不同温度下自密实混凝土和减水剂的匹配性研究

朱 朴

上海城建建设实业集团 上海 200042

自密实混凝土（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、劳动力成本日益高企、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的研究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究成果颇丰[1]，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[2-3]。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，聚羧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（Polycarboxylat-Ether，PCE）。

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[4-5]。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[6]。

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。

3 TVC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。

表1 SCC试件

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30 min，坍落度达650～700 mm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。

表2 减水剂特征值、组分及其用量（质量百分比）

试验使用了CONTEC-4SCC流变仪，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、90 min，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30 min，都分离出一部分并砌成3个15 cm×15 cm×15 cm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28 d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2 000 mA，就不能称为自密实混凝土；SCC的G屈服值如果控制在1 500 mA以下，则可视为流动性优良，有利于施工）。

图2 不同温度下SCC1和不同电荷密度的PCE配合时的G屈服值

图3 不同温度下SCC2和不同电荷 密度的PCE配合时的G屈服值

图2采用的试件是SCC1。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——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，60 min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60 min；而在30 ℃环境下，混凝土刚搅拌之后的G屈服值就已经超出1 000 mA，而且随着时间的推进，G屈服值呈直线上升，30 min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30 ℃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2 000 mA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2 000 mA，SCC的自密实特性保持良好，易于施工。而在30 ℃的环境下，前30 min内G屈服值也较低，但是30 min后开始突升，60 min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种SCC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28 d后的抗压强度测试中得到了印证，具体情况如图4所示。从图4中可看出，28 d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28 d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。

图4 不同温度下PCE与SCC不同组合试件28 d抗压强度

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。

表3 不同类型SCC与减水剂在不同温度下对自密实特性的影响

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且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。