高强混凝土降粘措施探讨

本文由同济大学孙振平教授课题组水亮亮整理

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0 引言

《普通混凝土配合比设计规范》JGJ-55-2000和《建筑材料术语标准》JGJ/T191-2009将高强混凝土定义为：强度等级不低于C60的混凝土。与普通混凝土相比，高强混凝土具有明显的技术优势、性能优势和良好的社会效应：1) 减小混凝土结构尺寸，减轻结构自重和地基荷载，节约用地，节省资源，降低施工能耗；2)有效改善混凝土的耐久性，延长建筑物的使用寿命，减少结构维护和修补费用；3) 高强混凝土利用大量工业废渣，节省水泥用量，符合节能、减排、环保和可持续发展的战略要求。高强混凝土是现代混凝土技术水平的代表和未来的发展方向之一^[1]。

实现混凝土高强度的主要技术措施有：1) 通过采用高效减水剂来大幅降低水胶比；2) 通过添加矿物掺合料来降低水化热、改善水泥石孔结构、改善界面过渡区结构以及改善混凝土拌合物工作性等；3) 选用优质砂石，优化颗粒级配等。然而，由于高强混凝土拌合物水胶比极低，且胶凝材料用量较大，高强混凝土拌合物的粘度通常较大，这严重约束了高强混凝土在现代化高效文明施工中的推广与应用。目前，通常借助矿物掺合料和混凝土外加剂的应用来解决高强混凝土拌合物粘度高的问题。

1 高强混凝土中矿物掺合料的应用

最紧密堆积理论是设计高强混凝土的基本原理，在设计高强混凝土配合比时，胶凝材料的选择应充分考虑不同胶凝材料的颗粒粒度分布情况。一方面，从微观层面上优化颗粒级配，提高密实度，从而释放出颗粒间隙水，起到物理减水的作用。另一方面，像粉煤灰这类具有球状特性的矿物掺合料，在混凝土拌合物中能够起到很好的滚珠润滑作用，从而降低拌合物粘度。

王方刚等^[2]选用矿粉、I级粉煤灰、微珠及硅灰四种矿物掺合料与水泥复合使用配制了低粘高强的C100混凝土，研究了四种矿物掺合料对拌合物粘度的影响。其中，五种胶凝材料的形貌特征与颗粒粒度分布情况分别见图1与图2。

图1 五种胶凝材料形貌特征（C--水泥；GGBS--矿粉；IFA--I级粉煤灰；M--微珠；SF--硅灰）

图2五种胶凝材料粒径分布情况

结合图1和图2可知，水泥和矿粉颗粒形貌相似，均为不规则状，且两者粒径相当。而粉煤灰、微珠和硅灰均为密实球体颗粒，微珠粒径小于I级粉煤灰，硅灰的粒径最小。通常，在配制高强混凝土时会掺入一定量的硅灰，一方面是由于其具有较高的活性，另一方面硅灰颗粒极小，能充分填充于水泥颗粒间隙中，从而显著提高混凝土强度。但由于硅灰与水泥粒径相差太大，单独掺入硅灰无法获得连续的颗粒级配，同时硅灰粒径太小，需水量大，掺量较高时会增大拌合物粘度。为此，进一步掺入矿粉、I级粉煤灰和微珠能有效优化胶凝材料的级配，同时I级粉煤灰和微珠能够起到很好的滚珠效应，降低混凝土拌合物的粘度。

Kashani A等^[3]研究了颗粒粒径分布对“水泥-矿粉-粉煤灰”三元体系拌合物粘度的影响，结果表明：由于粉煤灰具有较大的粒径分布范围，使得三元体系能够获得更高的颗粒堆积密度，细小的颗粒填充于颗粒间隙中，释放出多余的自由水，从而降低了体系的粘度。

2 高强混凝土中混凝土外加剂的应用

高强混凝土制备过程中，必不可少的条件之一是混凝土外加剂的选择与应用。可以说，混凝土外加剂的发展在某种程度上推动了高强混凝土技术的进步^[4,5]。其中，高效减水剂是高强混凝土制备过程中必不可少的外加剂，高效减水剂能大幅减少混凝土的拌合用水量，从而提高混凝土的工作性、力学性能及耐久性等。在高强混凝土的制备过程中，为了降低拌合物粘度，通常采用提高减水剂掺量的方法实现，然而，过高的减水剂掺量会造成混凝土缓凝现象严重，强度发展缓慢，甚至会造成混凝土的离析和泌水。为此，工程上通常利用复配技术来改善高效减水剂的使用效果。

2.1 外加剂复配技术

将高效减水剂与引气剂复配，使拌合物含气量增加，微小的气泡在拌合物中起到了滚珠效应，而气泡表面又包覆了一定量的拌合水，因此既能降低拌合物粘度又能避免拌合物离析和泌水。或者，利用粘度调节剂来调节混凝土拌合物的粘度，避免过量减水造成的离析和泌水现象。然而，这些复配的方法通常都存在一些问题：1) 减水剂与其他外加剂存在相容性问题；2) 消泡剂及粘度调节剂通常都存在自身溶解性差的问题；3) 消泡剂及粘度调节剂的掺量较小，使用过程中掺量控制难度大；4) 复配成本较高。

2.2 低粘性聚羧酸系减水剂的开发应用

聚羧酸系减水剂（PolycarboxylateSuperplastisizer, PCE）作为第三代高效减水剂，具有分子结构可设计性强的突出优点，已有研究者开始着力于降粘型聚羧酸系减水剂的开发与应用。张明等^[6]研究发现：随着甲基丙烯酸甲酯（MMA）在PCE分子结构中占比的增加，由其所拌制的混凝土的流空时间呈明显减小的趋势，即混凝土拌合物粘度不断降低。这主要是由于MMA分子结构中含有较大比例的憎水性甲基，改善了PCE分子结构的亲水亲油性（即HLB值），释放出被聚氧乙烯基侧链束缚住的游离水，从而有效降低了混凝土拌合物的粘度。同样，随着甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯（MPEGMA）分子量增大，合成出的PCE分子结构中亲水性氧化乙烯基团含量增高，束缚了大量的游离水，使混凝土拌合物粘度增大。

然而，Lange A等^[7]研究结果则认为：具有较大HLB值的PCE能显著降低混凝土拌合物的粘度，为此，他们还建议在合成低粘型PCE时宜选用丙烯酸或顺丁烯酸酐作为小单体，大单体则宜选择以羟基封端的聚醚（如APEG、IPEG等）而非以甲基封端的聚醚（如MPEG）。这一结论与张明等^[6]的结论并不一致。

本课题组人员在前期的探索试验中成功合成出了一种低粘型PCE（记作：L-PCE），为直观的比较L-PCE与O-PCE（普通型PCE）在较高掺量下对浆体性能的影响，设计了如表1所示的净浆试验，结果如表1及链接视频所示。

表1 净浆流动度试验配比

结合表1与视频内容可以看出，O-PCE较L-PCE具有更高的分散性能，两组净浆流动度均大于300mm，浆体泌水现象严重，O-PCE造成了严重的扒底现象，但L-PCE所造成的扒底现象并不明显。我们初步认为，L-PCE能够改善水泥早期水化产物的形貌、尺寸和数量，改善浆体中颗粒的粒度分布情况，进而改善了浆体的流变性能，但具体机理还有待后期的深入研究。

3 结语与展望

综上所述，矿物掺合料和混凝土外加剂的应用与发展是高强混凝土制备与应用技术的关键。然而，随着优质矿物掺合料资源的愈发紧缺，特别是具有良好滚珠效应的I级粉煤灰和微珠等资源的紧缺，发展混凝土外加剂技术来改善高强混凝土拌合物的工作性将变得愈发重要。而考虑到复配技术所存在的不足，着力开发低粘型PCE将具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 冷发光, 王永海, 周永祥, 等. 高强混凝土的研究应用和发展趋势[J]. 商品混凝土, 2011, (2): 25-27.

[2] 王方刚. 低粘超高强 (C100) 混凝土制备及其性能研究[D]. 武汉理工大学, 2014.

[3] Kashani A, San Nicolas R, Qiao G G,et al. Modelling the yield stress of ternary cement–slag–fly ash pastes basedon particle size distribution[J]. Powder Technology, 2014, (266): 203-209.

[4] 王姣兰. 低需水的新拌水泥浆体流变性研究[J]. 武汉理工大学学报, 2003, 25(4): 21-23.

[5] 高瑞军, 王玲, 高春勇, 等. 低水胶比下水泥浆体流变性能的研究[J].中国建筑材料联合会混凝土外加剂分会第十四次会员代表大会--“科隆杯” 混凝土外加剂论文集 (上册),2014.

[6] 张明, 张栓红, 段彬, 等. 降粘型聚羧酸系减水剂的合成研究[J]. 硅酸盐通报, 2015, 34(3): 868-872.

[7] Lange A, Plank J. Optimization ofcomb‐shapedpolycarboxylate cement dispersants to achieve fast‐flowingmortar and concrete[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2015, 132(37).