放, 改善和易性, 减少混凝土的拌水量; 同时形成的较厚的聚合物分子吸附层, 使得初始的水泥水化产物较难将减水剂分子吸附层覆盖, 仍能保持较高的空间位阻, 使该减水剂在水泥颗粒表面有效作用时间较长, 可增强坍落度保持性能。
我们对于光源工程的应用研究主要是以降低混凝土收缩, 减少混凝土裂缝为目的。通过上述对聚羧酸减水剂的减水作用机理研究可以看出, 正是由于R25 聚羧酸减水剂化学结构特点决定了比之主要靠静电斥力作用提高水泥粒子分散性、降低水灰比的普通型减水剂以及萘系高效减水剂, R25聚羧酸减水剂通过静电斥力, 空间位阻斥力相结合能更有效的提高水泥粒子分散性, 释放游离水, 减少用水量和水泥用量, 降低水灰比, 从而不仅得到和易性能和坍落度保持性能优秀的混凝土拌和物, 而且能更有效地降底混凝土的收缩,减少混凝土的裂缝。
2.1.2 其他原材料
水泥: 华新水泥厂生产的42.5 级普通硅酸盐水泥, 水化热低, 与R25 减水剂相容性好。
矿粉: 安徽马钢嘉华新型建材有限公司生产的S95 级矿粉。
粉煤灰: 上海电桥实业有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰。
粗骨料: 产自浙江嵊泗的5~ 25 mm碎石。
细骨料: 产自芜湖南陵的中砂, 细度模数在2.3~ 2.6, 含泥量≤1.0%, 泥块含量≤0.5%。
2.2 C30 低收缩混凝土配合比确定
R25 聚羧酸减水剂配制的C30 低收缩混凝土的配合比见表2
2.3 低收缩效果
R25 聚羧酸减水剂配制的混凝土的性能测试数据, 从图3 看出: 掺R25 聚羧酸减水剂的混凝土收缩值均低于其他减水剂的混凝土和基准混凝土,早期混凝土收缩较少, 后期混凝土的收缩也较其他减水剂的混凝土约低30%～40%。
2.4 改进措施
(1) 掺聚羧酸类减水剂(R25)在常规的掺量范围内不仅起到减水增强的效果, 而且混凝土的收缩值也均低于掺其他外加剂混凝土的收缩值, 对于降低混凝土的收缩是有利的。
(2) 在保证混凝土和易性, 有利于泵送的前提下, 遵循骨料体积含量最大的原则进行混凝土配合比的进一步优化。降低配合比中的砂率, 目标值为43%。
(3) 满足混凝土施工要求的条件下进一步降低单位用水量, 以减少混凝土中游离水的数量。目标值每方160 Kg。
(4) 保证混凝土强度的前提下, 进一步降低单方水泥用量, 以减少水泥水化过程中产生的水化热, 有效控制混凝土的裂缝的产生。
3 C30 低收缩混凝土在上海光源工程中的应用
3.1 优化配比
根据上述配合比改进措施, 用于上海光源工程的C30 低收缩混凝土配比改为: 水泥用量降到180 kg, 用水量降到160 kg, 粉煤灰、矿粉均提高到75 kg, 中砂降到800 kg, 碎石增至1060 kg, R25 增至2.3 kg。改进配比的C30 低收缩混凝土各项性能测试结果见表3~ 5。
3.2 应用结果
(1) C30 低收缩混凝土在光源工程中的应用体现出了良好的和易性能, 出机坍落度基本控制在180 mm, 1 h 的坍落度的损失20 mm左右, 满足了工程大坍落度, 低坍落度损失的要求。
(2) 含气量较小, 混凝土体现出了较好的密实性。
(3) 强度性能完全符合工程设计的要求, 且质量控制水平较好。
(4) 混凝土180 d 收缩值小于500×10- 6。
(5) 通过25 次冻融循环试验, 混凝土试件重量损失率和强度损失率均较小, 体现出了低收缩混凝土良好的抗冻性能。
(6) C30 低收缩混凝土的抗渗等级可以达到P16, 具有良好的抗渗性能。
(7) 现场结构拆模后, 表面光洁, 无肉眼可见裂缝, 表面极少有气泡。
4 低收缩混凝土的养护
由于工程混凝土浇注时间经历秋季和冬季, 天气干燥,外界气温变化大, 对混凝土养护, 特别是保温、保湿养护尤其重要。
4.1 底板、顶板养护
(1) 在混凝土浇捣结束, 待其初凝开始, 即盖一层塑料薄膜, 上面再盖一层麻袋养护, 起保温保湿作用。在塑料薄膜, 麻袋覆盖条件下, 保温保湿可充分发挥混凝土徐变特性,降低温度应力, 减少混凝土降温梯度, 控制有害裂缝的出现。
(2) 养护时间不得少于14 d。
(3) 应在测温数据指导下, 即温度达到最大峰值后, 呈回落趋势, 当内部与大气温度差小于20℃,方可部分掀去麻袋。
(4) 麻袋不可在同一天全部掀去或成片掀去, 应分两天进行, 第一天只能采用间隔夹花方式掀去1/2 左右, 使温度通过有限的空间逐步散发, 避免急剧降温, 余下部分的麻袋应在第二天中午掀去。
4.2 墙顶板混凝土养护
前期保留模板时间延长, 宜5～7 d 后拆模, 后期拆模后立即采用混凝土外包裹双层塑料薄膜养护( 或一层塑料薄膜外挂麻袋) 。拆模及包裹塑料薄膜应分段进行, 包裹塑料薄膜应搭接进行, 搭接处用封箱带封闭, 为了保证墙体不被污染及较长时间的养护时间, 塑料保护薄膜应一直保留, 直到影响后道工序施工时方可去除。
5 结语
(1) C30 低收缩混凝土在上海光源工程中的累计应用近20 000 m3,其工作性能、强度性能、耐久性能均体现出了良好的效果, 满足了工程低收缩的要求, 获得了光源工程的一致肯定。
(2) 聚羧酸系减水剂由于其独特的作用机理, 可以在保证混凝土浇注性能和强度的条件下,改善混凝土工作性能,减少水灰比,减少水和水泥用量, 降低水化热, 减少徐变和收缩, 有利于提高混凝土强度和耐久性能。
(3) 对于低收缩混凝土的配制, 应遵循骨料体积含量最大的原则, 充分利用矿粉、粉煤灰掺和料的物理效应和填充效应, 减少水泥用量, 增加混凝土的密实性, 提高新拌混凝土的工作性, 减少混凝土的收缩, 增强混凝土的耐久性能。
