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减水剂在混凝土施工中的应用

  减水剂是指在不影响混凝土和易性条件下, 具有减水及增强作用的外加剂, 由于使用时在混凝土塌落度基本相同的条件下能使混凝土拌合物用水量明显减少, 因此而得名。目前国内生产的减水剂有几十个品种。按其化学成分可分为木质素系、萘磺酸盐系、树脂系、糖蜜系、腐殖酸系及复合系六大类; 按塑化作用效果可分为普通减水剂和高效减水剂; 按对混凝土凝结时间的调凝性质分为普通型、早强型、缓凝型; 按对混凝土的加气性质分为加气型和非加气型。目前常用的是木质素系及磺化煤焦油系减水剂。它产生于20 世纪70 年代, 而今, 随着混凝土性能的发展, 减水剂在混凝土的配制中充当的角色越来越重要, 人们甚至称它为混凝土的第五元素, 即除了水泥、砂、石、水之外的第五大要素。笔者从减水剂的功能、性质、分类、应用等方面对它作了一些探讨。
1 减水剂的功能
1.1 提高强度  在保持混凝土拌合物流动性不变和水泥用量不变的情况下, 减水剂可使混凝土的单位用水量减少10%~ 25% , 从而降低混凝土的水灰比, 使得混凝土的强度提高15%~ 20% ,若采用高效型减水剂可减少用水量20%~ 30% , 从而大幅度提高了混凝土早期或后期强度。
1 . 2 节约水泥用量  在保持混凝土强度和塌落度不变的情况下, 水灰比不变, 可以在减少拌和用水量的同时, 相应减少水泥的用量, 从而节约水泥用量5%~ 20%。
1.3  增加流动性  在保持混凝土的水灰比不变, 用水量不变的情况下, 可使混凝土塌落度增大100~200mm , 且不影响混凝土的强度, 从而可以满足升板、大模板、泵送混凝土等施工工艺要求。
1.4 提高耐久性  由于用水量的减少, 混凝土的泌水、离析现象减少, 提高了混凝土的抗渗性, 使透水性降低40%~80% , 从而提高了混凝土的耐久性。
1.5  降低水化放热速度  采用缓凝型减水剂, 可以有效推迟混凝土的热峰出现的时间, 减慢混凝土的水化放热速度, 特别适用于大体积混凝土施工。
1 .6 配制特种混凝土  在普通水泥混凝土中渗入不同性能的减水剂, 就可制得高强混凝土、超高强混凝土、缓凝高强混凝土、早强混凝土及超早强混凝土、防水混凝土、抗腐蚀混凝土、膨胀混凝土、自应力混凝土等等, 这将比采用特种水泥更为经济、简便、灵活。
2 减水剂的作用机理
  减水剂属于表面活性物质, 它具有表面活性物质的基本特性, 其分子结构是由两个部分组成的, 一端为易溶于水而难溶于油的亲水基团, 另一端为易溶于油而难溶于水的亲油基团。减水剂多为表面活性物质, 其本身并不与水源起化学反应生成新的水化产物, 而只是起表面物理化学作用。减水剂本身不会提高混凝土的强度, 但它可以改善混凝土的性质, 使水泥的水化过程及水泥石内部结构发生变化, 从而显著地影响和改善混凝土的一系列物理力学性能。
2. 1 混凝土拌合物和易性降低  混凝土拌合物中的水泥矿物在水化过程中所带电荷不同, 产生异性电荷的吸力, 或由于水泥颗粒在溶液中的热运动造成的棱角碰撞、吸附及粒子间的引力作用引起絮凝状结构, 其结构中包裹很多拌和水, 从而降低了混凝土拌合物的和易性。
2. 2   吸附-  分散作用  若在混凝土中掺入适量减水剂, 这种表面活性剂会定向吸附于水泥颗粒表面, 使亲水基团指向水溶液。由于亲水基团的电离作用, 使水泥颗粒带有相同符号的电荷, 在静电相斥作用下, 使水泥颗粒被分散, 导致絮凝状结构解体, 从而释放出水泥絮凝体中所包裹的水分达到减水目的, 并有效地增加了混凝土拌合物的流动性。
2.3  减水剂的润滑和湿润作用  阴离子表面活性类的减水剂, 其亲水基团的极性很强, 极易与水分子以氢键形式结合, 在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜, 它阻止了水泥颗粒间的直接接触, 在颗粒之间起到润滑作用, 提高混凝土的流动性, 改善混凝土拌和物的和易性。
2.4  极性气泡的润滑作用  减水剂的掺入, 会引进一定量的微细极性气泡, 这些极性气泡被减水剂形成的吸附膜所包围, 与水泥颗粒吸附膜电荷的符号相同, 因而气泡与气泡、气泡与水泥颗粒间也因具有电性斥力而使水泥颗粒分散, 从而增加水泥颗粒间的滑动能力(如滚珠轴承作用)。
2 . 5 提高混凝土的强度  由于减水剂对水泥的分散作用, 使得水泥颗粒与水接触的表面增多, 增大了水泥颗粒的水化面积, 使得水化比较充分, 并不同程度地改变了硬化后水泥石孔结构, 使大孔减少, 微孔增多, 从而提高混凝土的强度和耐久性。
3 减水剂在施工中的应用
3. 1    减水剂的质量标准 减水剂的质量标准应符合《混凝土外加剂》(GB 8076) 和《混凝土外加剂应用技术规范》(GBJ 50119) 规定。
3.2  减水剂的选用  在选用不同的减水剂时, 应考虑的因素有气温、材料、及工程的要求和经济指标。具体可参照下表。

3. 3    减水剂的施工掺配方法 减水剂的施工掺配方法有多种, 目前常用的有先掺法、同掺法、后掺法等。
3. 3. 1 先掺法 指将粉状或液态的减水剂先于水加入混凝土拌和物中, 采用先掺法时, 水泥颗粒表面能较大, 减水剂加入后对减水剂的吸附量也较大, 所以溶液中的减水剂浓度降低, 减水剂分散减水作用下降。一般不采用先惨法。
3. 3.  2  同掺法  指在混凝土施工中, 将减水剂预先溶于水中, 配制成一定浓度的溶液, 然后在混凝土拌和时将此溶液与水一起加入( 溶液中的水必须从混凝土拌和用水中扣除)。同掺法的优点是计量准确, 拌和易均匀。
3.  3.  3  后掺法  指减水剂在混凝土运输途中或运抵施工现场后一次或分次加入, 混凝土再进行二次搅拌或多次搅拌。后掺法的优点是可以克服混凝土拌和物在运输途中产生的分层离析及塌落度损失, 减少减水剂的用量, 提高减水剂的使用效果和对水泥的适应性。但后掺法只有在采用混凝土搅拌车运输时才适用。
3.  3.  4  先掺法、同掺法、后掺法的效果比较  在一定滞水时间内, 采用后掺法的混凝土拌和物的流动性优于同掺法和先掺法, 混凝土3d 和28d 的抗压强度值也高于同掺法和先掺法的抗压强度值。后掺法比同掺法和先掺法流动性好的原因是它们的作用机理不同, 先掺法与同掺法的作用机理是吸附—— 分散作用, 水泥颗粒形成稳定的具有一定Zata 电位的胶粒, 从而使混凝土拌和物的流动性提高; 后掺法的作用机理是胶凝—— 吸附分散作用, 即减水剂掺入以前, 混凝土内部水泥浆体先已形成了絮凝结构, 减水剂加入后吸附于含水的塑凝结构上, 不断破坏这些塑凝结构, 释放自由水, 从而提高了混凝土拌和物的流动性。另外, 采用后掺法时, 在加入减水剂前, 水泥先已有一定的水化, 颗粒表面形成一层水膜, 降低了水泥颗粒的表面能, 也降低了对减水剂的吸附能力, 所以滞留于液相中的减水剂浓度较高, 其分散减水作用自然也较强, 与同掺法和先掺法相比, 混凝土拌和物流动性较高。
  后掺法的滞水时间过短或过长, 混凝土的流动性都会降低, 这是因为, 加入减水剂前, 搅拌时间的增加, 水泥水化更充分, 部分水泥开始硬化, 导致流动性变差。所以采用后掺法要选择适宜的滞水时间, 一般将标准的减水剂滞水时间稍稍延长最为适合。
3. 4    减水剂的形态对混凝土流动性的影响 采用不同形态的减水剂, 对混凝土的流动性影响是不同的。一般来说, 减水剂以液剂形态掺入时, 其混凝土的流动性明显好于以粉剂形态掺入的混凝土, 而二者的抗压强度值相当。
3.5  搅拌工艺对混凝土性能的影响  投料工艺不同, 对混凝土的性能影响是不同的。一般认为, 砂浆裹料混凝土的抗压强度最高; 若高效减水剂与水和胶凝材料先进行一次搅拌, 搅拌均匀后再放砂石进行二次搅拌, 这种投料工艺使得混凝土的和易性最好。
3. 6     掺减水剂的混凝土易发生的问题、原因、解决办法掺减水剂的混凝土拌和物会出现沉降缝、粘罐、假凝、不凝、塌落度损失过快及硬化后强度过低等问题。
3. 6. 1  沉降缝  指浇筑后的混凝土在初凝前后会出现若干短、直、宽、且浅的裂缝。其原因是由于掺减水剂后的混凝土较为粘稠、不泌水、不易完全沉平, 常会在钢筋上方出现沉降缝。解决此问题的方法是在混凝土初凝前后于裂缝处抹压混凝土至裂缝消失。
3.  6. 2  粘罐  指部分水泥砂浆粘在搅拌机的筒壁上, 造成混凝土不均匀、少灰。其原因是由于混凝土发粘, 掺缓凝型减水剂或搅拌机的轴径比太小。可采用下列方法解决: 及时清除搅拌筒上附着的混凝土; 改变投料次序; 更换轴径较大的搅拌机等。
3.  6. 3   假凝  指出机后的混凝土很快失去流动性, 甚至无法浇注。其原因是由于水泥中的硫酸钙含量过低, 使得铝酸钙水化太快, 或者该减水剂对该种水泥适应性差等引起。可采用下列方法解决: 更换水泥的品种或批号; 降低减水率一半; 降低拌和温度; 掺0. 5%~2.  0% 的硫酸钠作为缓凝剂使用。
3. 6. 4  不凝  指掺减水剂的混凝土长时间仍未凝固, 表面泌浆呈黄褐色。其原因是由于减水剂的掺量过大, 或者缓凝剂使用过量。可采用下列方法解决: 降低减水剂的用量, 最多不超过推荐用量的2 倍; 终凝后适当提高养护温度, 加强浇水养护; 对已成型的部分清除, 重新浇筑。
3. 6. 5  塌落度损失过快  指混凝土的强度比同龄期的试配结果低得多, 或者混凝土虽凝结但强度极低。其原因是由于引气性减水剂的掺量过大, 混凝土含气量过大; 振捣不够; 水灰比增大了; 或者减水剂的质量不合格, 有效成分不足。可采用下列方法解决: 采取其他加固措施, 或重新浇注混凝土; 加强浇注后的振捣; 对本批减水剂重新鉴定。
3. 6. 6  硬化后强度过低  指出机后的混凝土很快失去和易性, 每过2~ 3m in, 塌落度明显减少1~ 2cm , 且明显有沉淀现象, 大塌落度混凝土更易产生此类现象。其原因是由于该减水剂对该种水泥适应性极差; 混凝土的含气量过大; 混凝土的搅拌温度或环境温度过高; 混凝土的塌落度太大等引起。可采用下列方法解决: 采用后掺法, 减水剂在混凝土搅拌后1~ 3m in 后, 甚至在浇注前才掺入, 并重新搅拌; 降低搅拌温度和环境温度; 降低混凝土的塌落度。
4 减水剂的发展
   随着科技的进步, 混凝土性能在发展, 减水剂的性能也在不断地发展。减水剂的发展方向从国内的发展现状来看, 一是向高效型发展, 一是向复合型发展。
4. 1 高效型减水剂  相对于普通减水剂, 它有许多优点如: 1) 适合配置高强混凝土, 在保持混凝土的工作性和水泥用量不变的条件下, 可大幅度减少用水量, 减水率一般都大于12% 以上, 尤其适合配置早强、高强混凝土。2) 适合配置大流动性混凝土, 在保持混凝土用水量和水泥用量不变的条件下, 可大大增加混凝土的流动性。3) 耐低温, 普通减水剂要求最低温度在+ 5℃以上, 而高效减水剂最低温度在0℃ 以上。4) 适用范围广, 凡普通减水剂适用的范围, 高效减水剂皆可适用。
  目前, 常用的高效减水剂有: FDN 萘系高效减水剂、N F 高效减水剂、SP 401 蜜胺树脂高效减水剂、SND 混凝土高效减水剂、德国的H aent 等等。例如: 在广东中堂公路大桥的项目工程中, 采用了较为流行的萘系减水剂FDN , 即为高效减水剂, 它的主要成分是Β-  萘磺酸盐, 深棕黄色, 粉末状, 掺量1. 0% ; 减水率可高达20% , 3d 强度比普通混凝土可提高55% 左右, 28d 强度达66. 9M Pa, 比不掺减水剂的同配比普通混凝土提高强度16. 3% ; 节约水泥超过10% 以上, 且对钢筋无锈蚀作用。
4. 2  复合型减水剂  为了满足某些工程在施工中对混凝土提出多种技术要求, 国内外常采用减水剂与其他外加剂品种进行复合, 组成复合型减水剂。这是减水剂的发展另一大方向。目前常用的有早强减水剂、缓凝减水剂、引气减水剂、缓凝引气减水剂等等。较为知名的产品有: ST 11 型混凝土早强高效减水剂、N SZ 早强复合减水剂、U N F—4 早强高效减水剂、SP 403 多功能高效减水剂、H G—H 型级凝高效减水剂、德国的H aent 等等。
  如较流行的多功能高效减水剂SP 403, 具有减水、增塑、早强、增强、调凝等多种复合性功能。其主要成份是磺化三聚氰胺甲醛树酯和聚烷基芳基磺酸盐, 褐色液体, 常用掺量0. 7%~1. 5% ; 可提高混凝土的塌落度到25cm , 塌落度损失小, 可泵性显著改善, 而强度不降低; 减水率可达15%~25% , 3d 的强度提高50%~60% , 28d 强度提高20%~ 30% , 且对混凝土抗拉、抗折和后期强度也提高, 钢筋粘结力、抗碳化性能、抗渗性及抗冻性能改善; 可节省水泥15%~ 20% , 与粉煤灰双掺可节省水泥20%~ 30% , 对混凝土收缩无不良影响, 对钢筋无锈蚀作用。

 
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