摘要: 對(duì)比分析了2 種透水模板(CPF) 的主要物理性能;結(jié)合宏觀、微觀試驗(yàn),探討了透水模板改善混凝土性能的機(jī)理與效果. 結(jié)果表明:透水模板能有效降低混凝土澆注時(shí)的表面水灰比,提高混凝土的表面密實(shí)度,改善混凝土的孔隙分布和表觀質(zhì)量,提高混凝土抗?jié)B性和耐久性.
關(guān)鍵詞: 透水模板(CPF) ; 水灰比; 孔隙分布; 抗?jié)B性
中圖分類號(hào): TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
混凝土施工中采用的水灰比要遠(yuǎn)大于其水泥完全水化所需水灰比[1 ] . 傳統(tǒng)模板澆注混凝土施工中,混凝土與模板接觸面是完全封閉的. 混凝土入模后,水灰比基本不變,多余的水分在硬化混凝土中留下大量孔隙和氣泡,拆模后混凝土表面會(huì)形成孔洞、麻面等缺陷,影響混凝土觀感質(zhì)量,不利于混凝土的耐久性[2 ] .
透水模板(CPF) 是在傳統(tǒng)模板澆注混凝土施工工藝之上產(chǎn)生的一種可改善混凝土性能的新型工藝. 其作用機(jī)理是,將透水模板布粘附在普通模板內(nèi)側(cè)制成透水模板,它具有可透水、透氣的特點(diǎn),能夠降低混凝土表面水灰比,提高混凝土尤其是混凝土的表面密實(shí)度,從而改善混凝土的抗?jié)B性和耐久性. 國(guó)內(nèi)外的成品透水模板布一般均由聚丙烯等原材料經(jīng)特殊處理而成為長(zhǎng)短不等的丙綸纖維絲,再經(jīng)熱紡粘和表面二次特殊輥壓工藝處理而成. 其結(jié)構(gòu)大致分為表層、中間層和粘結(jié)層.表層、中間層分別由細(xì)度為0. 07～0. 15 ,0. 10～0. 33 g/ km 的纖維組成,孔徑分別為1～10 ,4～15μm ;粘結(jié)層與模板粘貼,由細(xì)度為0. 22～0. 44 g/ km 的纖維組成,孔隙的孔徑為10～30μm. 復(fù)合層結(jié)構(gòu)的等效孔徑O95 遠(yuǎn)小于30μm ,可以確保水分透出而大部分水化水泥顆粒膠凝物被滯留在透水模板布內(nèi)側(cè)的混凝土表面,并在結(jié)構(gòu)體表面形成一層富含水化硅酸鈣的致密硬化層,因此可以有效減少混凝土表面的蜂窩、麻面等缺陷,同時(shí)透水模板布具有保水性,可以提高混凝土的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量[3 ] .
日本和歐洲的丹麥、德國(guó)等于20 世紀(jì)80 年代已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)透水模板布的應(yīng)用研究[4 ] ,我國(guó)則剛剛在深圳鹽田港、杭州灣大橋和蘇通大橋等少量大型工程中采用[5 ,6 ] . 針對(duì)這種新型材料及其施工工藝,本次試驗(yàn)檢測(cè)、對(duì)比了市場(chǎng)上成品透水模板布和普通無(wú)紡布的物理力學(xué)性能指標(biāo),進(jìn)行了宏觀、微觀試驗(yàn),并分析了透水模板改善混凝土性能的機(jī)理和效果.
1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)主要材料: P ·O42. 5 級(jí)普通硅酸鹽水泥;標(biāo)準(zhǔn)砂,細(xì)度模數(shù)2. 6 ;石子,粒級(jí)5. 0～31. 5mm ;普通膠合板模板;普通滌綸無(wú)紡布;某品牌透水模板布;建筑行業(yè)用萬(wàn)能膠水.
2 透水材料性能指標(biāo)測(cè)試
由于目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)透水模板布的材料檢測(cè)規(guī)程,因此,本試驗(yàn)參照丹麥福特斯公司材料手冊(cè)( Formtex material test parameter) 和《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》(SL/ T 235 —1999) 進(jìn)行. 試驗(yàn)針對(duì)成品透水模板布及普通無(wú)紡布這2 種透水材料,分別檢測(cè)其材料力學(xué)和水力學(xué)指標(biāo),為宏觀、微觀試驗(yàn)分析提供依據(jù). 測(cè)定內(nèi)容及對(duì)比結(jié)果如表1 所示.
透水模板布質(zhì)地均勻,由3 個(gè)結(jié)構(gòu)層組成,分別為表面透水層、中間排水層和模板粘貼層. 普通無(wú)紡布表面則相對(duì)較為粗糙,孔隙較大,僅有1 個(gè)結(jié)構(gòu)層.
3 宏觀試驗(yàn)
3. 1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介
為對(duì)比分析不同模板內(nèi)襯形式混凝土澆注的效果,按表2 中的3 種方法分別澆注3 個(gè)素混凝土試件,試件尺寸均為500 mm ×200 mm ×500 mm. 3 種方法的混凝土配合比及施工、養(yǎng)護(hù)環(huán)境相同;方法2 ,3 中透水材料用膠水均勻粘貼于膠合板模板內(nèi)側(cè),膠水用量約50～100 g/ m2 ;粘貼時(shí)必須保證模板粘貼面平整、清潔;透水材料尺寸宜超出模板約2 cm ;材料搭接處應(yīng)保證不少于3 cm搭接;鋪設(shè)后模板面應(yīng)平整,不能有折疊、凹凸.
水壓力滲透深度法是通過(guò)測(cè)得一定時(shí)間內(nèi)壓力液體滲入混凝土試樣的深度來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的滲透性;氯離子滲透直流電量法則是利用在直流電壓作用下,氯離子可以通過(guò)混凝土孔隙向正極移動(dòng)的原理,依據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過(guò)混凝土試樣電量的大小來(lái)評(píng)價(jià)混凝土抗氯離子滲透的能力[7 ] .混凝土澆注完成后,及時(shí)記錄不同方法所制試件的排水量. 養(yǎng)護(hù)期滿,取樣并分別用水壓力滲透深度法和氯離子滲透直流電量法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),對(duì)比不同方法下所測(cè)混凝土的滲透性.
3. 2 試驗(yàn)分析
3. 2. 1 排水量
以不同方法澆注的混凝土試件排水量與時(shí)間關(guān)系曲線如圖1 所示. 由圖1 可見(jiàn):方法1 (試件1) 采用18 mm 普通膠合模板澆注,由于施工工藝等原因,不能保證模板絕對(duì)密閉,使其有少量水排出,累計(jì)排水約65 mL ,隨著排水通道堵塞,2. 0 h 后不再有水排出;方法2 (試件2) 采用普通無(wú)紡布內(nèi)襯模板澆注,試件前期(0～2. 0 h) 排水強(qiáng)度較大,但由于水泥等固態(tài)顆粒堵塞無(wú)紡布排水通道,2. 5 h 后排水過(guò)程停止,累計(jì)排水約1 154 mL ;方法3 (試件3) 采用透水模板布內(nèi)襯模板澆注,整個(gè)排水過(guò)程由強(qiáng)變?nèi)?排水過(guò)程最長(zhǎng),持續(xù)3 h ,累計(jì)排水約1 264 mL . 排水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示試件2 ,3 排水量比試件1 要大得多,表明使用透水材料能排出混凝土中的多余水分,降低混凝土表面的水灰比,且透水模板布排水效果更為明顯;透水模板布后期排水強(qiáng)度有所減小,由于其吸水性和保水性,它仍能從混凝土內(nèi)部吸水,使其內(nèi)部富含水分,為提高混凝土的后期養(yǎng)護(hù)質(zhì)量提供了條件.
根據(jù)表1 實(shí)測(cè)指標(biāo)可知,透水模板布的垂直滲透系數(shù)較普通無(wú)紡布要小得多,具有更好的吸水性和保水性;但透水模板布的排水性能也優(yōu)于普通無(wú)紡布,其原因在于透水模板布復(fù)合層結(jié)構(gòu)等效孔徑O95 遠(yuǎn)小于30μm ,可確保水分通過(guò)而大部分水泥顆粒被阻隔在表層內(nèi),保證了透水模板布滲水通道的暢通,在透水模板布吸水性及混凝土內(nèi)部水壓力的作用下,多余的水分和空氣能夠順利排出;而普通無(wú)紡布由于是單層結(jié)構(gòu)、厚度薄,雖然其垂直滲透系數(shù)大,但因其孔隙稍大易導(dǎo)致水泥漿進(jìn)入模布層而堵塞透水通道,因而它的排水效果反而不及透水模板布.
3. 2. 2 混凝土表觀狀況
試件澆水養(yǎng)護(hù)7 d 后拆除模板. 拆模過(guò)程中,試件2 由于透漿嚴(yán)重,普通無(wú)紡布粘貼在混凝土表面而無(wú)法順利脫模,內(nèi)襯材料被撕裂;試件3 的透水模板布內(nèi)襯拆除后,質(zhì)量完好,仍可繼續(xù)使用. 究其原因,主要是透水模板布的各項(xiàng)強(qiáng)度及延伸率等力學(xué)指標(biāo)均比普通無(wú)紡布要高(見(jiàn)表1) ,能夠滿足施工過(guò)程中對(duì)內(nèi)襯材料抗撕裂等強(qiáng)度的要求. 因此,透水模板布較普通無(wú)紡布在混凝土施工中更具適用性. 拆模后混凝土表面狀況如圖2 所示.
圖2 中,采用普通膠合模板澆注的試件1 ,由于模板的密閉性,多余水分、空氣無(wú)法排出,導(dǎo)致試件成型后表面孔洞、缺陷較多. 采用普通無(wú)紡布內(nèi)襯模板澆注的試件2 ,由于初期排水作用明顯,混凝土表面水灰比降低快,其表面孔洞較試件1 有所減少,但因普通無(wú)紡布結(jié)構(gòu)層單一、孔隙較大,在排水的同時(shí),水泥顆粒流失,并粘附在混凝土表面,使得試件2 表面較為粗糙不平,小孔洞增多.相比而言,試件3 的表面最為光滑平整,極少有孔洞、砂眼等缺陷. 究其原因,主要是普通水泥顆粒的粒徑一般為7～200μm ,而其中的絕大部分水泥顆粒粒徑為15～80μm ,加之水化作用使水泥顆粒形成膠粒團(tuán),使其有效直徑增大,而透水模板布表面層孔徑僅為1～10μm ,復(fù)合層結(jié)構(gòu)等效孔徑O95遠(yuǎn)小于30μm ,因此很少有水泥顆粒透過(guò),說(shuō)明透水模板布在順利排水的同時(shí),可有效防止水泥顆粒的流失. 此外,由于透水模板布具有保水性,可補(bǔ)充表層水泥硬化需水量,這也提高了混凝土的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量.
3. 2. 2 滲透性試驗(yàn)
(1) 水壓力試驗(yàn)
按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/ T 5150 —2001) [8 ] ,分別在各混凝土試件鉆芯取2 個(gè)直徑100mm、高150 mm 的圓柱體試樣,采用滲水高度法進(jìn)行相對(duì)抗?jié)B性試驗(yàn). 按規(guī)范要求,將所取的6 個(gè)試樣編為一組,試驗(yàn)時(shí)的初始水壓為0. 1 MPa ,每隔8 h 增加0. 1 MPa ,當(dāng)6 個(gè)試樣中有2 個(gè)試樣端面呈現(xiàn)滲透現(xiàn)象時(shí),停止加壓,即可停止試驗(yàn).
試驗(yàn)記錄的最終水壓力為0. 9 MPa ;試件1 ,2 ,3 的平均滲透深度分別為133. 8 ,125. 0 ,112. 5mm.滲透深度指標(biāo)反映了混凝土的滲透性. 比較水壓力試驗(yàn)結(jié)果可知,試件2 ,3 的滲透深度較試件1 明顯減小,表明透水材料的使用降低了混凝土的滲透性;試件3 的滲透深度比試件2 更小,說(shuō)明透水模板降低混凝土滲透性的效果更為顯著.
(2) 氯離子滲透試驗(yàn)
根據(jù)ASTM C1202 —91[9 ] 測(cè)試方法,分別在各混凝土試件鉆芯取2 個(gè)直徑100 mm、高50 mm的圓柱體試樣. 圓柱體試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d 后,以硅膠密封其側(cè)面,經(jīng)真空飽水處理后,將試樣安裝在試驗(yàn)槽內(nèi);試樣兩側(cè)槽中分別注入濃度為3. 0 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同) 的NaCl 溶液和0. 3 %的NaOH 溶液,施加60 V 的直流恒電壓,每隔30 min 記錄一次電流值,直至通電6 h.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,繪制電流與時(shí)間關(guān)系曲線如圖3 所示. 由曲線下的面積可得到各試件的通過(guò)電量. 根據(jù)ASTM C1202 —91 中的判定依據(jù),對(duì)3 種方法制得的混凝土試樣氯離子滲透性級(jí)別進(jìn)行判定,結(jié)論見(jiàn)表3.
混凝土的導(dǎo)電性可以反映其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),從而反映混凝土的滲透性[10 ,11 ] . 依據(jù)氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果可知,試件1 的氯離子滲透性為高,試件2 ,3 為中.
以上試驗(yàn)表明,透水材料的使用提高了混凝土的抗氯離子滲透能力;試件3 通過(guò)的電量比試件2 更小,表明試件3 的孔隙更少. 同普通無(wú)紡布相比較,透水模板布改善混凝土滲透性及提高混凝土抗氯離子滲透能力效果更好.
4 微觀試驗(yàn)
4. 1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介
為了進(jìn)一步分析使用透水模板后的混凝土表面結(jié)構(gòu),考慮到混凝土試件的不均勻性可能帶來(lái)的試驗(yàn)誤差,采用水泥砂漿試件模擬微觀試驗(yàn),以研究采用透水模板后表層混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化.
用標(biāo)準(zhǔn)鋼試模及標(biāo)準(zhǔn)鋼試模內(nèi)襯透水模板布這2 種方法,分別制作水泥砂漿試件,記為試塊Ⅰ, Ⅱ,每種方法制作3 組試塊. 水泥砂漿配比為m(水泥) ∶m(砂) ∶m(水) = 1 ∶2. 5 ∶0. 4 ,試塊尺寸為100 mm ×100 mm ×100 mm. 養(yǎng)護(hù)28 d 后,將試塊放入烘箱烘干;然后在試塊一側(cè)切取3 mm厚的切片,鍍金,進(jìn)行掃描電鏡(SEM) 試驗(yàn);同時(shí)在試塊其余3 個(gè)側(cè)面取小試塊做壓汞法(MPM)試驗(yàn).
4. 2 試驗(yàn)分析
4. 2. 1 SEM 試驗(yàn)
拆模后,試塊Ⅰ表面較為粗糙、疏松,孔隙較多;試塊Ⅱ表面平整,孔隙較少,孔隙分布均勻,表明透水模板可改善混凝土的表面質(zhì)量,這同宏觀試驗(yàn)結(jié)果一致.
對(duì)2 種試塊切片進(jìn)行掃描電鏡(SEM) 試驗(yàn),觀察其微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖4 所示.
從圖4 可以看出,試塊Ⅱ密實(shí)度更高,且內(nèi)部C2S2H 凝膠多,水泥水化充分,養(yǎng)護(hù)質(zhì)量提高,表面密實(shí)度增加.
4. 2. 2 MPM 試驗(yàn)
根據(jù)吳中偉院士對(duì)混凝土孔級(jí)的劃分理論[7 ] 可知,混凝土的孔徑可以劃分為無(wú)害孔級(jí)(孔徑<0. 02μm) 、少害孔級(jí)(孔徑0. 02～0. 05μm) 、有害孔級(jí)(孔徑0. 05～0. 20μm) 和多害孔級(jí)(孔徑>0. 20μm) 段,而臨界孔徑對(duì)混凝土的滲透性影響最為重要[ 12 ] . 臨界孔徑是指能將較大孔隙連通起來(lái)的各孔的最大孔級(jí),反映了混凝土中孔隙的連通性和滲透路徑的曲折性. 臨界孔徑越小,混凝土性能越好.
MPM 試驗(yàn)測(cè)得試塊Ⅰ, Ⅱ的孔隙率、臨界孔徑、各孔隙段孔隙體積對(duì)比及孔隙分布存在明顯差異. 2 種試塊各孔隙段孔隙體積對(duì)比及孔隙分布曲線見(jiàn)圖5. 圖5 表明,2 種試塊中孔徑在0. 02μm 以下的孔隙分布基本相當(dāng);試塊Ⅱ中大于0. 02 μm 的孔隙分布則比試塊Ⅰ明顯減少. 由此說(shuō)明,采用透水模板布后試塊總孔隙減少,特別是有害孔(孔徑> 0. 02μm) 大大減少,試塊有害孔孔隙體積從1. 17 ×10 - 2 mL/ g 減少到了5. 20 ×10 - 3 mL/ g ;同樣,少害孔也明顯減少,試塊少害孔孔隙體積從2. 44 ×10 - 2 mL/ g 減少到了1. 90 ×10 - 3 mL/ g ;而無(wú)害孔(孔徑< 0. 02μm) 體積則略有上升,這是由于試塊表面小顆粒增多,小顆粒間形成的小孔隙也相應(yīng)增加,但這些孔隙不會(huì)對(duì)混凝土性能構(gòu)成危害. 上述分析表明,透水模板布大大改善了混凝土的孔隙分布.
另外,圖5 中的孔隙分布原始曲線有明顯的拐點(diǎn),這表明當(dāng)汞壓力升高到某一值時(shí),汞會(huì)通過(guò)顆粒內(nèi)部的孔隙將顆粒間孔隙連通起來(lái),壓入汞量的增長(zhǎng)速度變快,此拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的孔徑即為臨界孔徑. 試驗(yàn)測(cè)得試塊Ⅰ, Ⅱ的孔隙率、臨界孔徑分別是4. 44 % ,58. 6 nm 與12. 03 % ,338. 4 nm(見(jiàn)表4) ,相差較大. 顯然使用透水模板布后,試塊的孔隙率、臨界孔徑均減小,所以試塊的密實(shí)度提高,抗?jié)B性增強(qiáng).
混凝土孔隙具有不規(guī)則性、模糊性、非線性等特征,所以利用MPM 試驗(yàn)數(shù)據(jù),可對(duì)其孔隙分形維數(shù)進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià). 2 種模板水泥砂漿試件計(jì)算的分形維數(shù)見(jiàn)表4. 根據(jù)分形理論[ 13 ,14 ] ,孔隙分形維數(shù)越高,則孔隙的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜. 由表4 可見(jiàn),使用透水模板布后,水泥砂漿試塊的孔隙分形維數(shù)減小,孔隙結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單化.
以上試驗(yàn)分析表明,使用透水模板布后,隨著表層密實(shí)度的提高和孔隙結(jié)構(gòu)的改善,混凝土的抗?jié)B性和耐久性也必然能得到改善[1 ] .
5 結(jié)論
1. 同普通無(wú)紡布等一般的透水材料相比,透水模板布減小混凝土表面水灰比的效果更好,在混凝土施工中更具適用性.
2. 使用透水模板可有效提高混凝土的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量,并改善混凝土的表觀質(zhì)量.
3. 使用透水模板可提高表層混凝土的密實(shí)度,改善微觀孔隙結(jié)構(gòu)和分布,從而提高了混凝土的抗?jié)B性和耐久性.
4. 使用透水模板后,混凝土的孔隙分形維數(shù)減小,孔隙結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單化.
參考文獻(xiàn):
[ 1 ] 張 譽(yù),蔣利學(xué),張偉平,等. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M] . 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,2003. 8 - 10.
[ 2 ] 劉津明,劉志勇,韓邦青,等. 透水模板對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)研究[J ] . 施工技術(shù)(北京) ,2006 ,35 (8) :81 - 83.
[ 3 ] 馬立國(guó),宋宏偉,劉津明. 利用透水模板施工改善混凝土性能的試驗(yàn)研究[J ] . 大連民族學(xué)院學(xué)報(bào),2006 , (1) :70 - 73.
[ 4 ] 佟 聲. 國(guó)外透水型模板(CPF) 的應(yīng)用與研究[J ] . 建筑技術(shù)開(kāi)發(fā),1998 ,25 (2) :51 ,52.
[ 5 ] 傅立容. 透水模板在鹽田港區(qū)三期工程中的應(yīng)用研究[J ] . 水運(yùn)工程,2004 , (10) :36 - 39.
[ 6 ] 付才香. Formtex - 透水模板布在墩身施工中的應(yīng)用[J ] . 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2006 , (4) :35 - 37.
[ 7 ] 趙鐵軍. 混凝土滲透性[M] . 北京:科學(xué)出版社,1995.
[ 8 ] DL/ T 5150 —2001 ,水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[ S] .
[ 9 ] ASTM C1202 —91 ,Standard Test Met hod for Elect rical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penet ration[ S] .
[ 10 ] FELDMAN R F ,GORDON W,BROUSSEAU C R J ,et al . Investigation of t he rapid chloride permeability test [J ] . ACI Ma2terials Journal ,1994 ,91 (2) :246 - 255.
[ 11 ] 牛全林,馮乃謙,李崇智. 影響混凝土Cl - 導(dǎo)電量諸因素的分析[J ] . 混凝土,2004 , (1) :32 - 35.
[ 12 ] 趙鐵軍,朱金銓,馮乃謙. 混凝土孔隙分析中的表征參數(shù)[ A ] . 吳中偉院士從事科教工作六十年學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集[ C] . 北京: [ sn ] ,2004.
[ 13 ] 唐 明. 混凝土孔隙分形特征的研究[J ] . 混凝土,2000 , (8) :3 - 5.
[ 14 ] 褚武揚(yáng). 材料科學(xué)中的分形[M] . 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.
