張祥,鄧最亮,2,劉洋,鄒其,2
(1. 上海三瑞高分子材料股份有限公司,上海 200232;2. 上海建筑外加劑工程技術(shù)中心,上海 200232)
和易型聚羧酸減水劑在新建海南西環(huán)鐵路中的應(yīng)用
張祥1,鄧最亮1,2,劉洋1,鄒其1,2
(1. 上海三瑞高分子材料股份有限公司,上海 200232;2. 上海建筑外加劑工程技術(shù)中心,上海 200232)
針對新建海南西環(huán)高鐵的地理位置和材料特點,本文通過調(diào)整配合比,提高含氣量,運用酯類減水劑,增稠劑,保水劑, VIVID-500(H) 和易型聚羧酸減水劑等手段調(diào)整混凝土狀態(tài),確定 VIVID-500(H) 和易型具備的降粘、提高勻質(zhì)性、防止泌水等性能更適合應(yīng)用在高流動性,大坍落度,良好和易性的混凝土中,并以此種聚羧酸減水劑為基礎(chǔ),復配出具有減水率高,含氣量低,凝結(jié)時間長的特定型混凝土外加劑,配制出的混凝土高流動性,不離析,不泌水,抗泵壓能力好,完全滿足現(xiàn)場泵送施工工藝要求,7d 強度可達 100%。
混凝土外加劑;減水劑;勻質(zhì)性;泌水;粘聚性
新建海南西環(huán)高鐵全長 343.95 公里,北起??谑?,自??谡疽龊笙蛭鳝h(huán)島,沿線經(jīng)???、澄邁、臨高、儋州、昌江、東方、樂東,接入三亞站,項目投資達 271 億元,是將海南省建設(shè)成國際旅游島宏偉目標的重點基礎(chǔ)工程,是海南省“十二五”期間的項目之一。沿線新設(shè) 17 個車站,新建橋梁 120 座,隧道 14 座,速度目標值 200 公里每小時,計劃每年輸送 5000 萬人次,運送貨物 1000 萬噸。鳳凰機場至三亞站段已于 2012 年 9 月 28 日開工建設(shè),鳳凰機場至??诙斡?013 年 9 月 29 日開工,預計 2015 年 12 月 31 日建成通車。
由于海南特殊的地域問題,原材料比較緊張,長距離的運輸成本使工地現(xiàn)場所使用的材料很難達到鐵路的高標準要求,原材料情況復雜,從而混凝土問題也愈發(fā)難以解決。同時,由于混凝土外加劑本身存在多樣化、功能化、微量化等特性,導致工程項目中一旦出現(xiàn)問題總是默認為是外加劑的原因,即便不是,也要求外加劑能夠解決問題。本文通過對現(xiàn)場材料的分析,以 C40 水下樁混凝土為例,進行一系列應(yīng)用嘗試,從而確定 VIVID-500(H) 和易型聚羧酸減水劑在該項目中的優(yōu)勢。
1.1C40水下樁混凝土性能技術(shù)指標
混凝土宜具有低水膠比,低含氣量,高流動性,良好抗離析性,抗泌水,抗泵能力好,坍落度經(jīng)時損失小,緩凝,早強等特點,具體性能見表 1。
表1 C40水下樁混凝土技術(shù)指標
1.2原材料
(1)膠凝材料:
水泥為海螺 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥,具體性能指標見表 2。
粉煤灰:國投欽州電廠,Ⅱ級粉煤灰。
表2 水泥的化學組成 wt%
(2)細骨料:中粗河沙,細度模數(shù) 2.8~3.0;具體參數(shù)見表 3。
表3 細骨料篩分結(jié)果
細度模數(shù) Mx=(A2.36+A1.18+A0.6+A0.3+A0.15-5A4.75)/ (100-A4.75)=2.98
(3)石子:石子篩分結(jié)果見表 4,篩分結(jié)果表明,小石子 5~10mm 檔 5mm 過多,中石子 10~16mm 檔 10mm 過多,大石子 16~25mm 檔 20mm 過多。
表4 石子篩分結(jié)果(取樣 3kg)
(4)外加劑:減水型聚羧酸減水劑;VIVID-500(H) 和易型聚羧酸減水劑
1.3試驗配合比
C40 水下樁混凝土試驗配合比見表 5。
表5 C40水下樁混凝土配合比 kg/m3
原材料中存在的問題:
(1)水泥粘聚性粘聚性差,導致混凝土整體粘聚性差,砂漿包裹性差,粗骨料易裸露;
(2)砂子偏粗,從表 3 數(shù)據(jù)中可以得知,雖然砂子整體細度模數(shù)符合鐵路標準,但是由于其 0.15 級細顆粒過少,導致混凝土很容易離析,泌水;
(3)石子級配差,小石子 5mm 級別過多,中石子10mm 級別過多,大石子 20mm 過多,這樣一個整體按照理論上最佳配比大:中:?。?:4:2 進行組合,混凝土和易性很差;且石子的粒型偏差,多為針片,扁平狀的石子,也會對混凝土的和易性造成嚴重的影響。
根據(jù)試驗材料的性能和現(xiàn)場施工的要求,按照 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進行混凝土配合比設(shè)計(見表 5),所打出的混凝土(狀態(tài)如圖 1 所示)表現(xiàn)出和易性差、漿體與骨料分離、水也特別容易從漿體中析出等現(xiàn)象,無法滿足正常的現(xiàn)場施工要求。
圖1 泌水狀態(tài)
3.1配合比調(diào)整
(1)調(diào)整砂率。根據(jù)試驗過程中混凝土所表現(xiàn)出的現(xiàn)象,混凝土極易泌水且有返砂現(xiàn)象,通過降低或提高砂率,對混凝土狀態(tài)進行調(diào)整,調(diào)整前后的配合比見表 6,新拌混凝土狀態(tài)如圖 2、圖 3 所示。
表6 調(diào)整砂率前后的配合比 kg/m3
圖2 SP-40%
圖3 SP-44%
將砂率降至 40%,混凝土和易性沒有改善,而且混凝土顯得比較“單薄”,漿體自行流動,不會帶動石子;將砂率提至 44%,混凝土沒有流動性,且明顯感到混凝土漿體“臃腫”,沒有活性。
(2)調(diào)整大中小三檔石子比例,見表 7。調(diào)整后新拌混凝土的狀態(tài)如圖 4、圖 5 所示。
表7 調(diào)整石子配比
圖4 C40-5
圖5 C40-6
與圖 1 相比較,將石子配比調(diào)整至 C40-4,混凝土狀態(tài)基本上沒有多少改變,混凝土和易性差,漿體與骨料無法成為一體,放置 2~3min,很容易泌水;將配比調(diào)整至 C40-5,去掉 5~10mm 一檔石子,混凝土出現(xiàn)斷級嚴重,走漿現(xiàn)象特別明顯,對于泵送性混凝土,基本無法滿足施工;如果按照C40-6 進行試驗,混凝土漿體特別飽滿、柔和,包裹性也很好,但由于大石子過多,導致混凝土發(fā)“虛”,混凝土骨架純粹是大石子構(gòu)建起來的,中間缺少密實度。
(3)增加膠材
每方增加 20 公斤水泥和 10 公斤的粉煤灰,混凝土和易性改善的不是很明顯,而且混凝土變得更重和更粘。
3.2提高含氣量
正常情況下,增加混凝土的含氣量可以有效改善混凝土的包裹性,但由于現(xiàn)場材料中,砂子 0.15mm 檔量比較少,且石子的粒型多為針片狀,所以如果能夠達到水下樁所要求的狀態(tài),所需的代價是混凝土含氣量急劇升高,容重下降明顯,這顯然也不符合試驗的初衷,如圖 6 所示,混凝土表面氣泡較多且長時間不破。
圖6 僅增加混凝土含氣量的混凝土狀態(tài)圖
3.3改用酯類聚羧酸減水劑
酯類減水劑采用的 MPEG 類單體,不同于醚類的HPEG、TPEG 類單體,對水泥有較強的適應(yīng)性,可有效改善因水泥與醚類減水劑不適應(yīng)所造成的問題,且其本身的含氣量要高于醚類,可有效將規(guī)則型氣泡引入到混凝土里面,從而有效改善混凝土的包裹性和和易性。目前由于酯類的主要原材料需進口且成本高昂,再加上其工藝復雜,要求嚴苛,所以國內(nèi)有能力生產(chǎn)酯類產(chǎn)品的廠家很少。圖 7 為聚羧酸減水劑的分子結(jié)構(gòu)式。
3.4增稠劑
針對混凝土的和易性差,沒有粘聚性,在常規(guī)的方法中可以適當添加增稠劑來改善混凝土的粘聚性,本試驗中分別通過添加一定量的聚丙烯酸鈉,3~5 萬分子量的纖維素醚來驗證增稠劑在本次試驗中的效果。試驗結(jié)果顯示,聚丙烯酸鈉在本次試驗中對于增加粘聚性沒有特別好的效果,而纖維素醚增稠的效果非常明顯,但對減水率的影響特別大,使用纖維素醚改善混凝土的粘聚性需要將減水劑的摻量提高0.5%,而且纖維素醚在水中的溶解度特別小,不容易操作。
圖7 聚羧酸減水劑的分子結(jié)構(gòu)式
3.5保水劑
由于砂子中細顆粒缺少且膠材顆粒偏粗,混凝土靜置2~3min 后極易泌水,無法通過正常途徑(調(diào)整砂率,提高含氣量)解決時,通常情況下可以考慮加入一定量的保水劑,能夠有效解決混凝土的靜置泌水現(xiàn)象。本次試驗中分別加入遼寧科隆保水劑和三瑞保水劑,前者效果不明顯,后者使混凝土不會再泌水,但會對減水率有影響,需要適當?shù)奶岣邷p水劑的摻量。
3.6VIVID-500(H) 和易型聚羧酸減水劑
在常規(guī)醚類減水劑(VIVID-500F)中,用 VIVID-500(H)和易型聚羧酸減水劑替代其中的 30%,會相應(yīng)的提高減水率,且混凝土的和易性、包裹性和流動性都得到顯著的改善(如圖 8),同時混凝土的含氣量 Air=3.1% 也符合要求,7天試塊平均強度 43MPa。
圖8 使用 H 打出的混凝土
由于其良好的工作性能,VIVID-500(H) 和易型聚羧酸減水劑在其他項目中也得到了良好的反饋。目前,已經(jīng)在內(nèi)蒙古呼倫貝爾新取規(guī)劃一橋,安徽淮南鳳臺淮河二橋,新建成貴鐵路三,四標段等國家重點項目中投入使用,各方反應(yīng)良好。相信憑借著其優(yōu)于市面常用聚羧酸減水劑的工作性能,未來必定在減水劑行業(yè)中占據(jù)重要的一席。
混凝土中一般包含了膠凝材料,骨料,水以及外加劑等,其內(nèi)部微觀體系的分布決定了宏觀體系力學性能的變化。如混凝土中水與膠凝材料分布不均勻時會導致漿體粘度發(fā)生變化出現(xiàn)泌水現(xiàn)象;膠凝材料與骨料分布不均勻時會使得粗骨料下沉,導致沉降,離析等勻質(zhì)性問題;而骨料分布不均勻會使得混凝土的填充密實度下降,從而導致混凝土最終強度下降。VIVID-500(H) 和易型聚羧酸減水劑根據(jù)水,膠凝材料和骨料之間親疏水性的差異,量身打造分子結(jié)構(gòu)和表面活性,將水均勻分散至組分周圍形成“滾珠效應(yīng)”,其良好的流動性避免了“分子—水—分子”之間的化學作用力,有效鎖住水分,增大了組分之間的粘聚性,解決了離析,泌水等問題,從而實現(xiàn)鐵路高標準混凝土的要求。
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[通訊地址]上海市喜泰路 237 號徐匯功能材料產(chǎn)業(yè)園 17 號樓(200232)
張祥(1991—),技術(shù)服務(wù)工程師,從事聚羧酸減水劑與水泥適應(yīng)性以及工程應(yīng)用研究。