外加剂对混凝土质量控制的影响

一、研究背景

  我国目前水泥和混凝土的用量占全球用量的50%以上,尤其在国家重大工程水电、核电、高铁、地铁等项目上混凝土的质量一直是关注重点,对混凝土的质量要求也越来越高,对混凝土行业提出了更多的挑战,现代结构与严酷环境,超高层、超大体积、复杂结构建筑要求混凝土的初始流动性好,保持时间要长。

  同时混凝土组分越来越复杂,质量控制越来越难,水泥生产时混合材的掺入,混凝土搅拌时掺合料的添加,尤其是废石膏,和大量工业废渣,大量低品位骨料的添加,虽然可以实现固体废弃物的无害化、资源化利用,但使混凝土组分更复杂,初始分散慢,分散保持更难,质量控制更难。使混凝土出现很多问题,流动性不足,导致混凝土不均匀,不密实,流动性损失快,易堵泵,难以浇筑 ,后期自收缩,结构性开裂,耐久性降低,缩短了混凝土构筑物的服役寿命,使工程隐患增多。新型高性能外加剂为解决上述问题提供了技术途径,

  二、高性能外加剂的开发

  总体思路是从外加剂适应性差、初始流动性不足、流动性保持难、收缩开裂这四大方面出发,从外加剂的分子构效关系来解决混凝土高分散、高适应性、快分散、流动性保持、减缩抗裂等问题。

  1.高分散关键技术

  高减水型聚合物外加剂增大空间位阻效应,改善吸附性提高饱和掺量,有效改善吸附特性,提高饱和吸附量,极限减水提升至50%以上,为低水胶比、超高强混凝土提供了技术支撑。

  2.高适应性关键技术

  高适应性聚合物外加剂增加优先吸附驱动力,弱化氢键作用解决了骨料含泥量高、SO42-含量高条件下混凝土初始流动度不足的难题。

  3.快分散关键技术

  快分散降粘型聚合物外加剂提高电荷密度主链提升初始吸附驱动力,增加多支化长侧链增加水膜层厚度,降粘型单体降低溶液粘度,解决了低水胶比(W/B=0.18)、大掺量工业废渣(大于50%)复杂组分混凝土初始分散慢、粘度大的难题。

  4.流动性保持关键技术

  高温长时间保坍型外加剂的长侧链M=2000~5000可以减少早期水化掩埋,通过水解型侧链快速补充高温损失,缓释基团主链持续补偿长时间损失实现了高温环境下复杂组分混凝土流动性的多阶段调控,中低坍落度保坍型外加剂的亲水性网络交联技术降低用水量敏感性逐步水解提供保坍,快速水解型聚醚单体快速释放补充早期损失,满足了核电、水电混凝土流动性保持的特殊需求。

  5.减缩抗裂关键技术

  塑性阶段:根据水泥基材料表层单分子膜抑制水分蒸发的作用机理,通过建立了单分子膜结构和抑制水分蒸发性能之间的构效关系,阐明了单分子膜组装调控机理:胶束破乳,乳化剂协同迁移聚集。

  减蒸剂的“狭长”乳化剂提高成膜速率和单分子膜致密性,高弹性长侧链两亲性化合物提高单分子膜的稳定性,有效抑制复杂严酷条件下混凝土水分的蒸发。

  减少大风、钨灯直射条件下水分蒸发40% ;减少大风条件下水分蒸发75%;表面无开裂;推迟孔隙负压拐点增长时间 1 以上,减少塑性收缩50%以上,有效降低塑性开裂风险;

  提升表层水泥水化程度15%,混凝土抗渗性降低45%。为极端环境(高温、低湿和大风)条件下高性能混凝土的塑性开裂和结壳难题提供解决方案

  硬化阶段:理论研究证实了毛细管张力和K+Na+浓度是影响减缩效果的最关键因素;率先提出了基于孔溶液低表面张力和低离子浓度的协同作用减缩机理 ;建立了K+Na+浓度与收缩变化值之间的量化关系。突破了传统“毛细管张力” 单一减缩理论的局限,为减缩性能的大幅提升提供理论支撑。

  减水减缩型聚合物外加剂烷基聚醚侧链提供分散作用,减缩基团发挥减缩功能,引入极性基团调控界面张力,解决了传统低分子减缩剂掺量高、降低强度的难题,大幅降低高性能混凝土的自收缩和干燥收缩,为隧道、箱梁等薄壁混凝土结构抗裂提供保障。

  6.专用聚醚关键技术

  关键原材料--专用聚醚大单体:以上五种关键技术都依赖于专用聚醚的应用,实现多元多相催化,二元协同增效阻聚 ,高效立体超细雾化 ,改变分子结构,突破了现有技术瓶颈,专用聚醚的自主化制备,为功能型外加剂优良性能的开发奠定了基础。

  三、成果转化及工程应用

  核电工程:解决了中等坍落度保坍、核岛薄壁结构易开裂的技术难题,首次实现核岛混凝土外加剂国产化,打破国际垄断,成果在台山、田湾、岭澳、阳江和防城港等核电工程得到成功应用,市场占有率达85% 

  高铁工程:解决了夏季高温施工流动度损失大、大掺量工业废渣初始分散慢、粘度大的技术难题,成果在京沪、沪宁、贵广、武广等高铁工程得到成功应用 

  桥梁工程:满足了桥梁工程提出的高减水、高保坍和低粘度的综合要求,成果在杭州湾跨海大桥、苏通大桥、港珠澳大桥等大型桥梁工程得到成功应用。

  水电工程:满足水电工程低胶材用量常态混凝土坍落度保持和复杂组分混凝土的高效分散及分散保持的要求。成果在三峡大坝、小湾、溪洛渡、锦屏等大型水电工程得到成功应用。

  制品行业:解决了低胶材、低砂率、高磨细石英砂制品混凝土快速分散、流动度保持及低粘度的技术难题,实现泵送施工,成果在建华管桩、中技桩业进行了示范推广应用。

  市政民用:提高了外加剂对民用商混原材料波动的适应性;满足了商混高温、长距离运输对流动度保持的要求。解决西北极端严酷条件下200m2高性能混凝土塑性开裂和施工难题。

  海外工程:解决了伯利兹地区夏季温度高、持续时间长,混凝土坍落度损失大的技术难题;流动性调控技术综合性能优于国外同类技术。

  四、结论与展望

  现代混凝土组分复杂,流动性要求越来越高,初始流动性及流动性保持越来越难,注重硬化前和硬化后的养护,抑制塑性和收缩开裂,混凝土外加剂是解决流动性和开裂的最有效途径,但选择高性能的外加剂,并注重应用技术的研究。