评价减水剂性能的新方法—砂浆坍落扩展度

1、评价减水剂性能的新方法砂浆坍落扩展度徐永模,彭杰“,赵听南”(1.中国建筑材料工业协会,北京100831;2.中国建筑材料科学研究院,北京100024;3.北京工业大学,北京1X()022)摘要:混凝土减水剂的减水率、流化性能和最佳掺量等性能一般用水泥浆或混凝土坍落流动性能试验方法评价。应用砂浆坍落扩展度试验建立了全分散状态下,饱和掺量概念和确认达到饱和渗量的3种典型行为:泌水环,扩展度不变和扩展度降低。通过全分散状态的确定,比较了不同减水剂的饱和掺量、极限坍落扩展度、泌水性和扩展度随时间的损失等性能,区别了经常混淆的混凝土减水剂饱和掺量和最佳掺量的概念。对比试验研究了3种高效减水剂在饱和掺量

2、和坍落扩展度损失等方面的性能差异,发现饱和掺量随水灰比减小和砂灰比增大而增加。研究表明,砂浆坍落扩展度试验为确定满足混凝土工作性要求的减水剂最佳掺量提供了一个理论上比较完善,试验工作简便可靠、省时省力并且节约材料的有效方法。关健词:减水剂;砂浆;坍落扩展度;饱和掺量以高性能混凝土的发展为标志,混凝土配合比设计观念正在从以强度设计为主向以耐久性设计为主转变。但是,无论是混凝土的强度性能还是耐久性能,在很大程度上取决于混凝土的现场施工质量。工作性优异的新拌混凝土能最大限度地减少人为因素对硬化混凝土材料性能的影响,如自流平砂浆和自密实免振混凝土。因此,现代混凝土材料配合比的设计理论中除了强度设计和耐

3、久性设计以外,还应包括工作性设计。众所周知,混凝土工作性有两个最主要的方面:即流动性和稳定性。混凝土减水剂特别是高效减水剂的发展使混凝土的高流动性得以实现。但是,高效减水剂的应用也对混凝土泌水离析的稳定性问题带来新的影响因素。除此以,高效减水剂对水泥材料的适应性也是影响混凝土工作性的新的重要因素。传统的坍落度和流动度方法在水泥浆、砂浆和混凝土的工作性研究和评价减水剂性能的标准中得到采用一3,但这些方法在评价流动性和稳定性方面存在明显的缺陷与不足。近年来,加拿大和法国学者采用马氏漏斗(M扔h以)ne)研究水泥浆和砂浆的流出时间与减水剂掺量的关系4一5,利用曲线中出现的拐点来确定减水剂饱和掺量。但

4、是,试验中测得的许多流动曲线的变化比较平滑,难以准确界定拐点。有些研究者采用几何切线方法确定曲线的拐点1S,但是这样确定的饱和掺量带有任意性。此外,漏斗法对于评价减水剂的作用还存在明显不足,例如,不能评价水泥浆或砂浆的稳定性。因此,需要进一步考虑发展能更全面地评价减水剂性能的测试方法。1、 坍落扩展度试验方法的选择传统的混凝土坍落度试验是利用新拌混凝土在自重作用下的流动变形评价混凝土的工作性能,该试验模拟了混凝土在浇灌中填充模具的性能,具有试验结果直观,操作简便等优点。尽管从对工作性的表征来看,坍落度试验在理论和实际应用方面存在很大局限性,因没有更好的方法替代,目前仍是实验室和工地上的混凝土配

5、合比设计、减水剂品种的选择、减水剂最佳掺量的确定和混凝土工作性的调整等试验工作中最常用的方法。实践表明,坍落度对用水量比较敏感。流变学对比研究表明,坍落度值与流变试验的屈服值成比例关系,因而可作为新拌混凝土屈服值的表征6。由于这些优点,许多研究者一直在不懈地改进坍落度测试方法并取得进展。如对高流动性混凝土的评价指标,已从混凝土坍落度发展到坍落扩展度。此外,还有的学者采用有限元分析方法解析混凝土的坍落行为vI,有的发展了混凝土坍落度动态测定仪8。但是,这些数字分析方法和自动测试并没有解决用混凝土坍落度方法指导配合比设计中存在的费时费工费料问题,也没有在测试理论方面使该方法进一步完善,反而使原来简

6、便的评价和测试方法变得复杂,失去了传统坍落度方法的一些优点。比较测试新拌混凝土流动性和稳定性的各种方法,认为能表征屈服值的坍落流动度试验最能反映减水剂对水泥浆体的分散效果。而且,在减水剂分散作用理论的指导下进一步改进试验方法和评价指标,就可能对减水剂作用下新拌混凝土的流动性和稳定性进行比较科学的评价。先以新拌砂浆(细集料混凝土)为研究对象,然后再考虑粗集料的影响。试图在保留坍落度试验方法本身的优点之外,为混凝土减水剂的最佳掺量的确定提供理论指导和定量评价方法,从而为掺减水剂混凝土的最佳配合比设计提供可靠的简便方法。2砂浆坍落扩展度试验方法的研究2.1测试仪器和材料砂浆坍落扩展度试验装置采用(犯

7、8077一87中规定的跳桌法砂浆流动度试验的截锥试模,尺寸为高度印,上口内径70,下口内径100。5厚的玻璃板尺寸为50()x500。搅拌采用水泥标准砂浆搅拌机。一次试验水泥用量为5009,建筑砂(细度模数为2.66)和水量按预定的砂灰比和水灰比计算。水泥为普通硅酸盐水泥,减水剂为R加呵,RH一5和SM3种粉体高效减水剂。2.2试验方法掺减水剂的砂浆干拌305后加人拌合水,搅拌305。然后加人粉体减水剂,搅拌2han。由于掺减水剂的砂浆流动性比较高,拌好后的砂浆一次性装人试模,刮平后将试模向上轻轻提起。待砂浆扩展度稳定不变后测量坍落砂浆最大扩展直径及与其垂直的直径的平均值,注意排除泌水环对砂浆

8、坍落扩展度的影响。砂浆坍落扩展度与减水剂掺量的试验曲线的建立有两种方法。严格的方法是一个砂浆试样对应一个外加剂掺量图。由于砂浆坍落扩展度试验过程需时很少,因此研究探索更省时省料的近似方法,即,如果减水剂掺量由低到高增加设计5个掺量水平,预先计算并称取从一个较低掺量水平到上一个掺量水平的所需减水剂的增加量,每次完成扩展度的测量之后,立即将玻璃板上的砂浆倒回,注意尽量减少砂浆量的损失。然后,将减水剂增量加人,搅拌1而n后再做坍落扩展度试验。按照同样的方法做后续的坍落扩展度试验,直到最后两次坍落扩展度几乎没有变化,或坍落扩展度降低,或砂浆出现泌水环时为止。一般在厂家推荐掺量上下各选择两个掺量水平,4

9、一5次试验即可达到极限扩展度,20而n内能完成全部试验时间。这种对同一个砂浆试样,分次添加减水剂的方法(简称“逐次增量法”)所确定的坍落扩展度与减水剂掺量的关系与采用不同砂浆、不同减水剂掺量的试验(简称“固定掺量法”)所确定的坍落扩展度与减水剂掺量的关系有一定差异,其原因在于,逐次增量法全程试验时间较长、有水泥水化、减水剂的掺加方式、多次往返试验可能造成砂浆量的损失、试验过程中水分的蒸发等因素的影响。但试验证明,通过适当增加试验砂浆总量,注意减少每次砂浆返回时的损失,采用标准化试验操作程序以节省时间等措施,能在很大程度上减少这些因素产生的影响。对比试验结果表明,逐次增量法确定的减水荆饱和掺量要

10、比固定掺量法确定的饱和掺量大,但非常接近,不失为一种比较可靠的快速测试方法。固定掺量法已在研究水泥与减水剂适应性的标准试验方法中采用9。3试验结果与分析3.1典型试验曲线分析大量试验表明,扩展度基本不变、扩展度降低和出现泌水环是砂浆坍落扩展度试验中砂浆达到全分散状态后出现的种典型现象。这种不同的试验现象有一个共同点,即砂浆扩展度达到最大值。因此,将达到这一极限扩展度时的减水剂掺量定义为饱和掺量。图1中示意性地表示了这3种典型的试验曲线。曲线1代表减水剂达到饱和掺量之后,砂浆坍落扩展度不随着减水剂渗量的增加而变化;曲线2表示减水剂达到饱和掺量之后,坍落扩展度随着减水剂掺量的增加而减小,这种试验现

11、象一般发生在水灰比较小的砂浆,或者减水剂的保水增稠性能显著的情况下;曲线3以虚线表示,虽然表观上,达到饱和掺量后,砂浆坍落扩展度随着减水剂的掺量增加而缓慢增加,但不难看出,这种增加是由于泌水环的出现和发展,而不是砂浆主体坍落扩展度的增加。具有特征性的是,这种泌水环现象在水泥浆坍落扩展试验中是无法确认的(图2一图3)。因此,以砂浆坍落扩展度极限值为判据确定减水剂的饱和掺量是合理的。3.2减水剂拾t与坍落扩展度的关系图4,图5为水泥浆和砂浆的坍落扩展度对比试验结果。对比试验使用了两种不同的粉体蔡系高效减水剂R圣1一5和FDN。由图4可以看出,水灰比较小的水泥浆体水灰比m(w)/m(c)为0.3在减

12、水剂掺量占水泥质量的1.0%时,虽然坍落扩展度达到500,但仍不能确定是否已达到极限扩展状态,结合图2,可见水泥浆的坍落扩展度试验不能确定减水剂的饱和掺量。而对于砂浆水灰比为0.38,砂灰比m(s)/m(c)为1.3,由于扩展度出现极限值和出现明显的泌水环,可以清楚地判断饱和掺量值(见图5)。比较不同的高效减水剂可以看出,FlN与RH一5减水剂的极限扩展度大致相同,但饱和掺量差别较大。对于RH一5减水剂,饱和掺量值为0.65%左右,对R别减水剂,饱和掺量值为0.75%左右。继续增大这些减水剂掺量,都可以发现明显的泌水环出现,泌水量的发展如图中虚线所示。3.3减水剂对水泥适应性图6,图7为评价减

13、水剂对水泥适应性的试验结果。由图6可以确定,RH一5,日N和SM3种减水剂的极限扩展度差别不大(320一32511ull),饱和掺量分别为0.65%,0.7%,0.75%。从泌水环来看,RH一5减水剂产生的泌水环较大,而FDN和SM的泌水现象差不多。这说明RH一5的减水效能虽然高一些,但保水性却差一些。由图7可以清楚看到,这3种高效减水剂的坍落扩展度随时间的损失行为不同。RH一5和SM表现出较快的坍落扩展度损失,而FDN则表现出较好的扩展度保持性能。这些试验结果说明,这3种高效减水剂对于试验所用水泥的适应性,在工作性的不同方面表现出不同的特点。3.4减水剂饱和掺t与水灰比和砂灰比的关系图8,图

14、9是关于减水剂饱和掺量与砂浆的水灰比和砂灰比的相关关系。每个图中的3条曲线分别代表3种不同的砂灰比2.0,1.6和1.2。这是掺减水剂混凝土配合比中常见的配合比参数。比较图8,图9可以看出,在试验条件下,砂浆中减水剂的饱和掺量与水灰比之间具有幂函数关系,即减水剂的参数kSM和SM与砂灰比的关系分别为:图8,图9中的试验结果表明,减水剂的饱和掺量随水灰比的减小而增大。在较低的水灰比范围内水灰比变化对饱和掺量的影响较大,在较高水灰比范围的影响较小。水灰比对减水剂饱和掺量的影响大小还受到砂灰比的影响。相同水炭比下,随着砂灰比增大,饱和掺量增大。其原因可以解释为:水灰比相同时,砂灰比增大,水泥浆体积相

15、对减小,相对来说,集料界面润湿所占用的自由水增多,这使得砂浆中的水泥浆体的实际水灰比有所减小,因而饱和掺量增大。上述试验结果充分证明,砂浆坍落扩展度评价方法,通过减水剂掺量和坍落扩展度试验曲线的建立和全分散状态的确定,为混凝土减水剂饱和掺量的确定,减水剂作用下混凝土的流动性和稳定性的评价,以及减水剂对水泥适应性等方面,提供了一个理论分析基础和省时省力、简便可靠并且节约材料的测试方法。需要指出的是,从流变学的角度,砂浆坍落度试验仍属于单点试验。如同所有的单点试验存在一定局限性一样,砂浆坍落度试验还不能提供粘度等流变特性。同时还必须指出,没有一种测试方法能全面表征工作性的不同方面。因此,全面评价砂

16、浆和混凝土的流变性能还需要其它试验配合。尽管如此,砂浆坍落度试验方法对混凝土工作性设计有直接的指导意义和实用前景。4讨论4.1水泥桨体的凝泉结构与分散状态水泥浆体是影响新拌混凝土性能的主要因素,但由于混凝土中粗细集料的参与,新拌水泥净浆的流变性能并不能等同于新拌混凝土的流变性能。这主要是水一水泥悬浮体系与水一水泥一集料悬浮体系中的颖粒粒径差别跨度太大。前者属于微米级,后者主要属于毫米级和厘米级,这种尺度差别使得不同体系在粘性流动变形中,颗粒之间的内摩擦机制及其相对大小存在显著不同。因此作为粗悬浮休系的新拌混凝土常常被研究者分为3个层次来研究:即,以水为分散相的水泥浆体系,以水泥浆为分散相的砂浆

17、体系和以砂浆为分散相的混凝土。水泥粉体与水拌合后浆体中由于水泥颗粒的高比表面能和水化活性而形成颗粒凝聚结构,凝聚结构中颗粒间的结合强度取决于颗粒的大小、表面反应活性的高低、颗粒之间的间距等因素,存在从较弱的物理吸附到较强的次化学键甚至化学键合的不同状态,结合强度存在一个分布。水泥浆体的这种结构特性已被许多流变学试验研究证实ll一3。减水剂对新拌水泥浆体中颗粒的分散效应或者说颗粒的分散程度取决于减水剂的掺量和性能。对不同的减水剂来说,由于使浆体中颗粒达到全分散状态所需的掺量不同,因而在相同的掺量下的浆体结构的分散状态也可能不同。此外,如果减水剂分子结构性能不同,即使在相同的颗粒分散状态下,新拌水

18、泥浆的流变性能也不一定相同,因而在集料组成相同的情况下,新拌混凝土的工作性也不一定相同。在一些评价不同减水剂的减水率大小的标准试验中,砂浆试验以达到基准流动度(扩展度)140为准3j,混凝土试验以达到基准坍落度8二为准z。这种人为确定的评价基准并不科学,因为新拌水泥浆体和混凝土是在不相同的而且也不清楚的分散状态下进行的性能比较。评价混凝土减水剂的减水率或对水泥的适应性能,应该在相同的浆体分散状态下进行,而这个可以实现并能有效控制的分散状态应该是浆体中颗粒的全分散状态。4.2砂桨坍落扩展度试验的主要特点上述理论分析与试验结果可以说明,采用砂浆坍落扩展度方法评价减水剂性能有以下3个突出特点。一是能

19、明确区分减水剂作用下砂浆悬浮体系中颗粒极限分散物理状态。砂浆坍落扩展度方法优于水泥浆坍落度法和漏斗法之处在于无论通过泌水现象还是坍落扩展度的变化能清楚地区别这一临界状态,比较准确地界定达到所定义的颗粒全分散状态时的最小减水剂掺量。理论上,水泥颗粒达到全分散状态之后,砂浆坍落扩展值不应继续随着减水剂掺量的增加而变化,但是实际测试结果也常出现扩展度降低或出现泌水环。前者发生在水灰比较小的试样中,原因可归结于达到饱和掺量后,随着减水剂固相掺量的继续增加和减水剂分子在过饱和状态下吸附水量的增加,导致浆体中的自由水量减少,粘稠度增大。后者常见于水灰比较高的砂浆试样中,如果被减水剂分散的水泥和砂颗粒不能约

20、束从原凝聚结构中释放出的所有自由水,就会发生泌水现象。在颗粒全分散状态下比较,不仅可以发现不同的减水剂使水泥颗粒达到全分散状态所需要的掺量不同,还可以从相同掺量或饱和掺量下砂浆坍落扩展值的大小来评价减水剂流化性能的高低、流化性能随时间的变化等减水剂对水泥的适应性能。二是可评价减水剂对混凝土稳定性的影响。前已述及,采用水泥浆试验,即使对于水灰比较大的浆体,达到全分散状态之后也难区别泌水现象的大小,不能确定极限坍落扩展度,因为水泥浆体中的被分散的细颗粒会随着泌出的水分继续扩展(见图2)。但是在砂浆中,由于砂粒对水泥颗粒的约束,在全分散状态下出现泌水时,除非砂灰比很小,水泥颗粒不会随泌水环扩展。在泌

21、水的情况下,试验中很容易观察到砂浆的扩展度实际上并没有增加,表观扩展度的增加实际上是清晰可见的泌水环增大所致(见图3)。而且,试验还发现,泌水离析会造成砂浆组分分布不均,一些砂少水泥浆多的地方会出现更大更快的泌水扩展,砂浆的坍落扩展会出现偏离圆形的杂乱形状。对于保水增粘的复合减水剂,达到饱和掺量后继续增加掺量,虽无泌水现象,但引起的砂浆粘度增大会使扩展度降低。需要指出的是,泌水现象的产生和发展是一个过程。对一些水灰比较高的试样,泌水现象在达到减水剂饱和掺量之前就可能出现,因此,不宜以出现泌水现象为达到饱和掺量的唯一判据。但是,砂浆中的颗粒达到全分散状态之后,由于重力沉降作用而粘附在玻璃板上,不

22、会随泌水环的增大而扩展,因此,以扩展度的变化为主要依据评价饱和掺量是可靠的。三是能获得与混凝土相近的减水剂饱和掺量。在水泥净浆中,拌和水只用来润湿和分散水泥颗粒。但是,在砂浆中,一部分水泥浆体中的自由水被用来润湿细集料,形成的界面水膜对浆体中自由水量的影响在很大程度上取决于细集料的比表面积。当然,在混凝土中,润湿粗集料还要消耗一部分自由水。这种集料界面效应使相同水灰比的水泥净浆中的自由水量与混凝土内的水泥浆体中的自由水量产生差别。由于砂浆本身就是细集料混凝土,与相同砂浆组成的混凝土相比,这种差别虽然存在但显著减小。采用混凝土塌落度对比试验表明,由砂浆确定的减水剂饱和掺量很接近相同砂浆组成的混凝土的饱和掺量,只是在粗