熊 珂 劉榮進 周睿哲 陳 平 丁慶軍 吳劍東 向瑋衡
(1. 桂林理工大學材料科學與工程學院 廣西桂林 541004;2.江西省建筑材料工業(yè)科學研究設計院 江西南昌 330001;3. 武漢理工大學材料科學與工程學院 湖北武漢 430070;4. 江西省萍鄉(xiāng)市聯(lián)友建材有限公司 江西萍鄉(xiāng) 337000)
養(yǎng)護是指為保證新拌混凝土持續(xù)水化并發(fā)揮潛在性能所采取的維持濕度與溫度條件的一種策略[1]。建筑從業(yè)者很早就認識到,充分養(yǎng)護是獲得耐久混凝土和可靠結(jié)構(gòu)的前提條件,也是滿足混凝土在大多數(shù)環(huán)境或常見使用條件下發(fā)揮最佳性能最重要、最廉價的手段之一。高強/高性能混凝土因水膠比低、膠材用量大、過量使用超細礦物摻合料等,而普遍存在早期開裂問題。內(nèi)養(yǎng)護(Internal curing或Self-curing)技術[2]是目前高強/高性能混凝土抗裂防裂研究的熱點,其能夠通過“預先內(nèi)置的方法適時釋放水分”,顯著增強混凝土內(nèi)部相對濕度,使自干燥最小化、水泥水化最大化,從而成為一種極具潛力的抑制高強/高性能混凝土早期開裂[3]的前沿技術。
適用內(nèi)養(yǎng)護材料是混凝土內(nèi)養(yǎng)護技術的關鍵。已有內(nèi)養(yǎng)護材料常見的為輕集料和高吸水樹脂兩大類。輕集料(LWA)由于吸水率低、降低彈性模量、降低強度等問題尚未成為理想的內(nèi)養(yǎng)護材料。聚合物內(nèi)養(yǎng)護材料如高吸水樹脂(SAP)具有幾百甚至上千倍吸水能力,使用極少量即可顯著增加混凝土內(nèi)部相對濕度改善自干燥現(xiàn)象,是一類應用前景廣闊的內(nèi)養(yǎng)護材料?,F(xiàn)有聚合物內(nèi)養(yǎng)護材料有離子型和非離子型兩類,前者如聚丙烯酸鈉[4],后者如聚丙烯酰胺[5]、聚丙烯酸酯[6]、淀粉改性醚[7-8]。離子型聚合物吸水倍率高,但因“同離子效應”,聚合物凝膠不可控失水,影響混凝土工作性和強度;非離子型聚合物吸水倍率相對偏低,后期內(nèi)養(yǎng)護效果欠佳。綜合來看,現(xiàn)有單一離子型聚合物難以滿足在混凝土的復雜堿性環(huán)境(高pH、復雜離子、多離子價態(tài))下的高吸水-穩(wěn)定儲水-可控釋水的性能需求,亟需開發(fā)具有特定組成和特定結(jié)構(gòu)的新型聚合物內(nèi)養(yǎng)護材料。
近五年來,本研究小組開展了四方面工作:1)進行了聚合物內(nèi)養(yǎng)護材料(ICA)的設計和實驗室小試研究;2)探討了ICA對高強/高性能混凝土體積穩(wěn)定性等的影響規(guī)律;3)進行了ICA合成中試研究;4)進行了ICA在典型高強/高性能混凝土的示范應用。本文概要介紹后兩部分工作。
1.1.1 原料及設備
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺、木薯淀粉、水玻璃、NaOH,均為工業(yè)級;硝酸鈰銨、過硫酸銨,均為化工級;市售農(nóng)用保水劑;去離子水;聚合釜;微波干燥裝置;試驗小磨;空壓增壓泵;旋轉(zhuǎn)粘度計。
1.1.2 工藝流程采用水溶液聚合法合成內(nèi)養(yǎng)護材料,合成工藝流程見圖1所示。
1.1.3 性能檢測方法
按照企業(yè)標準Q/PLJ 001-2011《混凝土內(nèi)養(yǎng)護劑》[9]對內(nèi)養(yǎng)護材料進行了外觀、含水率、吸水-儲水-釋水性能測定。采用茶袋法(Tea-bag法)測定吸去離子水率,采用合成孔溶液浸泡法測定保水率,采用真空負壓法測定釋水率,結(jié)果如表1。采用旋轉(zhuǎn)粘度法測定中試產(chǎn)品粘度。
1.2.1 中試產(chǎn)品性能指標
圖1 內(nèi)養(yǎng)護材料合成工藝流程
表1 混凝土內(nèi)養(yǎng)護材料與市售保水劑技術指標對比
在江西萍鄉(xiāng)聯(lián)友建材有限公司進行了10余批次200L中試合成試驗,通過得到了質(zhì)量穩(wěn)定的中試產(chǎn)品。由表可知,內(nèi)養(yǎng)護材料釋水、細度等總體達到標準要求。因目前國內(nèi)國際尚無同類內(nèi)養(yǎng)護材料,本文選用以聚丙烯酸鈉為主要成分的市售農(nóng)用保水劑作為對比。對比發(fā)現(xiàn),所得內(nèi)養(yǎng)護材料吸去離子水雖稍低于保水劑,但其吸去離子水倍率/吸合成孔溶液倍率比值(反映與堿性環(huán)境適應性,比值越低適應性越好)而言,中試產(chǎn)品僅為3.08,市售農(nóng)用保水劑為9.46,表明所得內(nèi)養(yǎng)護材料比現(xiàn)有農(nóng)用保水劑更適用于混凝土。另外,保水率與釋水率也比聚丙烯酸鈉保水劑分別提高了20.1%和16.9%。
1.2.2 工藝討論
小試中提出的“糊化—引發(fā)—接枝共聚—復合交聯(lián)”工藝路線在中試時得到了再次確定,各試驗均采用此工藝,且都基本順利進行。
(1)操作方法確定
中試階段物料出入都是百公斤級,工業(yè)化生產(chǎn)時甚至以噸計,待處理物料量比實驗室階段顯著增加,必須確定其操作方法。中試過程中主要考慮有:計量、進出料、轉(zhuǎn)運及包裝等。計量方面,依據(jù)原料處理量和流動速率大小選擇相應計量設備,下料要求勻速、連續(xù)、平穩(wěn)、準確,本次中試生產(chǎn)過程中,主要采用計量泵實現(xiàn)定量投料。物料狀態(tài)方面,因采用水溶液法,所有原料均需溶解,中試的原料均溶解成液體。由于引發(fā)劑易潮解,原料必須現(xiàn)取現(xiàn)配;其中由于單體量較大,在溶解過程需不斷攪拌,使其充分溶解。
(2)卸料速度控制
中試合成后物料依靠自重實現(xiàn)從反應釜中自動下料,其優(yōu)勢在于,無需額外動力、便于計量;其不足之處在于,卸料口狹窄,卸料慢。實踐發(fā)現(xiàn),中試物料卸料速度與凝膠粘度有直接關系,凝膠粘度越大,卸料越慢,生產(chǎn)效率也越低,后處理難度越大。提高卸料速度的方法在于降低粘度。為了確定合適的卸料速度,考察了不同稀釋水量對凝膠粘度的影響,實驗中稀釋水量(相對于粗產(chǎn)物質(zhì)量的倍數(shù))分別取1~3倍,所得凝膠粘度和稀釋水量之間關系如表2。
可以看出,隨著稀釋水量用量增加,粘度顯著下降,反應釜卸料時間相應縮短。稀釋水量為1倍時,凝膠均可自動下料。如果僅考慮生產(chǎn)效率而不考慮長距離運輸帶來的成本問題,3倍甚至更高倍數(shù)稀釋是合理的。綜合考慮,1倍稀釋水量是合理的,此時可以達到產(chǎn)品技術性能、現(xiàn)場操作和經(jīng)濟性三者之間的平衡。
(3)產(chǎn)品形態(tài)優(yōu)化
內(nèi)養(yǎng)護材料產(chǎn)品的形態(tài)有凝膠狀和粉末狀兩種,粉末狀產(chǎn)品由凝膠狀產(chǎn)品烘干而得。中試過程中,內(nèi)養(yǎng)護材料設計固含量僅為5%~10%,完全烘干后終水分4%~8%,產(chǎn)品得率僅為9%~18%,產(chǎn)量極低。如果以粉末作為產(chǎn)品最終形態(tài),大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)必須要配套包括烘干、造粒、粉磨等工藝環(huán)節(jié)和相應設備,勢必增加廠房建設和投資成本。另外,生產(chǎn)表明,由于內(nèi)養(yǎng)護材料設計固含量低,合成和烘干過程中伴隨著大量水分進出,按終水分4%~8%計,有82%~91%的水分需要脫出,蒸發(fā)能耗極大。從商品混凝土流態(tài)化施工的普遍要求、簡化生產(chǎn)工藝、降低烘干導致的巨大成本三方面出發(fā),本文建議以凝膠狀作為內(nèi)養(yǎng)護材料工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的終產(chǎn)品形態(tài)。
1.2.3 設備討論
(1)設備材質(zhì)選擇
從物料性質(zhì)和反應原理出發(fā)對合成設備的材質(zhì)進行了調(diào)研,重點是考察所用酸堿性原料對設備的接觸腐蝕問題。聯(lián)友公司現(xiàn)有0.2m3反應釜為不銹鋼內(nèi)膽,對此,課題組在中試放大前進行了質(zhì)量比10%的AMPS溶液和10%的燒堿溶液腐蝕試驗,試驗發(fā)現(xiàn)沒有腐蝕現(xiàn)象。
(2)攪拌器型式選擇
相當部分化學合成反應是非均相反應,反應熱效應較大。在小試研究中由于物料體積較小,攪拌效率高,傳熱、傳質(zhì)問題表現(xiàn)不明顯。中試放大時,由于攪拌效率的限制,傳熱、傳質(zhì)問題暴露出來。因此,中試放大時必須根據(jù)物料性質(zhì)和反應特點優(yōu)選攪拌器的型式,考查攪拌速度對反應的影響規(guī)律,特別是在選擇合乎反應要求的攪拌器型式和適宜的攪拌轉(zhuǎn)速。中試選用框式攪拌器,試驗表明所用攪拌器基本滿足工藝需求。
2.1.1 工程簡介
示范工程為江西新余中能商混公司員工宿舍樓樓頂屋面工程。該宿舍樓設三層,磚混結(jié)構(gòu),總建筑面積約4000m2。根據(jù)設計要求,樓頂屋面采用C25等級摻內(nèi)養(yǎng)護材料混凝土,澆筑工程量約100m3,設計要求混凝土7d以前不能出現(xiàn)裂縫。
2.1.2 原材料及配合比
紅獅P.O42.5水泥;新余電廠Ⅱ級粉煤灰;新余南方S95級礦粉,比表452m2/kg,活性指數(shù)98%;江西聯(lián)友AD減水劑;新余河砂,模數(shù)2.5;碎石,5mm~31.5mm連續(xù)級配,壓碎值10.0%;江西聯(lián)友內(nèi)養(yǎng)護材料(ICA),使用前經(jīng)飽水成凝膠,配合比見表3。
2.1.3 施工質(zhì)量控制
施工當天為多云天氣,15-21℃,風力2-3級,C25混凝土,坍落度要求180mm~220mm,泵送施工,施工時間為2012年8月4日。
圖2為摻內(nèi)養(yǎng)護材料混凝土澆筑現(xiàn)場圖,工作性及強度結(jié)果見表4?;炷烈淮螡仓晒?,現(xiàn)場檢測初始坍落度為210mm,擴展度540mm,2h坍落度和擴展度損失僅分別為20mm和120mm,泵送性能優(yōu)良,滿足現(xiàn)場施工要求,混凝土質(zhì)量優(yōu)良。施工7d內(nèi)未采取灑水、覆蓋等其他養(yǎng)護措施。
表2 凝膠粘度、卸料時間與稀釋水量之間關系
表3 混凝土施工配合比(kg/m 3)
圖2 中能商混公司宿舍樓工程應用現(xiàn)場
2.1.4 應用效果
摻內(nèi)養(yǎng)護材料混凝土7d以前表面無開裂現(xiàn)象。強度達到設計要求,抽樣的20組混凝土試件28d平均強度為26.5MPa。其在28d~90d內(nèi)養(yǎng)護混凝土強度還在加速增長,60d、90d分別達到32.6MPa、35.5MPa(詳見表4),說明內(nèi)養(yǎng)護材料有助于增強后期強度。
采用內(nèi)養(yǎng)護技術省卻了外部澆水養(yǎng)護過程,簡化了施工工藝,提高了混凝土的早期抗裂性,業(yè)主、設計和監(jiān)理對摻內(nèi)養(yǎng)護材料混凝土的施工質(zhì)量和內(nèi)養(yǎng)護材料材料性能給予了高度評價。
2.2.1 工程簡介
示范工程為江西省井岡山風景管理局污水處理廠生化池剪力墻。該剪力墻設計尺寸為20m×50m×0.85m,澆筑方量約1000m3,采用C30P8混凝土,設計要求7d以前不能出現(xiàn)裂縫。
2.2.2 原材料及配合比
井岡山泉涌水泥;吉安華能電廠Ⅱ級粉煤灰;新余南方S95級礦粉,比表465m2/kg,活性指數(shù)98%;吉安美玲減水劑;泰和河砂,模數(shù)2.7;碎石5mm~31.5mm連續(xù)級配,壓碎值10.2%;江西聯(lián)友內(nèi)養(yǎng)護材料(ICA),使用前經(jīng)飽水成凝膠,配合比見表5。
表4 混凝土性能指標
表5 混凝土施工配合比(kg/m 3)
圖3 井岡山風景管理處生化池剪力墻工程應用現(xiàn)場
表6 混凝土性能指標
2.2.3 施工現(xiàn)場質(zhì)量控制
施工當天為多云天氣,15℃~21℃,風力2-3級,C30P8混凝土,坍落度要求150mm~190mm,泵送施工,施工時間為2013年10月18日。
圖3為摻內(nèi)養(yǎng)護材料混凝土澆筑現(xiàn)場圖,工作性及強度結(jié)果見表6。混凝土一次澆筑成功,現(xiàn)場檢測初始坍落度為190mm,擴展度500mm,2h坍落度和擴展度分別損失30mm和100mm,泵送良好,滿足現(xiàn)場施工要求。施工7d內(nèi)未灑水、覆蓋。
2.2.4 應用效果
摻內(nèi)養(yǎng)護材料混凝土7d以前表面無開裂現(xiàn)象。強度達到設計要求,20組試件抽樣檢測表明,混凝土試件28d平均強度為34.5MPa。其在28d~90d內(nèi)養(yǎng)護混凝土強度還在加速增長,60d、90d分別達到40.6MPa、43.5MPa,說明內(nèi)養(yǎng)護材料有助于增強混凝土后期強度。
由于摻用內(nèi)養(yǎng)護材料,取消了外部澆水養(yǎng)護,不僅簡化了施工工藝,還提高了混凝土的早期抗裂性和后期強度增進率,用戶反映良好。
(1)通過前期調(diào)研和中試放大試驗,確定了水溶液法合成混凝土內(nèi)養(yǎng)護材料的工藝路線,探索了內(nèi)養(yǎng)護材料生產(chǎn)的工程化實施方法。
(2)開展了多批次0.2m3內(nèi)養(yǎng)護材料中試放大合成試驗,制備了符合標準、質(zhì)量穩(wěn)定的內(nèi)養(yǎng)護材料。
(3)中試合成反應的反應溫度、反應時間、攪拌速度、pH調(diào)控,均參照小試進行,合成過程總體正常,工藝上已打通。但由于設計固含量偏低,產(chǎn)品得率較低,生產(chǎn)過程伴隨極大量水分進出,能耗極大。下一步應以得率為目標,著重提高反應液固含量,優(yōu)化配比改善合成反應條件,高效、低能耗合成內(nèi)養(yǎng)護材料。
(4)中試產(chǎn)品示范應用中效果良好,提高了混凝土的早期抗裂性,能夠有效的增強混凝土后期強度。
(5)中試為10t級生產(chǎn)線的設備選型和工藝設計提供了基礎數(shù)據(jù),為下一步工業(yè)化生產(chǎn)奠定了堅實基礎。
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