摘要: 對比分析了2 種透水模板(CPF) 的主要物理性能;結合宏觀、微觀試驗,探討了透水模板改善混凝土性能的機理與效果. 結果表明:透水模板能有效降低混凝土澆注時的表面水灰比,提高混凝土的表面密實度,改善混凝土的孔隙分布和表觀質量,提高混凝土抗滲性和耐久性.
關鍵詞: 透水模板(CPF) ; 水灰比; 孔隙分布; 抗滲性
中圖分類號: TU528 文獻標識碼:A
混凝土施工中采用的水灰比要遠大于其水泥完全水化所需水灰比[1 ] . 傳統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形成孔洞、麻面等缺陷,影響混凝土觀感質量,不利于混凝土的耐久性[2 ] .
透水模板(CPF) 是在傳統模板澆注混凝土施工工藝之上產生的一種可改善混凝土性能的新型工藝. 其作用機理是,將透水模板布粘附在普通模板內側制成透水模板,它具有可透水、透氣的特點,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度,從而改善混凝土的抗滲性和耐久性. 國內外的成品透水模板布一般均由聚丙烯等原材料經特殊處理而成為長短不等的丙綸纖維絲,再經熱紡粘和表面二次特殊輥壓工藝處理而成. 其結構大致分為表層、中間層和粘結層.表層、中間層分別由細度為0. 07～0. 15 ,0. 10～0. 33 g/ km 的纖維組成,孔徑分別為1～10 ,4～15μm ;粘結層與模板粘貼,由細度為0. 22～0. 44 g/ km 的纖維組成,孔隙的孔徑為10～30μm. 復合層結構的等效孔徑O95 遠小于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側的混凝土表面,并在結構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,同時透水模板布具有保水性,可以提高混凝土的養護質量[3 ] .
日本和歐洲的丹麥、德國等于20 世紀80 年代已經開始了對透水模板布的應用研究[4 ] ,我國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 ] . 針對這種新型材料及其施工工藝,本次試驗檢測、對比了市場上成品透水模板布和普通無紡布的物理力學性能指標,進行了宏觀、微觀試驗,并分析了透水模板改善混凝土性能的機理和效果.
1 試驗材料
試驗主要材料: P ·O42. 5 級普通硅酸鹽水泥;標準砂,細度模數2. 6 ;石子,粒級5. 0～31. 5mm ;普通膠合板模板;普通滌綸無紡布;某品牌透水模板布;建筑行業用萬能膠水.
2 透水材料性能指標測試
由于目前國內尚無透水模板布的材料檢測規程,因此,本試驗參照丹麥福特斯公司材料手冊( Formtex material test parameter) 和《土工合成材料測試規程》(SL/ T 235 —1999) 進行. 試驗針對成品透水模板布及普通無紡布這2 種透水材料,分別檢測其材料力學和水力學指標,為宏觀、微觀試驗分析提供依據. 測定內容及對比結果如表1 所示.
透水模板布質地均勻,由3 個結構層組成,分別為表面透水層、中間排水層和模板粘貼層. 普通無紡布表面則相對較為粗糙,孔隙較大,僅有1 個結構層.
3 宏觀試驗
3. 1 試驗簡介
為對比分析不同模板內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、養護環境相同;方法2 ,3 中透水材料用膠水均勻粘貼于膠合板模板內側,膠水用量約50～100 g/ m2 ;粘貼時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 ;材料搭接處應保證不少于3 cm搭接;鋪設后模板面應平整,不能有折疊、凹凸.
水壓力滲透深度法是通過測得一定時間內壓力液體滲入混凝土試樣的深度來評價混凝土的滲透性;氯離子滲透直流電量法則是利用在直流電壓作用下,氯離子可以通過混凝土孔隙向正極移動的原理,依據在規定時間內通過混凝土試樣電量的大小來評價混凝土抗氯離子滲透的能力[7 ] .混凝土澆注完成后,及時記錄不同方法所制試件的排水量. 養護期滿,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其進行檢測,對比不同方法下所測混凝土的滲透性.
3. 2 試驗分析
3. 2. 1 排水量
以不同方法澆注的混凝土試件排水量與時間關系曲線如圖1 所示. 由圖1 可見: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,不能保證模板絕對密閉,使其有少量水排出,累計排水約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) 采用普通無紡布內襯模板澆注,試件前期(0～2. 0 h) 排水強度較大,但由于水泥等固態顆粒堵塞無紡布排水通道,2. 5 h 后排水過程停止,累計排水約1 154 mL ;方法3 (試件3) 采用透水模板布內襯模板澆注,整個排水過程由強變弱,排水過程最長,持續3 h ,累計排水約1 264 mL . 排水量統計結果顯示試件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度有所減小,由于其吸水性和保水性,它仍能從混凝土內部吸水,使其內部富含水分,為提高混凝土的后期養護質量提供了條件.
根據表1 實測指標可知,透水模板布的垂直滲透系數較普通無紡布要小得多,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于普通無紡布,其原因在于透水模板布復合層結構等效孔徑O95 遠小于30μm ,可確保水分通過而大部分水泥顆粒被阻隔在表層內,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;而普通無紡布由于是單層結構、厚度薄,雖然其垂直滲透系數大,但因其孔隙稍大易導致水泥漿進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
試件澆水養護7 d 后拆除模板. 拆模過程中,試件2 由于透漿嚴重,普通無紡布粘貼在混凝土表面而無法順利脫模,內襯材料被撕裂;試件3 的透水模板布內襯拆除后,質量完好,仍可繼續使用. 究其原因,主要是透水模板布的各項強度及延伸率等力學指標均比普通無紡布要高(見表1) ,能夠滿足施工過程中對內襯材料抗撕裂等強度的要求. 因此,透水模板布較普通無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、空氣無法排出,導致試件成型后表面孔洞、缺陷較多. 采用普通無紡布內襯模板澆注的試件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,但因普通無紡布結構層單一、孔隙較大,在排水的同時,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,使其有效直徑增大,而透水模板布表面層孔徑僅為1～10μm ,復合層結構等效孔徑O95遠小于30μm ,因此很少有水泥顆粒透過,說明透水模板布在順利排水的同時,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,可補充表層水泥硬化需水量,這也提高了混凝土的養護質量.
3. 2. 2 滲透性試驗
(1) 水壓力試驗
按照《水工混凝土試驗規程》(DL/ T 5150 —2001) [8 ] ,分別在各混凝土試件鉆芯取2 個直徑100mm、高150 mm 的圓柱體試樣,采用滲水高度法進行相對抗滲性試驗. 按規范要求,將所取的6 個試樣編為一組,試驗時的初始水壓為0. 1 MPa ,每隔8 h 增加0. 1 MPa ,當6 個試樣中有2 個試樣端面呈現滲透現象時,停止加壓,即可停止試驗.
試驗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.滲透深度指標反映了混凝土的滲透性. 比較水壓力試驗結果可知,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
根據ASTM C1202 —91[9 ] 測試方法,分別在各混凝土試件鉆芯取2 個直徑100 mm、高50 mm的圓柱體試樣. 圓柱體試樣在標準條件下養護28 d 后,以硅膠密封其側面,經真空飽水處理后,將試樣安裝在試驗槽內;試樣兩側槽中分別注入濃度為3. 0 %(質量分數,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.根據試驗結果,繪制電流與時間關系曲線如圖3 所示. 由曲線下的面積可得到各試件的通過電量. 根據ASTM C1202 —91 中的判定依據,對3 種方法制得的混凝土試樣氯離子滲透性級別進行判定,結論見表3.
混凝土的導電性可以反映其內部孔隙結構,從而反映混凝土的滲透性[10 ,11 ] . 依據氯離子滲透試驗結果可知,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 通過的電量比試件2 更小,表明試件3 的孔隙更少. 同普通無紡布相比較,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
4. 1 試驗簡介
為了進一步分析使用透水模板后的混凝土表面結構,考慮到混凝土試件的不均勻性可能帶來的試驗誤差,采用水泥砂漿試件模擬微觀試驗,以研究采用透水模板后表層混凝土微觀孔隙結構的變化.
用標準鋼試模及標準鋼試模內襯透水模板布這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. 養護28 d 后,將試塊放入烘箱烘干;然后在試塊一側切取3 mm厚的切片,鍍金,進行掃描電鏡(SEM) 試驗;同時在試塊其余3 個側面取小試塊做壓汞法(MPM)試驗.
4. 2 試驗分析
4. 2. 1 SEM 試驗
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量,這同宏觀試驗結果一致.
對2 種試塊切片進行掃描電鏡(SEM) 試驗,觀察其微觀結構,結果如圖4 所示.
從圖4 可以看出,試塊Ⅱ密實度更高,且內部C2S2H 凝膠多,水泥水化充分,養護質量提高,表面密實度增加.
4. 2. 2 MPM 試驗
根據吳中偉院士對混凝土孔級的劃分理論[7 ] 可知,混凝土的孔徑可以劃分為無害孔級(孔徑<0. 02μm) 、少害孔級(孔徑0. 02～0. 05μm) 、有害孔級(孔徑0. 05～0. 20μm) 和多害孔級(孔徑>0. 20μm) 段,而臨界孔徑對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的各孔的最大孔級,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 試驗測得試塊Ⅰ, Ⅱ的孔隙率、臨界孔徑、各孔隙段孔隙體積對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比及孔隙分布曲線見圖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;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增加,但這些孔隙不會對混凝土性能構成危害. 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,這表明當汞壓力升高到某一值時,汞會通過顆粒內部的孔隙將顆粒間孔隙連通起來,壓入汞量的增長速度變快,此拐點對應的孔徑即為臨界孔徑. 試驗測得試塊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,所以試塊的密實度提高,抗滲性增強.
混凝土孔隙具有不規則性、模糊性、非線性等特征,所以利用MPM 試驗數據,可對其孔隙分形維數進行定量分析評價. 2 種模板水泥砂漿試件計算的分形維數見表4. 根據分形理論[ 13 ,14 ] ,孔隙分形維數越高,則孔隙的結構越復雜. 由表4 可見,使用透水模板布后,水泥砂漿試塊的孔隙分形維數減小,孔隙結構趨于簡單化.
以上試驗分析表明,使用透水模板布后,隨著表層密實度的提高和孔隙結構的改善,混凝土的抗滲性和耐久性也必然能得到改善[1 ] .
5 結論
1. 同普通無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護質量,并改善混凝土的表觀質量.
3. 使用透水模板可提高表層混凝土的密實度,改善微觀孔隙結構和分布,從而提高了混凝土的抗滲性和耐久性.
4. 使用透水模板后,混凝土的孔隙分形維數減小,孔隙結構趨于簡單化.
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