不同温度下自密实混凝土和减水剂的匹配性研究.docx
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不同温度下自密实混凝土和减水剂的匹配性研究
不同温度下自密实混凝土和减水剂的匹配性研究
密实混凝土（SCC）于20世纪80年代起源于劳动力紧缺、环境法规严格的日本。
当时，日本建筑商出于节省人力成本的考虑，也为了减少建筑工地的噪声和环境污染，逐步改良传统混凝土的配方，渐渐形成了自密实混凝土的概念体系。
SCC和传统振捣型混凝土（TVC）相比，优势为节省劳动力、环境污染小、建筑工期短。
20世纪90年代中后期，SCC相继被欧美发达国家接受并得以发展。
在中国，环保法规日益严格、劳动力成本曰益高企、项目周期日益紧凑，所以越来越多的工程项目采用SCC取代传统混凝土。
但是，因为SCC在配方上的特殊性，使其在搅拌、浇筑和养护等方面，对环境因素（尤其是温度）的依赖远高于传统混凝土。
因此，不少建筑工地，对SCC的使用往往局限在温度相对平稳的春秋两季。
如何克服温度因素对SCC施工的影响，是项目工地面临的一大难题。
此外，预制件的工厂化生产，在中国建筑业内正如雨后春笋般地蓬勃兴起，预制件厂一年四季、全天候用SCC生产建筑构件，季节更替和昼夜温差的制约也成为需要面对的问题。
所以完善SCC的施工技术具有相当的紧迫性。
评定任何一种SCC配方，依据的主要是坍落度、流动性、抗压强度等目标参数，而这些目标参数，大多受到温度等环境因素的影响。
如何针对不同的温度环境，找到最优的SCC配方，并且找到与各种配方最匹配的外加剂，使目标参数达到规范要求，从而尽量减少温度波动对SCC各项特性的影响，对SCC的推广具有积极意义。
国内外对于SCC的研宄较多专注于配方的优化，尤其在外加剂领域，近几年对聚羧酸系减水剂的研宄成果颇丰，也有不少研究针对温度对SCC特性的影响。
本文尝试探讨减水剂和温度双重因素对SCC特性的综合影响。
1温度对SCC特性的影响
流动性是SCC最重要的特性之一，由一系列参数来体现，例如坍落度、流速、流变极限（G屈服值）、稠度、黏度[w]。
在添加了多种外加剂之后，SCC中凡是受温度影响的各项特征值，波动明显大于TVC。
例如，SCC的流动性不仅受制于水泥水化反应的进程快慢，还受到减水剂吸附效应的影响。
而水泥的水化反应则受制于环境温度，减水剂的吸附效应也随着温度、时间以及水化反应的速度而改变。
所以，和TVC相比，SCC施工工艺受温度的制约更大，TVC的施工经验很多不再适用于SCC。
2高分子减水剂电荷密度对SCC特性的影响
SCC工艺中，目前常用的外加剂是以聚羧酸高分子为基材的液态减水剂。
与传统的木质素磺酸盐、蜜胺系或萘系减水剂不同的是，聚羧酸类减水剂具有掺量低、减水率高、保坍能力强、更环保等优点。
此外，聚羧酸类减水剂的分子结构灵活，设计匹配性强，可适应不同的施工现场或预制件厂。
所以，聚竣酸类减水剂逐渐取代萘系等其他族系的减水剂，成为SCC中最常用的高效减水剂。
目前专业市场上常见的聚羧酸类减水剂，是聚羧酸酯醚要确保PCE的分散性和稳定性，前提是其高分子顺利吸附到水化反应早期合成物的表面根据减水剂作用机理，PCE高分子的电荷密度以及水泥的水化反应进程，是决定SCC特性的重要因素。
控制SCC各项特性的关键之一，就是在哪个时间点让多少PCE发挥作用。
但是，不同电荷密度的PCE,其活性对温度的敏感性不同，这也就是为什么通过调整PCE的电荷密度，可以平衡温度波动对SCC特性的影响。
本文设计的试验中，对PCE取样时，主要选取低电荷密度和高电荷密度2种PCE,与不同配比的SCC交叉组合。
3TVC和SCC对环境温度依赖性的区别
对于TVC而言，环境温度若发生变化，对浇筑现场混凝土的影响，基本就体现为加速或延缓水泥的水化反应。
若气温升高，则水化反应加快，搅拌和施工相对较快：
气温降低，则水化反应减速，搅拌和施工相对较慢。
温度对新混凝土的硬化速度或其他特征值的影响也不复杂。
对于SCC而言，如果减水剂的使用量较少，则水泥水化反应和环境温度的关系，与TVC差别不大。
假如SCC的配方中必需大量的减水剂，那么SCC在施工时，水泥的水化反应和减水剂的吸附效应就会相互影响，进而影响混凝土的流动性和硬化速度。
原则上：
高温环境下，水化反应加快，黏合剂会加快起作用，也会加速生成钙矾石微粒，所以PCE的吸附也会加剧，从而增大混凝土的流动性和流动保持性。
低温环境下，因为水化反应减慢，一方面，在混凝土配制初期，黏合剂的流动会受阻碍，从而增加搅拌和浇筑的难度；另一方面，中间生成物的数量会显著减少甚至延迟生成，因此提供给PCE的吸附面也大大减少，最终会降低混凝土的流动性和流动保持性。
图1归纳了TVC和SCC受温度影响的异同点。
图1环境温度对TVC和SCC影响的区别
4不同温度下的不同组合“SCC+PCE”试验
基于上述分析，针对不同组合的“SCC+PCE”，在不同温度下对混凝土的流动性以及其他力学特性，进行了对比试验。
试验的目的是为各种配方的混凝土在不同温度下，找到最匹配的减水剂。
在试验时，除了考虑温度对水化反应速度和减水剂吸附性的影响之外，还跟踪了混凝土不同配比（尤其是水灰比和水固比）对试验效果的影响。
对于SCC的配方设计中针对不同的温度范围原本就执行的配比规定（不包括减水剂的配方），在此次试件制作过程中未做改变。
4.1试验过程
试验设计了2种SCC的配方，如表1所示。
表1中的SCC1,其配方中石灰石细粉的含量较高，使得水和细粉料的比值较低：
SCC2和TVC相比，配方中只增加了少量的细粉料，所以水和细粉料的比值较高。
这2种配方里，都添加了适量的淀粉增稠剂，但在SCC1配方中用量很少，而在SCC2配方中用量较多。
此外，对表1中2种配方都先后搭配了不同电荷量的PCE，即把PCE的电荷量作为变量。
在确定每种PCE使用剂量时所遵循的原则是，在20℃的环境下，SCC在搅拌后静置30min，坍落度达650〜700mm即可。
表2中列出了所使用的2种PCE的特性及其各自用量。
需要指出的是，各种配比的SCC在不同温度下试验时，所添加的每种PCE的量始终保持相同，以确保可比性。
试验使用了CONTEC-4SCC流变伩，用于测量混凝土试件的流变参数。
这是一种移动式混凝土流变测试仪，通过将测量得到的电流强度值转换成电机转速，根据电机转速的变化曲线推导出混凝土受到的剪切速率，然后按照宾汉流体模型定义的剪切速率与流变性的函数关系，得出混凝土的G屈服值以及H黏度值。
整个测试流程，包括原材料的贮存、混凝土的搅拌、流变性试验，都在恒温室内进行，每次的环境温度按照设定值受到了严格的监控。
在每组试件搅拌之后的0、30、60、90min,分别进行了上述流变性测试。
同时，每个温度下的每组试件在搅拌后30min，都分离出一部分并砌成3个15cmX15cmX15cm立方块，作为抗压强度的跟踪试件进行常规的浇水养护，直到28d后进行强度测试。
4.2试验结果
图2和图3为测试全过程中SCC的G屈服值随时间的变化情况。
若SCC流变极限值上升，则意味着坍落度降低，即自密实特性下降（如果混凝土的G屈服值超过2000mA,就不能称为自密实混凝土；SCC的G屈服值如果控制在1500mA以下，则可视为流动性优良，有利于施工）。
从图2中可以看到，SCC1的G屈服值对温度变化是否敏感，很大程度上受减水剂高分子电荷量的影响一一使用低电荷的PCE1时，不同的环境温度下G屈服值曲线差异不大，每条曲线自身随时间的变化也较平缓：
使用高电荷的PCE2时，不同温度下的G屈服值曲线差异很大，并且每条曲线自身随时间的变化也很明显。
当使用PCE2时，5℃和20℃这2种环境温度下的初始流变极限都比较低，5℃环境下的整个试验过程中G屈服值都可保持较低而且平稳的状态：
但是在20℃环境下，60min之后G屈服值就会突然增大，也就是说，使用这种试件，20℃环境中留给施工的最佳时间只有60min:
而在30℃环境下，混凝土刚搅拌之后的G屈服值就已经超出1000mA,而且随着时间的推进，G屈服值呈直线上升，30min之后就基本失去自密实的特性，由此可见，SCC1+PCE2的组合，在30℃环境下无法实现无振捣施工。
图3采用的试件是SCC2。
和SCC1不同的是，使用低电荷的PCE1时，SCC的G屈服值对温度变化较为敏感。
在20℃环境下，整个试验过程中G屈服值都可保持较低而且平稳的状态，30℃时的G屈服值比20℃略高，但是整个过程中，20℃和3CTC的2条曲线比较逼近，2个温度下的屈服值都随着时间缓慢下降，也就会表现为坍落度略有增加。
然而在5℃环境下，起始阶段的G屈服值就远高于20℃和30℃的对应值，也超出了2000mA的临界值，而且随着时间推进还在不断增大，这也意味着，SCC2配方与PCE1的组合，在5℃的环境下无法实现自密实功能，不能无振捣施工。
但是使用高电荷的PCE2时，SCC2的流变极限对温度的敏感性却不大。
在3种环境温度下，G屈服值都随着时间的推进而稳步上升，在5℃和20℃之间，G屈服值曲线没有明显差异，整个测试过程中都未超过2〇〇〇mA，SCC的自密实特性保持良好，易于施工。
而在30℃的环境下，前30min内G屈服值也较低，但是30min后开始突升，60min之后基本失去自密实特性，不宜施工。
但是总体而言，同样是用PCE2,SCC2的G屈服值相比于SCC1要低很多，即自密实特性更好。
5针对试验结果的展开分析
5.1不同水灰比对温度敏感性的区别
要确定环境温度对SCC特性的影响，必须区分SCC中细粉料高含量和低含量2种情况，因为不同的细粉料含量，会产生不同的水和粉料比例。
通常还需控制“水固比”，以确保砂浆中微粒之间的紧密性。
在5℃环境下，SCC1受减水剂的影响很小，2种减水剂的流变曲线区别不大，而且试件长时间内始终保持着良好的流动性。
但是SCC2与之相反，只有使用PCE2才能获得较好的流动性，使用PCE1时基本丧失流动性。
在20℃的环境下，SCC1和SCC2受减水剂类型的影响都比较大，即不同的减水剂对自密实特性的影响较为明显。
使用PCE1时，2利iSCC的稠度在长时间内都保持得比较理想，但使用PCE2时，SCC刚配制时的流动性虽然更好些，但是硬化速度却很快，提供给施工的时间很短。
在30℃的环境下，改变减水剂对SCC2的影响明显小于SCC1。
尽管在使用PCE2时，SCC2的G屈服值上升较快，即流动性下降较快，但是和SCC1相比已经明显改善。
SCC1和PCE2的组合，在30℃的环境中很快就丧失流动性，失去自密实功能。
5.2流动性不良的SCC在硬化后的强度情况
上述流动性不良的试件，在28d后的抗压强度测试中得到了印证，具体愔况如图4所示。
从图4中可看出，28d抗压强度与流变极限和G屈服值的分析结果相呼应：
只有“SCC1+PCE2+30℃”以及“SCC2+PCE1+5℃”这2种试件的28d抗压强度较低，其余各种组合的测试结果基本接近。
这也体现了对流变极限或G屈服值跟踪的意义：
G屈服值测量结果大，则表示新配SCC的流动性差，导致其施工性能差，亦即密实效果差，最终当然导致抗压强度很低.
5.3不同温度下SCC与减水剂的最优配比
表3列出了2种常用SCC与不同类型减水剂在不同温度下的组合情况以及表现结果。
从表3中可以归纳出：
当使用SCC1时，若遇到高温，则应当使用低电荷PCE;当使用SCC2时，若遇到低温，则应当使用高电荷PCE。
但是，在实际施工或预制件生产中，若要随着气候变化而灵活改变PCE的类型，往往会有困难，而且施工方也未必能明确每种PCE具有怎样的吸附特性。
基于这一情况，最好找到一种能适应所有减水剂的SCC配方。
基于前文分析，提出如下建议：
在低温季节或寒冷地区，应当优先选用SCC1配方，以保持良好的强度和稳定性并目.对减水剂类型的敏感性较低：
而在高温季节或炎热地区，则应选用SCC2配方。
6结语
为了评估环境温度对SCC施工性能的影响，跟踪检测了SCC配制后的流动性。
检测中，选择了细粉型和稳定剂型2种常用的SCC配方，并且选用了2种均以PCE为基材，但是阴离子电荷密度不同的减水剂进行交叉配对，在3种典型温度下进行了试验。
通过试验得以证实，TVC针对不同温度的应对方法，不能完全照搬给SCC。
因为SCC中水泥水化反应和减水剂的吸附作用，不仅各自受温度影响，相互之间还存在交叉影响。
基于试验结果，得出如下结论：
1）在确定SCC和环境温度之间的关系时，应当区分水和细粉料的比值高和低2种情况。
2）细粉型SCC的施工性能，在30℃的环境下，受减水剂电荷密度的影响很大。
此时，配以低电荷密度的减水剂，SCC可以获得良好的流动性，有利于施工；但是若配以高电荷密度的减水剂，则SCC会因稠度急剧下降而很快失去流动性。
3）低温环境中，稳定剂型SCC在新配制时的自密实特性，受减水剂电荷密度的影响很显著。
高电荷密度的减水剂可以提高其自密实特性，增强施工性能，而低电荷密度的减水剂则会让SCC失去流动性。
4）基于试验结果，可以针对不同的环境温度确定最优的SCC和减水剂的配比组合，从而在不同温度下，确保SCC达到高流动性的要求，有利于施工并获得高强度。
5）如果施工方已配备多种类型的减水剂并且熟知各种减水剂的特性，则可以针对温度变化而及时变换减水剂。
总体而言，在低温环境下，最好选用高电荷密度的减水剂，而在高温环境中则相应地换用低电荷密度的减水剂。
6）如果条件不允许施工方配备多种类型的减水剂，或者尚不熟知各种减水剂的特性，则可以针对环境温度固定SCC的配方类型。
概括而言，在高温环境下，稳定剂型SCC的自密实特性良好，应优先选用，而低温环境中则最好选用细粉型SCC。
在不同的环境温度下，如何让SCC具有足够的自密实特性以确保充分的施工性能，除了SCC的配方和减水剂的类型之外，还应兼顾其他因素，例如稳定剂或者缓凝剂的类型（这些外加剂会抑制或促进SCC的自密实特性）、温度变化对混凝土浆料离析的影响、温度变化对硫酸盐在水中溶解度的影响。
在实际应用中，同一种原材料在不同温度中的特性也会不同，原材料和原材料之间的相互作用也会随着温度的改变而不同。
因此，针对SCC和其他类型混凝土的研发，应当考虑温度变化的情况，或者应针对特定的温度范围而作讨论。
此外，在测试领域，还应针对施工方或预制件厂的实际条件，找到切实可行的测试方法，配备经济且实用的测试设备，这对于确认水泥和外加剂之间的相互关系非常必要。
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