高性能混凝土中聚羧酸系高性能減水劑的應用

王鵬程 胡勝根

1 概述

高性能混凝土是20世紀80年代末90年代初，日本及歐美一些發達國家基于混凝土結構耐久性設計提出的一種全新概念的混凝土。高性能混凝土名詞出現至今，各個國家的學者依照各自的認識、實踐、應用范圍和目的要求的差異，對高性能混凝土有不同的定義和解釋。吳中偉院士對高性能混凝土提出的定義是:高性能混凝土是一種新型高技術混凝土，是在大幅提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土，它以耐久性作為設計的主要指標。針對不同用途要求，高性能混凝土對下列性能有重點地予以保證:耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩定性及經濟性。為此，高性能混凝土在配料上的特點是:低水膠比、選用優質原料，除水泥、水、集料外，還必須摻加足夠數量的礦物細粉摻合料和高效減水劑。

聚羧酸系高性能減水劑作為第三代減水劑，減水率高，摻量低，保坍性能好，對環境不造成污染，在高性能混凝土中發揮了不可替代的作用。近幾年來聚羧酸系高性能減水劑在鐵路、橋梁、水利水電等混凝土工程建設領域得到了快速發展并成功推廣應用，并且在自密實混凝土、高強混凝土、高耐久性混凝土、海工混凝土等工程中也開始得到應用。

2 聚羧酸高性能減水劑的性能優點

聚羧酸高性能減水劑與其他高效減水劑相比，有許多突出的性能優點:

1)摻量低、減水率高。摻量通常為膠凝材料的0.5%～1.2%，減水率一般在25%～30%。

2)混凝土拌和物流動性好，坍落度損失小，60 min內坍落度基本無損失，且受溫度變化的影響小。

3)具有微引氣作用，拌制的混凝土含氣量一般在2%～4%，可有效提高混凝土的耐久性。

4)總堿含量低，降低了發生堿骨料反應的可能性，提高混凝土的耐久性。

5)具有一定的縮減作用，28 d收縮率較萘系減水劑降低20%以上。

6)由于合成中不使用甲醛，在生產和使用過程中對人體健康無危害，對環境也不造成污染。

3 工程應用實例

1)河南寶泉抽水蓄能電站上水庫副壩工程自密實混凝土。

在河南寶泉抽水蓄能電站上水庫副壩工程混凝土施工過程中，我部采用清華大學研究的自密實堆石混凝土施工技術，就是先采用初步篩選的塊石直接入倉，然后澆筑自密實混凝土，利用自密實混凝土的高流動性能，使其填充到堆石的空隙中，形成完整、密實有較高強度的混凝土砌石體。

自密實混凝土具有流動性能好并且不離析的特點，是無需振搗，依靠自重填充密實的一種新型建筑材料。在混凝土坍落度試驗中，自密實混凝土坍落度能夠達到260 mm以上，坍落擴展度能夠達到600 mm以上。當然，要達到上述性能指標，聚羧酸系高性能減水劑起到了重要作用。

河南寶泉抽水蓄能電站上水庫副壩工程C20自密實混凝土配合比設計中，采用一級配骨料，粗骨料為5 mm～20 mm粒徑的碎石，細骨料是細度模數為2.9±0.3的河砂，水泥采用P.O32.5水泥，粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，減水劑使用天津西卡公司生產的Sika Viscocrete TH3410聚羧酸系高性能減水劑。配合比見表1。

表1 C20自密實混凝土理論配合比 kg

自密實混凝土工作性能的檢測方法與常態混凝土不同，主要采用坍落度、坍落擴展度試驗和V形漏斗試驗進行檢測。通過試驗得到的坍落度、坍落擴展度、V形漏斗通過時間以及28 d強度見表2。

表2 C20自密實混凝土性能檢測結果

根據施工配合比拌制的自密實混凝土，流動性能好，結合自密實堆石混凝土施工技術，有效提高了施工效率，降低了施工綜合單價。因為摻加了大量的粉煤灰，使自密實混凝土水化溫升大為降低，確保了大體積混凝土施工質量。

2)廈深鐵路廣東段7標連續梁C50高性能混凝土。

廈深鐵路是國家《中長期鐵路網規劃》“四縱四橫”快速鐵路通道中杭州—深圳沿海快速鐵路通道的重要組成部分。建設廈門—深圳鐵路，將貫通整個沿海快速鐵路通道，形成我國東南沿海地區的骨干鐵路線。

廈深鐵路設計方對連續梁C50混凝土設計要求及指標:設計強調等級為C50，彈性模量大于40 GPa，抗滲等級大于P20。工作性能方面:混凝土坍落度能夠達到(200±10)mm，和易性好，混凝土不分層離析，可泵性好，易于澆筑密實。

根據《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》《客運專線預應力混凝土梁暫行技術條件》《鐵建設［2009］152號》等文件，我部進行了連續梁 C50高性能混凝土的配合比設計。水泥采用P.O42.5水泥，粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，磨細礦粉。粗骨料采用粒徑5 mm～25 mm二級配碎石，細骨料細度模數為2.6～3.0的河砂，減水劑使用深圳邁地外加劑公司生產的聚羧酸系高性能減水劑。配合比見表3。

表3 C50高性能混凝土配合比 kg

根據配合比試拌的C50高性能混凝土，流動性能好，沒有分層離析現象，混凝土初始坍落度為210 mm，含氣量為2.8，停放1 h后的坍落度為190mm，損失20mm。28 d抗壓強度為62.1 MPa，彈性模量為48.5 GPa，抗滲等級大于P22，均滿足設計要求。

4 工程應用中存在的問題及應對措施

1)與膠凝材料的適應性問題。由于聚羧酸系高性能減水劑的高減水率和低摻量，導致其對膠凝材料的敏感性相對萘系減水劑大大增加。不同水泥、不同摻合料對聚羧酸系高性能減水劑都有適應性問題，尤其是摻合料中的粉煤灰顯得更明顯一些。眾所周知，我國水泥品種繁多、質量復雜多變，摻合料等級差異大，當遇到相容性較差的膠凝材料時，聚羧酸系高性能減水劑拌制的混凝土就會出現流動性差及坍落度損失大的現象。

針對上述問題，聚羧酸系高性能減水劑廠家就要提供該類產品的現場技術支持，現場技術服務人員要根據施工現場所用的膠凝材料，在初步復配配方的基礎上，經過現場試配、改進復配配方，再現場試配、再改進復配配方，反復多次，直至復配產品完全滿足現場施工要求為止。

2)砂子的含泥量問題。當砂子的含泥量較高時，聚羧酸系減水劑的減水率會明顯降低。使用萘系減水劑往往通過增加一些摻量來解決。聚羧酸系減水劑在增加摻量時變化不明顯，很多的情況是當流動度還沒有達到要求，混凝土已經開始泌水了，現場解決的最好辦法是加強對砂子含泥量的控制，杜絕含泥量超標的砂子進入施工現場。

3)引氣性問題。聚羧酸系減水劑在生產過程中往往會保留一些降低表面張力的表面活性成分，因此它具有一定的引氣性。在試配或制備混凝土時，不能用聚羧酸混凝土含氣量去套用萘系混凝土含氣量，當聚羧酸系高性能減水劑混凝土具有較高含氣量時(3%～5%)是可以安全使用的，且混凝土后期強度不會有下降趨勢，而萘系含氣量較高就會出現混凝土后期強度下降的趨勢。

4)聚羧酸減水劑的摻量問題。摻量在水膠比小時十分敏感，且表現出有更高減水率，而在水膠比大時(一般大于0.4以上時)，減水率及其變化就不那么明顯了。膠凝材料用量大時摻量影響更為明顯，而膠凝材料總量小時差一些。

5 發展趨勢

國內外大量的工程實踐都證明，推廣應用聚羧酸系高性能減水劑是混凝土質量向高性能化發展的必要要求。聚羧酸系高性能減水劑有較高的減水率和較好的坍落度保持性能，生產過程無污染，是環保性的外加劑。國外20世紀90年代開始使用，日本現在的使用量占高效減水劑的60%～70%，歐洲約占20%，而我國是在21世紀初才開始研究和應用的。基于我國經濟持續、快速發展，以及各種基礎設施建設規模的不斷擴大，特別是高速鐵路網、高速公路網、橋梁、隧道、機場、港口、大壩、高層建筑等建設項目正大規模開展，混凝土工程量巨大。聚羧酸系高性能減水劑將成為今后我國混凝土外加劑主流技術的發展方向，它的市場將面臨一個極大的發展機遇，未來較長時間內，它的生產與應用仍將繼續保持高速增長的趨勢。

為促進我國聚羧酸系高性能減水劑行業整體水平的提高，不斷發展混凝土技術，提高混凝土總體質量水平，我們還要加大對聚羧酸系高性能減水劑及其應用技術的研究力度。通過進一步優化產品配方、調整合成工藝、科學合理的對其進行分子結構設計與性能設計，有針對性地開發理想的聚羧酸系高性能減水劑系列產品和多功能產品，使其能夠更好的滿足工程的設計要求、環境要求、施工要求，從而取得預期的技術、經濟及社會效益。

［1］ 吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［2］ 郭延輝，郭京育.聚羧酸系高性能減水劑研究與工程應用［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.