聚丙烯纖維、膨脹劑、減水劑、防水劑和摻合料在應用上的區(qū)別
2005-07-03 00:00
摘 要： 根據(jù)對摻有膨脹劑、減水劑、防水劑和摻合料混凝土的抗?jié)B性能測定結(jié)果表明，應針對工程中所用混凝土的不同種類、不同強度等級，來選擇不同的材料改善混凝土的抗裂抗?jié)B能力。
關(guān)鍵詞：混凝土；聚丙烯纖維；膨脹劑；減水劑；防水劑；摻合料
聚丙烯纖維、膨脹劑、減水劑、防水劑以及摻合料對混凝土的抗裂抗?jié)B性能有重要的影響，但其作用的機理，適用范圍有較大的區(qū)別，不能不根據(jù)工程的具體情況隨意采用上述材料。目前實際應用上存在的主要問題有：一是用防水劑，一般是不論混凝土的等級是多少，不論是否是大體積混凝土，既然防水，就用防水劑；二是用膨脹劑，只要有抗?jié)B要求的都要使用膨脹劑；三是不管設(shè)計是否考慮補償收縮，因為摻減水劑和摻合料的混凝土，混凝土抗?jié)B等級一般都能達到P6 ，P8 ，所以有些單位認為摻了減水劑和摻合料混凝土的抗?jié)B等級已經(jīng)提高了很多，不需用防水劑、膨脹劑了[1] 。本文對不同強度等級和使用不同材料的混凝土的滲透性進行了研究。
1 試驗原材料
水泥：平頂山星峰集團產(chǎn)P. O 32. 5 ，28d 實測抗壓強度為38. 78MPa。砂子：葉縣產(chǎn)中砂，細度模數(shù)2. 6 。碎石：新密產(chǎn)石灰?guī)r碎石，5mm - 20mm 的連續(xù)粒級。膨脹劑：J Y 抗裂膨脹劑7d，28d 抗壓強度分別為35. 5MPa，48. 7MPa，28d 水中，空氣中限制膨脹率分別為0.043 % ，0. 011 %。其他性能指標滿足JC476 - 1998《混凝土膨脹劑》的要求。減水劑： FN - 200 高效減水劑。減水率20%，7d，28d 抗壓強度比分別為141 % ，135 %。防水劑：按照防水劑標準(JC474 - 1999 混凝土部分) 對防水劑的試驗結(jié)果列于表1 。摻合料：洛陽首陽山I 級灰，其需水量比91. 0 % ，燒失量1. 5 %，28d 抗壓強度比78. 6 %；濟源鋼鐵公司產(chǎn)磨細礦渣，細度為4500cm2/g。
2 試驗方案
2. 1 試驗配合比
試驗采用C20 ，C30 ，C40 ，C50 四個強度等級的配合比，設(shè)計試驗的配合比見表2 。
2. 2 試驗過程
試驗過程參照國標GBJ 82 - 85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行：試驗水壓從0. 1MPa開始，以后每隔8h 增加0. 1MPa ，對C20，C30 混凝土水壓加到1MPa ，持續(xù)8h 后，測定滲水高度；對于C40，C50混凝土，水壓加到2MPa ，持續(xù)8h 后，測定滲水高度。
3 試驗結(jié)果及分析
表3 給出了各組試驗的平均滲水高度結(jié)果。
從表3 可以看出：對于C20 和C30 混凝土同樣的配合比，同樣的水壓，摻復合防水劑的平均滲水高度要比單摻減水劑或加減水劑和抗裂膨脹劑的混凝土要低的多。而加減水劑和抗裂膨脹劑的混凝土又比只摻減水劑的混凝土滲水高度要低，但小的幅度是有限的。這是因為在C20 和C30 混凝土中，由于水灰比較大，混凝土大孔和毛細孔很多，因而抗?jié)B能力低。盡管減水劑能夠分散水泥顆粒，減少大孔、毛細孔的數(shù)量，但是效果是有限的，所以遠不如摻防水劑的效果顯著。同樣的道理，摻抗裂膨脹劑產(chǎn)生的鈣礬石凝膠也能填充一些毛細孔隙，但由于混凝土中大孔和毛細孔太多，因而效果也是有限的。
從表3 還可以看出：對于C40 和C50 摻防水劑的混凝土，單摻減水劑的混凝土以及減水劑和抗裂膨脹劑雙摻的混凝土三者的平均滲透高度相差并不顯著，減水劑和抗裂膨脹劑雙摻的混凝土抗?jié)B能力更強一些。這主要是因為對于C40 和C50 這樣強度等級較高的混凝土，混凝土的大孔和毛細孔較少，混凝土的密實度較高，這是單摻防水劑與單摻減水劑以及減水劑和抗裂膨脹劑雙摻的情況相比就不突出了。三種方法均能大大提高混凝土的抗?jié)B能力，但是三種方法彼此差別并不顯著。
4 聚丙烯纖維、抗裂膨脹劑、減水劑、防水劑和摻合料的作用機理
4. 1 聚丙烯纖維
聚丙烯纖維以單位體積內(nèi)較大數(shù)量均勻分布于混凝土內(nèi)部，在混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的三維隨機網(wǎng)絡(luò)體系，起到了支撐集料的作用，有效防止和抑止混凝土的離析傾向，減少混凝土表面的泌水，提高混凝土的抗拉強度，從而大大減少和抑止混凝土塑性裂縫的產(chǎn)生。
4. 2 抗裂膨脹劑
抗裂膨脹劑為生成鈣礬石的膨脹劑，抗裂膨脹劑在膨脹過程中，由于鋼筋和混凝土之間有一定的握裹力，所以混凝土必然和鋼筋同時一起膨脹。也就是鋼筋由于混凝土膨脹受到一定的拉應力而伸長，混凝土的膨脹則因為鋼筋的限制，而受到相應的壓應力。以后，即使經(jīng)過干縮，但還不能使膨脹值全部抵消，尚有一定的剩余膨脹，不但能減輕開裂現(xiàn)象，而且更重要的是外界因素對混凝土所產(chǎn)生的拉應力，可以為預先具有的壓應力所抵消，而將混凝土的實際拉應力減小至極低的數(shù)值，因而有效的克服了混凝土抗拉強度差的缺陷，也即膨脹混凝土在限制條件下，在混凝土中建立一定的預應力，改善了混凝土內(nèi)部的應力狀態(tài)，從而提高了混凝土的抗裂能力。
JC476 - 2001《混凝土膨脹劑》標準規(guī)定，用40mm ×40mm ×160mm 膠砂試件測定膨脹劑水中及干空氣中的限制膨脹率，<4mm 限制鋼筋； GBJ 119 規(guī)范規(guī)定，用100mm ×100mm ×300mm 試件測定補償收縮混凝土的水中14d 限制膨脹率，<10mm 限制鋼筋，兩者的配筋率為0. 785 % ，依下式計算膨脹導入的自應力值：
δ = μ·E ·εr (1)
式中：δ—自應力值，MPa；μ—配筋率，%；E —鋼筋彈性模量，1. 96 ×105MPa；εr —測得的限制膨脹率， %。
根據(jù)公式(1) 計算當εr = 1. 30 ×10 - 4時，δ= 0. 2MPa ；當εr = 4. 55 ×10 - 4 ，δ= 0. 7MPa。根據(jù)該公式可以看出，要產(chǎn)生足夠的δ，先決條件是要產(chǎn)生足夠的εr ，同時足夠的μ是必要條件。計算可知，設(shè)εr 為2. 5 ×10 - 4 ，當μ為0. 5 %時，δ為0. 25MPa ，μ為1. 5 %時，δ為0. 74MPa。
另外，在水化硬化過程中，膨脹結(jié)晶體(如鈣礬石) 起到填充、切斷毛細孔縫作用，使大孔變小孔，總孔隙率減少，改善混凝土的孔分布，從而提高了混凝土的抗?jié)B能力。
4. 3 高效減水劑
在混凝土中摻入高效減水劑，減水可達20 %或更高。減水劑是表面活性物質(zhì)，吸附在水泥顆粒表面起到對顆粒的潤滑作用，同時因為吸附為定向吸附，使顆粒之間產(chǎn)生電斥力而使水泥顆粒團高度分散而起到減水增塑的目的，使混凝土在保持坍落度相同的情況下，大大減少混凝土的用水量，減少大孔、毛細孔的數(shù)量，從而大大提高混凝土的抗?jié)B性。另外，混凝土中摻入減水劑后，即使在水灰比不變的情況下，也使水泥顆粒分散得更均勻。
4. 4 防水劑
防水劑除具有減水劑提高混凝土抗?jié)B功能外，還具有憎水功能。它能減少硬化混凝土中由于毛細管作用而引起的水的通過能力，其主要作用在于使混凝土的表面及毛細管的內(nèi)部表面，甚至表面下的一部分覆蓋層有一定的憎水性?；炷恋脑魉饔迷鰪?，滲水、吸水量也就會大幅度減少[2] 。
4. 5 摻合料
在混凝土中摻入一定量的粉煤灰，除可降低混凝土成本外，其主要作用是大大改善混凝土性能，而關(guān)于粉煤灰對提高混凝土抗?jié)B性能有利的文獻數(shù)不勝數(shù)。一方面，由于摻入粉煤灰，混凝土中水泥用量及水膠比進一步降低，從而使混凝土密實性和抗?jié)B性進一步提高；另一方面，粉煤灰可使混凝土內(nèi)磨阻力減少，其強度，流動性和和易性大大提高，有利于泵送混凝土施工[3 ] 。磨細后的礦渣微粉作為混凝土的獨立組分不僅有利于水化作用和提高強度和密實度，而且還能減低孔隙率，改善孔結(jié)構(gòu)，從而提高硬化混凝土的抗?jié)B性， Celik Ozyildirim[4 ]在研究礦渣和硅灰摻入混凝土中對滲透性的影響時，得出結(jié)論:用礦渣作為膠凝材料的一部分比單純用普通硅酸鹽水泥作為凝膠材料配制的混凝土，其抗氯離子滲透的能力更高。
5 小結(jié)
當混凝土等級提高時，混凝土的水泥用量提高了，混凝土本身的化學收縮和水化熱造成的收縮漸漸變得顯著。這時可能會引起開裂，這是應該值得注意的。因為一旦開裂，混凝土能達到的抗?jié)B等級再高也是沒有用的。聚丙烯纖維、膨脹劑、減水劑、防水劑以及摻合料是能解決防水問題的有效工具，而到底怎么用更經(jīng)濟，更合理就要具體問題具體分析。聚丙烯纖維可以有效的抑制和減少混凝土的塑性收縮裂縫，減少有害裂縫的形成，從而起到抗裂作用，防止裂縫的擴展。聚丙烯纖維和膨脹劑雖然在混凝土中都起防止裂縫產(chǎn)生和擴展的作用，但它們的作用機理、有效時間和需要的條件是明顯不同的。因此聚丙烯纖維不能完全取代膨脹劑，膨脹劑也不能取代聚丙烯纖維。從某種意義上講，他們的作用是互補的。選擇那種防裂材料取決于工程結(jié)構(gòu)部位的具體要求和需要達到什么樣的防裂目的。
對C20 ，C30 的P6 ，P8 級抗?jié)B混凝土，沒有其它特殊要求，就可以簡單的只用減水劑和摻合料，這樣配制的混凝土既簡單方便，又十分經(jīng)濟。如果是低強混凝土，有的甚至要求不低的抗?jié)B等級，這時摻防水劑是很合適的。如果對C40 ，C50 混凝土或更高強度等級的混凝土，因為混凝土自身的抗?jié)B能力已經(jīng)足夠，可以不摻防水劑，可直接用減水劑和摻合料。當然考慮摻膨脹劑也是很合適的。但是若設(shè)計從結(jié)構(gòu)上考慮需補償收縮混凝土，任何時候都要摻膨脹劑，不能隨意用別的方法替代。
參考文獻：
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[3]趙全振，婁康樂. 三摻技術(shù)在防水混凝土工程中的應用[J] . 混凝土，2003 ， (2) :52 - 57.
[4]Celik Ozyildirim. Laboratory Investigation of Low - Permeability Concrete Containing Slag and Silica Fume[J ] . ACI Materials Journal ，1994 ，91(2) :197 - 202. 編輯：
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