不同溫度下自密實(shí)混凝土和減水劑的匹配性研究

朱 樸

上海城建建設(shè)實(shí)業(yè)集團(tuán) 上海 200042

自密實(shí)混凝土（SCC）于20世紀(jì)80年代起源于勞動(dòng)力緊缺、環(huán)境法規(guī)嚴(yán)格的日本。當(dāng)時(shí)，日本建筑商出于節(jié)省人力成本的考慮，也為了減少建筑工地的噪聲和環(huán)境污染，逐步改良傳統(tǒng)混凝土的配方，漸漸形成了自密實(shí)混凝土的概念體系。SCC和傳統(tǒng)振搗型混凝土（TVC）相比，優(yōu)勢(shì)為節(jié)省勞動(dòng)力、環(huán)境污染小、建筑工期短。20世紀(jì)90年代中后期，SCC相繼被歐美發(fā)達(dá)國(guó)家接受并得以發(fā)展。

在中國(guó)，環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格、勞動(dòng)力成本日益高企、項(xiàng)目周期日益緊湊，所以越來(lái)越多的工程項(xiàng)目采用SCC取代傳統(tǒng)混凝土。但是，因?yàn)镾CC在配方上的特殊性，使其在攪拌、澆筑和養(yǎng)護(hù)等方面，對(duì)環(huán)境因素（尤其是溫度）的依賴遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)混凝土。因此，不少建筑工地，對(duì)SCC的使用往往局限在溫度相對(duì)平穩(wěn)的春秋兩季。如何克服溫度因素對(duì)SCC施工的影響，是項(xiàng)目工地面臨的一大難題。此外，預(yù)制件的工廠化生產(chǎn)，在中國(guó)建筑業(yè)內(nèi)正如雨后春筍般地蓬勃興起，預(yù)制件廠一年四季、全天候用SCC生產(chǎn)建筑構(gòu)件，季節(jié)更替和晝夜溫差的制約也成為需要面對(duì)的問(wèn)題。所以完善SCC的施工技術(shù)具有相當(dāng)?shù)木o迫性。

評(píng)定任何一種SCC配方，依據(jù)的主要是坍落度、流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度等目標(biāo)參數(shù)，而這些目標(biāo)參數(shù)，大多受到溫度等環(huán)境因素的影響。如何針對(duì)不同的溫度環(huán)境，找到最優(yōu)的SCC配方，并且找到與各種配方最匹配的外加劑，使目標(biāo)參數(shù)達(dá)到規(guī)范要求，從而盡量減少溫度波動(dòng)對(duì)SCC各項(xiàng)特性的影響，對(duì)SCC的推廣具有積極意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于SCC的研究較多專注于配方的優(yōu)化，尤其在外加劑領(lǐng)域，近幾年對(duì)聚羧酸系減水劑的研究成果頗豐[1]，也有不少研究針對(duì)溫度對(duì)SCC特性的影響。本文嘗試探討減水劑和溫度雙重因素對(duì)SCC特性的綜合影響。

1 溫度對(duì)SCC特性的影響

流動(dòng)性是SCC最重要的特性之一，由一系列參數(shù)來(lái)體現(xiàn)，例如坍落度、流速、流變極限（G屈服值）、稠度、黏度[2-3]。在添加了多種外加劑之后，SCC中凡是受溫度影響的各項(xiàng)特征值，波動(dòng)明顯大于TVC。例如，SCC的流動(dòng)性不僅受制于水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程快慢，還受到減水劑吸附效應(yīng)的影響。而水泥的水化反應(yīng)則受制于環(huán)境溫度，減水劑的吸附效應(yīng)也隨著溫度、時(shí)間以及水化反應(yīng)的速度而改變。所以，和TVC相比，SCC施工工藝受溫度的制約更大，TVC的施工經(jīng)驗(yàn)很多不再適用于SCC。

2 高分子減水劑電荷密度對(duì)SCC特性的影響

SCC工藝中，目前常用的外加劑是以聚羧酸高分子為基材的液態(tài)減水劑。與傳統(tǒng)的木質(zhì)素磺酸鹽、蜜胺系或萘系減水劑不同的是，聚羧酸類減水劑具有摻量低、減水率高、保坍能力強(qiáng)、更環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。此外，聚羧酸類減水劑的分子結(jié)構(gòu)靈活，設(shè)計(jì)匹配性強(qiáng)，可適應(yīng)不同的施工現(xiàn)場(chǎng)或預(yù)制件廠。所以，聚羧酸類減水劑逐漸取代萘系等其他族系的減水劑，成為SCC中最常用的高效減水劑。目前專業(yè)市場(chǎng)上常見(jiàn)的聚羧酸類減水劑，是聚羧酸酯醚（Polycarboxylat-Ether，PCE）。

要確保PCE的分散性和穩(wěn)定性，前提是其高分子順利吸附到水化反應(yīng)早期合成物的表面[4-5]。根據(jù)減水劑作用機(jī)理，PCE高分子的電荷密度以及水泥的水化反應(yīng)進(jìn)程，是決定SCC特性的重要因素。控制SCC各項(xiàng)特性的關(guān)鍵之一，就是在哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)讓多少PCE發(fā)揮作用。但是，不同電荷密度的PCE，其活性對(duì)溫度的敏感性不同，這也就是為什么通過(guò)調(diào)整PCE的電荷密度，可以平衡溫度波動(dòng)對(duì)SCC特性的影響[6]。

本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)中，對(duì)PCE取樣時(shí)，主要選取低電荷密度和高電荷密度2種PCE，與不同配比的SCC交叉組合。

3 TVC和SCC對(duì)環(huán)境溫度依賴性的區(qū)別

對(duì)于TVC而言，環(huán)境溫度若發(fā)生變化，對(duì)澆筑現(xiàn)場(chǎng)混凝土的影響，基本就體現(xiàn)為加速或延緩水泥的水化反應(yīng)。若氣溫升高，則水化反應(yīng)加快，攪拌和施工相對(duì)較快；氣溫降低，則水化反應(yīng)減速，攪拌和施工相對(duì)較慢。溫度對(duì)新混凝土的硬化速度或其他特征值的影響也不復(fù)雜。

對(duì)于SCC而言，如果減水劑的使用量較少，則水泥水化反應(yīng)和環(huán)境溫度的關(guān)系，與TVC差別不大。假如SCC的配方中必需大量的減水劑，那么SCC在施工時(shí)，水泥的水化反應(yīng)和減水劑的吸附效應(yīng)就會(huì)相互影響，進(jìn)而影響混凝土的流動(dòng)性和硬化速度。原則上：高溫環(huán)境下，水化反應(yīng)加快，黏合劑會(huì)加快起作用，也會(huì)加速生成鈣礬石微粒，所以PCE的吸附也會(huì)加劇，從而增大混凝土的流動(dòng)性和流動(dòng)保持性。低溫環(huán)境下，因?yàn)樗磻?yīng)減慢，一方面，在混凝土配制初期，黏合劑的流動(dòng)會(huì)受阻礙，從而增加攪拌和澆筑的難度；另一方面，中間生成物的數(shù)量會(huì)顯著減少甚至延遲生成，因此提供給PCE的吸附面也大大減少，最終會(huì)降低混凝土的流動(dòng)性和流動(dòng)保持性。圖1歸納了TVC和SCC受溫度影響的異同點(diǎn)。

圖1 環(huán)境溫度對(duì)TVC和SCC影響的區(qū)別

4 不同溫度下的不同組合“SCC＋PCE”試驗(yàn)

基于上述分析，針對(duì)不同組合的“SCC＋PCE”，在不同溫度下對(duì)混凝土的流動(dòng)性以及其他力學(xué)特性，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)的目的是為各種配方的混凝土在不同溫度下，找到最匹配的減水劑。

在試驗(yàn)時(shí)，除了考慮溫度對(duì)水化反應(yīng)速度和減水劑吸附性的影響之外，還跟蹤了混凝土不同配比（尤其是水灰比和水固比）對(duì)試驗(yàn)效果的影響。對(duì)于SCC的配方設(shè)計(jì)中針對(duì)不同的溫度范圍原本就執(zhí)行的配比規(guī)定（不包括減水劑的配方），在此次試件制作過(guò)程中未做改變。

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2種SCC的配方，如表1所示。

表1中的SCC1，其配方中石灰石細(xì)粉的含量較高，使得水和細(xì)粉料的比值較低；SCC2和TVC相比，配方中只增加了少量的細(xì)粉料，所以水和細(xì)粉料的比值較高。這2種配方里，都添加了適量的淀粉增稠劑，但在SCC1配方中用量很少，而在SCC2配方中用量較多。

表1 SCC試件

此外，對(duì)表1中2種配方都先后搭配了不同電荷量的PCE，即把PCE的電荷量作為變量。在確定每種PCE使用劑量時(shí)所遵循的原則是，在20 ℃的環(huán)境下，SCC在攪拌后靜置30 min，坍落度達(dá)650～700 mm即可。表2中列出了所使用的2種PCE的特性及其各自用量。需要指出的是，各種配比的SCC在不同溫度下試驗(yàn)時(shí)，所添加的每種PCE的量始終保持相同，以確?？杀刃?。

表2 減水劑特征值、組分及其用量（質(zhì)量百分比）

試驗(yàn)使用了CONTEC-4SCC流變儀，用于測(cè)量混凝土試件的流變參數(shù)。這是一種移動(dòng)式混凝土流變測(cè)試儀，通過(guò)將測(cè)量得到的電流強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線推導(dǎo)出混凝土受到的剪切速率，然后按照賓漢流體模型定義的剪切速率與流變性的函數(shù)關(guān)系，得出混凝土的G屈服值以及H黏度值。

整個(gè)測(cè)試流程，包括原材料的貯存、混凝土的攪拌、流變性試驗(yàn)，都在恒溫室內(nèi)進(jìn)行，每次的環(huán)境溫度按照設(shè)定值受到了嚴(yán)格的監(jiān)控。在每組試件攪拌之后的0、30、60、90 min，分別進(jìn)行了上述流變性測(cè)試。同時(shí)，每個(gè)溫度下的每組試件在攪拌后30 min，都分離出一部分并砌成3個(gè)15 cm×15 cm×15 cm立方塊，作為抗壓強(qiáng)度的跟蹤試件進(jìn)行常規(guī)的澆水養(yǎng)護(hù)，直到28 d后進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2和圖3為測(cè)試全過(guò)程中SCC的G屈服值隨時(shí)間的變化情況。若SCC流變極限值上升，則意味著坍落度降低，即自密實(shí)特性下降（如果混凝土的G屈服值超過(guò)2 000 mA，就不能稱為自密實(shí)混凝土；SCC的G屈服值如果控制在1 500 mA以下，則可視為流動(dòng)性優(yōu)良，有利于施工）。

圖2 不同溫度下SCC1和不同電荷密度的PCE配合時(shí)的G屈服值

圖3 不同溫度下SCC2和不同電荷 密度的PCE配合時(shí)的G屈服值

圖2采用的試件是SCC1。從圖2中可以看到，SCC1的G屈服值對(duì)溫度變化是否敏感，很大程度上受減水劑高分子電荷量的影響——使用低電荷的PCE1時(shí)，不同的環(huán)境溫度下G屈服值曲線差異不大，每條曲線自身隨時(shí)間的變化也較平緩；使用高電荷的PCE2時(shí)，不同溫度下的G屈服值曲線差異很大，并且每條曲線自身隨時(shí)間的變化也很明顯。當(dāng)使用PCE2時(shí)，5 ℃和20 ℃這2種環(huán)境溫度下的初始流變極限都比較低，5 ℃環(huán)境下的整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中G屈服值都可保持較低而且平穩(wěn)的狀態(tài)；但是在20 ℃環(huán)境下，60 min之后G屈服值就會(huì)突然增大，也就是說(shuō)，使用這種試件，20 ℃環(huán)境中留給施工的最佳時(shí)間只有60 min；而在30 ℃環(huán)境下，混凝土剛攪拌之后的G屈服值就已經(jīng)超出1 000 mA，而且隨著時(shí)間的推進(jìn)，G屈服值呈直線上升，30 min之后就基本失去自密實(shí)的特性，由此可見(jiàn)，SCC1＋PCE2的組合，在30 ℃環(huán)境下無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)振搗施工。

圖3采用的試件是SCC2。和SCC1不同的是，使用低電荷的PCE1時(shí)，SCC的G屈服值對(duì)溫度變化較為敏感。在20 ℃環(huán)境下，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中G屈服值都可保持較低而且平穩(wěn)的狀態(tài)，30 ℃時(shí)的G屈服值比20 ℃略高，但是整個(gè)過(guò)程中，20 ℃和30 ℃的2條曲線比較逼近，2個(gè)溫度下的屈服值都隨著時(shí)間緩慢下降，也就會(huì)表現(xiàn)為坍落度略有增加。然而在5 ℃環(huán)境下，起始階段的G屈服值就遠(yuǎn)高于20 ℃和30 ℃的對(duì)應(yīng)值，也超出了2 000 mA的臨界值，而且隨著時(shí)間推進(jìn)還在不斷增大，這也意味著，SCC2配方與PCE1的組合，在5 ℃的環(huán)境下無(wú)法實(shí)現(xiàn)自密實(shí)功能，不能無(wú)振搗施工。但是使用高電荷的PCE2時(shí)，SCC2的流變極限對(duì)溫度的敏感性卻不大。在3種環(huán)境溫度下，G屈服值都隨著時(shí)間的推進(jìn)而穩(wěn)步上升，在5 ℃和20 ℃之間，G屈服值曲線沒(méi)有明顯差異，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中都未超過(guò)2 000 mA，SCC的自密實(shí)特性保持良好，易于施工。而在30 ℃的環(huán)境下，前30 min內(nèi)G屈服值也較低，但是30 min后開(kāi)始突升，60 min之后基本失去自密實(shí)特性，不宜施工。但是總體而言，同樣是用PCE2，SCC2的G屈服值相比于SCC1要低很多，即自密實(shí)特性更好。

5 針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的展開(kāi)分析

5.1 不同水灰比對(duì)溫度敏感性的區(qū)別

要確定環(huán)境溫度對(duì)SCC特性的影響，必須區(qū)分SCC中細(xì)粉料高含量和低含量2種情況，因?yàn)椴煌募?xì)粉料含量，會(huì)產(chǎn)生不同的水和粉料比例。通常還需控制“水固比”，以確保砂漿中微粒之間的緊密性。

在5 ℃環(huán)境下，SCC1受減水劑的影響很小，2種減水劑的流變曲線區(qū)別不大，而且試件長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)始終保持著良好的流動(dòng)性。但是SCC2與之相反，只有使用PCE2才能獲得較好的流動(dòng)性，使用PCE1時(shí)基本喪失流動(dòng)性。

在20 ℃的環(huán)境下，SCC1和SCC2受減水劑類型的影響都比較大，即不同的減水劑對(duì)自密實(shí)特性的影響較為明顯。使用PCE1時(shí)，2種SCC的稠度在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都保持得比較理想，但使用PCE2時(shí)，SCC剛配制時(shí)的流動(dòng)性雖然更好些，但是硬化速度卻很快，提供給施工的時(shí)間很短。

在30 ℃的環(huán)境下，改變減水劑對(duì)SCC2的影響明顯小于SCC1。盡管在使用PCE2時(shí)，SCC2的G屈服值上升較快，即流動(dòng)性下降較快，但是和SCC1相比已經(jīng)明顯改善。SCC1和PCE2的組合，在30 ℃的環(huán)境中很快就喪失流動(dòng)性，失去自密實(shí)功能。

5.2 流動(dòng)性不良的SCC在硬化后的強(qiáng)度情況

上述流動(dòng)性不良的試件，在28 d后的抗壓強(qiáng)度測(cè)試中得到了印證，具體情況如圖4所示。從圖4中可看出，28 d抗壓強(qiáng)度與流變極限和G屈服值的分析結(jié)果相呼應(yīng)：只有“SCC1＋PCE2＋30 ℃”以及“SCC2＋PCE1＋5 ℃”這2種試件的28 d抗壓強(qiáng)度較低，其余各種組合的測(cè)試結(jié)果基本接近。這也體現(xiàn)了對(duì)流變極限或G屈服值跟蹤的意義：G屈服值測(cè)量結(jié)果大，則表示新配SCC的流動(dòng)性差，導(dǎo)致其施工性能差，亦即密實(shí)效果差，最終當(dāng)然導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度很低。

圖4 不同溫度下PCE與SCC不同組合試件28 d抗壓強(qiáng)度

5.3 不同溫度下SCC與減水劑的最優(yōu)配比

表3列出了2種常用SCC與不同類型減水劑在不同溫度下的組合情況以及表現(xiàn)結(jié)果。從表3中可以歸納出：當(dāng)使用SCC1時(shí)，若遇到高溫，則應(yīng)當(dāng)使用低電荷PCE；當(dāng)使用SCC2時(shí)，若遇到低溫，則應(yīng)當(dāng)使用高電荷PCE。但是，在實(shí)際施工或預(yù)制件生產(chǎn)中，若要隨著氣候變化而靈活改變PCE的類型，往往會(huì)有困難，而且施工方也未必能明確每種PCE具有怎樣的吸附特性?；谶@一情況，最好找到一種能適應(yīng)所有減水劑的SCC配方。

表3 不同類型SCC與減水劑在不同溫度下對(duì)自密實(shí)特性的影響

基于前文分析，提出如下建議：在低溫季節(jié)或寒冷地區(qū)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用SCC1配方，以保持良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性并且對(duì)減水劑類型的敏感性較低；而在高溫季節(jié)或炎熱地區(qū)，則應(yīng)選用SCC2配方。

6 結(jié)語(yǔ)

為了評(píng)估環(huán)境溫度對(duì)SCC施工性能的影響，跟蹤檢測(cè)了SCC配制后的流動(dòng)性。檢測(cè)中，選擇了細(xì)粉型和穩(wěn)定劑型2種常用的SCC配方，并且選用了2種均以PCE為基材，但是陰離子電荷密度不同的減水劑進(jìn)行交叉配對(duì)，在3種典型溫度下進(jìn)行了試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)得以證實(shí)，TVC針對(duì)不同溫度的應(yīng)對(duì)方法，不能完全照搬給SCC。因?yàn)镾CC中水泥水化反應(yīng)和減水劑的吸附作用，不僅各自受溫度影響，相互之間還存在交叉影響。基于試驗(yàn)結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）在確定SCC和環(huán)境溫度之間的關(guān)系時(shí)，應(yīng)當(dāng)區(qū)分水和細(xì)粉料的比值高和低2種情況。

2）細(xì)粉型SCC的施工性能，在30 ℃的環(huán)境下，受減水劑電荷密度的影響很大。此時(shí)，配以低電荷密度的減水劑，SCC可以獲得良好的流動(dòng)性，有利于施工；但是若配以高電荷密度的減水劑，則SCC會(huì)因稠度急劇下降而很快失去流動(dòng)性。

3）低溫環(huán)境中，穩(wěn)定劑型SCC在新配制時(shí)的自密實(shí)特性，受減水劑電荷密度的影響很顯著。高電荷密度的減水劑可以提高其自密實(shí)特性，增強(qiáng)施工性能，而低電荷密度的減水劑則會(huì)讓SCC失去流動(dòng)性。

4）基于試驗(yàn)結(jié)果，可以針對(duì)不同的環(huán)境溫度確定最優(yōu)的SCC和減水劑的配比組合，從而在不同溫度下，確保SCC達(dá)到高流動(dòng)性的要求，有利于施工并獲得高強(qiáng)度。

5）如果施工方已配備多種類型的減水劑并且熟知各種減水劑的特性，則可以針對(duì)溫度變化而及時(shí)變換減水劑?？傮w而言，在低溫環(huán)境下，最好選用高電荷密度的減水劑，而在高溫環(huán)境中則相應(yīng)地?fù)Q用低電荷密度的減水劑。

6）如果條件不允許施工方配備多種類型的減水劑，或者尚不熟知各種減水劑的特性，則可以針對(duì)環(huán)境溫度固定SCC的配方類型。概括而言，在高溫環(huán)境下，穩(wěn)定劑型SCC的自密實(shí)特性良好，應(yīng)優(yōu)先選用，而低溫環(huán)境中則最好選用細(xì)粉型SCC。

在不同的環(huán)境溫度下，如何讓SCC具有足夠的自密實(shí)特性以確保充分的施工性能，除了SCC的配方和減水劑的類型之外，還應(yīng)兼顧其他因素，例如穩(wěn)定劑或者緩凝劑的類型（這些外加劑會(huì)抑制或促進(jìn)SCC的自密實(shí)特性）、溫度變化對(duì)混凝土漿料離析的影響、溫度變化對(duì)硫酸鹽在水中溶解度的影響。

在實(shí)際應(yīng)用中，同一種原材料在不同溫度中的特性也會(huì)不同，原材料和原材料之間的相互作用也會(huì)隨著溫度的改變而不同。因此，針對(duì)SCC和其他類型混凝土的研發(fā)，應(yīng)當(dāng)考慮溫度變化的情況，或者應(yīng)針對(duì)特定的溫度范圍而作討論。此外，在測(cè)試領(lǐng)域，還應(yīng)針對(duì)施工方或預(yù)制件廠的實(shí)際條件，找到切實(shí)可行的測(cè)試方法，配備經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的測(cè)試設(shè)備，這對(duì)于確認(rèn)水泥和外加劑之間的相互關(guān)系非常必要。