摘要: 对比分析了2 种透水模板(CPF) 的主要物理性能;结合宏观、微观试验,探讨了透水模板改善混凝土性能的机理与效果. 结果表明:透水模板能有效降低混凝土浇注时的表面水灰比,提高混凝土的表面密实度,改善混凝土的孔隙分布和表观质量,提高混凝土抗渗性和耐久性.
关键词: 透水模板(CPF) ; 水灰比; 孔隙分布; 抗渗性
中图分类号: TU528 文献标识码:A
混凝土施工中采用的水灰比要远大于其水泥完全水化所需水灰比[1 ] . 传统模板浇注混凝土施工中,混凝土与模板接触面是完全封闭的. 混凝土入模后,水灰比基本不变,多余的水分在硬化混凝土中留下大量孔隙和气泡,拆模后混凝土表面会形成孔洞、麻面等缺陷,影响混凝土观感质量,不利于混凝土的耐久性[2 ] .
透水模板(CPF) 是在传统模板浇注混凝土施工工艺之上产生的一种可改善混凝土性能的新型工艺. 其作用机理是,将透水模板布粘附在普通模板内侧制成透水模板,它具有可透水、透气的特点,能够降低混凝土表面水灰比,提高混凝土尤其是混凝土的表面密实度,从而改善混凝土的抗渗性和耐久性. 国内外的成品透水模板布一般均由聚丙烯等原材料经特殊处理而成为长短不等的丙纶纤维丝,再经热纺粘和表面二次特殊辊压工艺处理而成. 其结构大致分为表层、中间层和粘结层.表层、中间层分别由细度为0. 07～0. 15 ,0. 10～0. 33 g/ km 的纤维组成,孔径分别为1～10 ,4～15μm ;粘结层与模板粘贴,由细度为0. 22～0. 44 g/ km 的纤维组成,孔隙的孔径为10～30μm. 复合层结构的等效孔径O95 远小于30μm ,可以确保水分透出而大部分水化水泥颗粒胶凝物被滞留在透水模板布内侧的混凝土表面,并在结构体表面形成一层富含水化硅酸钙的致密硬化层,因此可以有效减少混凝土表面的蜂窝、麻面等缺陷,同时透水模板布具有保水性,可以提高混凝土的养护质量[3 ] .
日本和欧洲的丹麦、德国等于20 世纪80 年代已经开始了对透水模板布的应用研究[4 ] ,我国则刚刚在深圳盐田港、杭州湾大桥和苏通大桥等少量大型工程中采用[5 ,6 ] . 针对这种新型材料及其施工工艺,本次试验检测、对比了市场上成品透水模板布和普通无纺布的物理力学性能指标,进行了宏观、微观试验,并分析了透水模板改善混凝土性能的机理和效果.
1 试验材料
试验主要材料: P ·O42. 5 级普通硅酸盐水泥;标准砂,细度模数2. 6 ;石子,粒级5. 0～31. 5mm ;普通胶合板模板;普通涤纶无纺布;某品牌透水模板布;建筑行业用万能胶水.
2 透水材料性能指标测试
由于目前国内尚无透水模板布的材料检测规程,因此,本试验参照丹麦福特斯公司材料手册( Formtex material test parameter) 和《土工合成材料测试规程》(SL/ T 235 —1999) 进行. 试验针对成品透水模板布及普通无纺布这2 种透水材料,分别检测其材料力学和水力学指标,为宏观、微观试验分析提供依据. 测定内容及对比结果如表1 所示.
透水模板布质地均匀,由3 个结构层组成,分别为表面透水层、中间排水层和模板粘贴层. 普通无纺布表面则相对较为粗糙,孔隙较大,仅有1 个结构层.
3 宏观试验
3. 1 试验简介
为对比分析不同模板内衬形式混凝土浇注的效果,按表2 中的3 种方法分别浇注3 个素混凝土试件,试件尺寸均为500 mm ×200 mm ×500 mm. 3 种方法的混凝土配合比及施工、养护环境相同;方法2 ,3 中透水材料用胶水均匀粘贴于胶合板模板内侧,胶水用量约50～100 g/ m2 ;粘贴时必须保证模板粘贴面平整、清洁;透水材料尺寸宜超出模板约2 cm ;材料搭接处应保证不少于3 cm搭接;铺设后模板面应平整,不能有折叠、凹凸.
水压力渗透深度法是通过测得一定时间内压力液体渗入混凝土试样的深度来评价混凝土的渗透性;氯离子渗透直流电量法则是利用在直流电压作用下,氯离子可以通过混凝土孔隙向正极移动的原理,依据在规定时间内通过混凝土试样电量的大小来评价混凝土抗氯离子渗透的能力[7 ] .混凝土浇注完成后,及时记录不同方法所制试件的排水量. 养护期满,取样并分别用水压力渗透深度法和氯离子渗透直流电量法对其进行检测,对比不同方法下所测混凝土的渗透性.
3. 2 试验分析
3. 2. 1 排水量
以不同方法浇注的混凝土试件排水量与时间关系曲线如图1 所示. 由图1 可见:方法1 (试件1) 采用18 mm 普通胶合模板浇注,由于施工工艺等原因,不能保证模板绝对密闭,使其有少量水排出,累计排水约65 mL ,随着排水通道堵塞,2. 0 h 后不再有水排出;方法2 (试件2) 采用普通无纺布内衬模板浇注,试件前期(0～2. 0 h) 排水强度较大,但由于水泥等固态颗粒堵塞无纺布排水通道,2. 5 h 后排水过程停止,累计排水约1 154 mL ;方法3 (试件3) 采用透水模板布内衬模板浇注,整个排水过程由强变弱,排水过程最长,持续3 h ,累计排水约1 264 mL . 排水量统计结果显示试件2 ,3 排水量比试件1 要大得多,表明使用透水材料能排出混凝土中的多余水分,降低混凝土表面的水灰比,且透水模板布排水效果更为明显;透水模板布后期排水强度有所减小,由于其吸水性和保水性,它仍能从混凝土内部吸水,使其内部富含水分,为提高混凝土的后期养护质量提供了条件.
根据表1 实测指标可知,透水模板布的垂直渗透系数较普通无纺布要小得多,具有更好的吸水性和保水性;但透水模板布的排水性能也优于普通无纺布,其原因在于透水模板布复合层结构等效孔径O95 远小于30μm ,可确保水分通过而大部分水泥颗粒被阻隔在表层内,保证了透水模板布渗水通道的畅通,在透水模板布吸水性及混凝土内部水压力的作用下,多余的水分和空气能够顺利排出;而普通无纺布由于是单层结构、厚度薄,虽然其垂直渗透系数大,但因其孔隙稍大易导致水泥浆进入模布层而堵塞透水通道,因而它的排水效果反而不及透水模板布.
3. 2. 2 混凝土表观状况
试件浇水养护7 d 后拆除模板. 拆模过程中,试件2 由于透浆严重,普通无纺布粘贴在混凝土表面而无法顺利脱模,内衬材料被撕裂;试件3 的透水模板布内衬拆除后,质量完好,仍可继续使用. 究其原因,主要是透水模板布的各项强度及延伸率等力学指标均比普通无纺布要高(见表1) ,能够满足施工过程中对内衬材料抗撕裂等强度的要求. 因此,透水模板布较普通无纺布在混凝土施工中更具适用性. 拆模后混凝土表面状况如图2 所示.
图2 中,采用普通胶合模板浇注的试件1 ,由于模板的密闭性,多余水分、空气无法排出,导致试件成型后表面孔洞、缺陷较多. 采用普通无纺布内衬模板浇注的试件2 ,由于初期排水作用明显,混凝土表面水灰比降低快,其表面孔洞较试件1 有所减少,但因普通无纺布结构层单一、孔隙较大,在排水的同时,水泥颗粒流失,并粘附在混凝土表面,使得试件2 表面较为粗糙不平,小孔洞增多.相比而言,试件3 的表面最为光滑平整,极少有孔洞、砂眼等缺陷. 究其原因,主要是普通水泥颗粒的粒径一般为7～200μm ,而其中的绝大部分水泥颗粒粒径为15～80μm ,加之水化作用使水泥颗粒形成胶粒团,使其有效直径增大,而透水模板布表面层孔径仅为1～10μm ,复合层结构等效孔径O95远小于30μm ,因此很少有水泥颗粒透过,说明透水模板布在顺利排水的同时,可有效防止水泥颗粒的流失. 此外,由于透水模板布具有保水性,可补充表层水泥硬化需水量,这也提高了混凝土的养护质量.
3. 2. 2 渗透性试验
(1) 水压力试验
按照《水工混凝土试验规程》(DL/ T 5150 —2001) [8 ] ,分别在各混凝土试件钻芯取2 个直径100mm、高150 mm 的圆柱体试样,采用渗水高度法进行相对抗渗性试验. 按规范要求,将所取的6 个试样编为一组,试验时的初始水压为0. 1 MPa ,每隔8 h 增加0. 1 MPa ,当6 个试样中有2 个试样端面呈现渗透现象时,停止加压,即可停止试验.
试验记录的最终水压力为0. 9 MPa ;试件1 ,2 ,3 的平均渗透深度分别为133. 8 ,125. 0 ,112. 5mm.渗透深度指标反映了混凝土的渗透性. 比较水压力试验结果可知,试件2 ,3 的渗透深度较试件1 明显减小,表明透水材料的使用降低了混凝土的渗透性;试件3 的渗透深度比试件2 更小,说明透水模板降低混凝土渗透性的效果更为显著.
(2) 氯离子渗透试验
根据ASTM C1202 —91[9 ] 测试方法,分别在各混凝土试件钻芯取2 个直径100 mm、高50 mm的圆柱体试样. 圆柱体试样在标准条件下养护28 d 后,以硅胶密封其侧面,经真空饱水处理后,将试样安装在试验槽内;试样两侧槽中分别注入浓度为3. 0 %(质量分数,下同) 的NaCl 溶液和0. 3 %的NaOH 溶液,施加60 V 的直流恒电压,每隔30 min 记录一次电流值,直至通电6 h.根据试验结果,绘制电流与时间关系曲线如图3 所示. 由曲线下的面积可得到各试件的通过电量. 根据ASTM C1202 —91 中的判定依据,对3 种方法制得的混凝土试样氯离子渗透性级别进行判定,结论见表3.
混凝土的导电性可以反映其内部孔隙结构,从而反映混凝土的渗透性[10 ,11 ] . 依据氯离子渗透试验结果可知,试件1 的氯离子渗透性为高,试件2 ,3 为中.
以上试验表明,透水材料的使用提高了混凝土的抗氯离子渗透能力;试件3 通过的电量比试件2 更小,表明试件3 的孔隙更少. 同普通无纺布相比较,透水模板布改善混凝土渗透性及提高混凝土抗氯离子渗透能力效果更好.
4 微观试验
4. 1 试验简介
为了进一步分析使用透水模板后的混凝土表面结构,考虑到混凝土试件的不均匀性可能带来的试验误差,采用水泥砂浆试件模拟微观试验,以研究采用透水模板后表层混凝土微观孔隙结构的变化.
用标准钢试模及标准钢试模内衬透水模板布这2 种方法,分别制作水泥砂浆试件,记为试块Ⅰ, Ⅱ,每种方法制作3 组试块. 水泥砂浆配比为m(水泥) ∶m(砂) ∶m(水) = 1 ∶2. 5 ∶0. 4 ,试块尺寸为100 mm ×100 mm ×100 mm. 养护28 d 后,将试块放入烘箱烘干;然后在试块一侧切取3 mm厚的切片,镀金,进行扫描电镜(SEM) 试验;同时在试块其余3 个侧面取小试块做压汞法(MPM)试验.
4. 2 试验分析
4. 2. 1 SEM 试验
拆模后,试块Ⅰ表面较为粗糙、疏松,孔隙较多;试块Ⅱ表面平整,孔隙较少,孔隙分布均匀,表明透水模板可改善混凝土的表面质量,这同宏观试验结果一致.
对2 种试块切片进行扫描电镜(SEM) 试验,观察其微观结构,结果如图4 所示.
从图4 可以看出,试块Ⅱ密实度更高,且内部C2S2H 凝胶多,水泥水化充分,养护质量提高,表面密实度增加.
4. 2. 2 MPM 试验
根据吴中伟院士对混凝土孔级的划分理论[7 ] 可知,混凝土的孔径可以划分为无害孔级(孔径<0. 02μm) 、少害孔级(孔径0. 02～0. 05μm) 、有害孔级(孔径0. 05～0. 20μm) 和多害孔级(孔径>0. 20μm) 段,而临界孔径对混凝土的渗透性影响最为重要[ 12 ] . 临界孔径是指能将较大孔隙连通起来的各孔的最大孔级,反映了混凝土中孔隙的连通性和渗透路径的曲折性. 临界孔径越小,混凝土性能越好.
MPM 试验测得试块Ⅰ, Ⅱ的孔隙率、临界孔径、各孔隙段孔隙体积对比及孔隙分布存在明显差异. 2 种试块各孔隙段孔隙体积对比及孔隙分布曲线见图5. 图5 表明,2 种试块中孔径在0. 02μm 以下的孔隙分布基本相当;试块Ⅱ中大于0. 02 μm 的孔隙分布则比试块Ⅰ明显减少. 由此说明,采用透水模板布后试块总孔隙减少,特别是有害孔(孔径> 0. 02μm) 大大减少,试块有害孔孔隙体积从1. 17 ×10 - 2 mL/ g 减少到了5. 20 ×10 - 3 mL/ g ;同样,少害孔也明显减少,试块少害孔孔隙体积从2. 44 ×10 - 2 mL/ g 减少到了1. 90 ×10 - 3 mL/ g ;而无害孔(孔径< 0. 02μm) 体积则略有上升,这是由于试块表面小颗粒增多,小颗粒间形成的小孔隙也相应增加,但这些孔隙不会对混凝土性能构成危害. 上述分析表明,透水模板布大大改善了混凝土的孔隙分布.
另外,图5 中的孔隙分布原始曲线有明显的拐点,这表明当汞压力升高到某一值时,汞会通过颗粒内部的孔隙将颗粒间孔隙连通起来,压入汞量的增长速度变快,此拐点对应的孔径即为临界孔径. 试验测得试块Ⅰ, Ⅱ的孔隙率、临界孔径分别是4. 44 % ,58. 6 nm 与12. 03 % ,338. 4 nm(见表4) ,相差较大. 显然使用透水模板布后,试块的孔隙率、临界孔径均减小,所以试块的密实度提高,抗渗性增强.
混凝土孔隙具有不规则性、模糊性、非线性等特征,所以利用MPM 试验数据,可对其孔隙分形维数进行定量分析评价. 2 种模板水泥砂浆试件计算的分形维数见表4. 根据分形理论[ 13 ,14 ] ,孔隙分形维数越高,则孔隙的结构越复杂. 由表4 可见,使用透水模板布后,水泥砂浆试块的孔隙分形维数减小,孔隙结构趋于简单化.
以上试验分析表明,使用透水模板布后,随着表层密实度的提高和孔隙结构的改善,混凝土的抗渗性和耐久性也必然能得到改善[1 ] .
5 结论
1. 同普通无纺布等一般的透水材料相比,透水模板布减小混凝土表面水灰比的效果更好,在混凝土施工中更具适用性.
2. 使用透水模板可有效提高混凝土的养护质量,并改善混凝土的表观质量.
3. 使用透水模板可提高表层混凝土的密实度,改善微观孔隙结构和分布,从而提高了混凝土的抗渗性和耐久性.
4. 使用透水模板后,混凝土的孔隙分形维数减小,孔隙结构趋于简单化.
参考文献:
[ 1 ] 张 誉,蒋利学,张伟平,等. 混凝土结构耐久性概论[M] . 上海:上海科学技术出版社,2003. 8 - 10.
[ 2 ] 刘津明,刘志勇,韩邦青,等. 透水模板对混凝土性能影响的试验研究[J ] . 施工技术(北京) ,2006 ,35 (8) :81 - 83.
[ 3 ] 马立国,宋宏伟,刘津明. 利用透水模板施工改善混凝土性能的试验研究[J ] . 大连民族学院学报,2006 , (1) :70 - 73.
[ 4 ] 佟 声. 国外透水型模板(CPF) 的应用与研究[J ] . 建筑技术开发,1998 ,25 (2) :51 ,52.
[ 5 ] 傅立容. 透水模板在盐田港区三期工程中的应用研究[J ] . 水运工程,2004 , (10) :36 - 39.
[ 6 ] 付才香. Formtex - 透水模板布在墩身施工中的应用[J ] . 铁道标准设计,2006 , (4) :35 - 37.
[ 7 ] 赵铁军. 混凝土渗透性[M] . 北京:科学出版社,1995.
[ 8 ] DL/ T 5150 —2001 ,水工混凝土试验规程[ S] .
[ 9 ] ASTM C1202 —91 ,Standard Test Met hod for Elect rical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penet ration[ S] .
[ 10 ] FELDMAN R F ,GORDON W,BROUSSEAU C R J ,et al . Investigation of t he rapid chloride permeability test [J ] . ACI Ma2terials Journal ,1994 ,91 (2) :246 - 255.
[ 11 ] 牛全林,冯乃谦,李崇智. 影响混凝土Cl - 导电量诸因素的分析[J ] . 混凝土,2004 , (1) :32 - 35.
[ 12 ] 赵铁军,朱金铨,冯乃谦. 混凝土孔隙分析中的表征参数[ A ] . 吴中伟院士从事科教工作六十年学术讨论会论文集[ C] . 北京: [ sn ] ,2004.
[ 13 ] 唐 明. 混凝土孔隙分形特征的研究[J ] . 混凝土,2000 , (8) :3 - 5.
[ 14 ] 褚武扬. 材料科学中的分形[M] . 北京:化学工业出版社,2004.
