聚羧酸高性能減水劑在南水北調(diào)箱涵混凝土中的應(yīng)用

摘 要：南水北調(diào)工程是舉世聞名的重點工程，對混凝土的要求更是精益求精，為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，在選擇混凝土配合比時，對外加劑的選擇更是苛刻。聚羧酸系高性能減水劑以其摻量小、減水率高、強(qiáng)度高、低堿低氯又環(huán)保的特點在南水北調(diào)中線天津干線TJ2-1標(biāo)建設(shè)中，使混凝土質(zhì)量經(jīng)過了考驗。

關(guān)鍵詞：聚羧酸高性能減水劑；南水北調(diào)天津干線；箱涵混凝土

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.088

1 工程概況

天津干線工程保定市1段TJ2-1標(biāo)段是南水北調(diào)的中線一期工程， 位于河北省保定市的徐水縣境內(nèi)，全長約9.883Km。為3孔4.4m×4.4m現(xiàn)澆有壓混凝土輸水箱涵，起訖樁號為XW15+200～XW25+083，混凝土設(shè)計標(biāo)號為C30W6F150。設(shè)計混凝土用量約30.1萬方。

2 聚羧酸高性能減水劑的特點

聚羧酸高性能減水劑是通過單體的多元性聚合而制備的一種新型減水劑。由于獨特的分子結(jié)構(gòu)，該減水劑通過靜電斥力及空間位置的雙重作用來實現(xiàn)對水利顆粒的分散，表現(xiàn)出優(yōu)異的分散性保持能力。

（1）該產(chǎn)品具有摻量低、減水率高的特點：高達(dá)40%的減水率特點，適用于配制較高強(qiáng)和高性能的混凝土；

（2）坍落度經(jīng)時損失小的特點：預(yù)拌混凝土1h坍落度的損失值低于15%，這不僅有利于混凝土的長距離運輸對泵送施工也非常有利；

（3）混凝土工作性好的特點：在高坍落度的情況下，混凝土如果是用聚羧酸高性能減水劑配制而成的，離析和泌水的現(xiàn)象就不會特別嚴(yán)重，外觀上來看顏色也比較均一。流動性高土、自密實和清水飾面的混凝土也比較適用。若將聚羧酸配制高標(biāo)號混凝土，混凝土的工作性會變好、粘聚性增強(qiáng)，也更容易攪拌。能降低水泥早期水化熱，有利于夏季施工；

（4）適應(yīng)性優(yōu)良的特點：與水泥、摻和料相容性好；

（5）混凝土收縮小的特點：可以使混凝土的收縮性明顯降低，同時混凝土體積的穩(wěn)定性和耐久性得到顯著提高；

（6）含堿量非常低的特點：含堿量≤0.2%，同時也不會產(chǎn)生混凝土堿骨料反應(yīng)；

（7）產(chǎn)品穩(wěn)定性好的特點：不僅長期儲存不會出現(xiàn)分層和沉淀現(xiàn)象，而且低溫時不會析出結(jié)晶；

（8）產(chǎn)品綠色環(huán)保的特點：該產(chǎn)品是無毒無害的綠色環(huán)保產(chǎn)品，符合可持續(xù)發(fā)展的理念；

（9）經(jīng)濟(jì)效益好的特點：同使用其它類型的產(chǎn)品相比，工程綜合造價較低，相同的條件下可以節(jié)省15-25%的水泥用量；

（10）使用聚羧酸高效減水劑有方便、安全和高效的好處，但有優(yōu)點的同時也存在一定的局限性，以下問題在施工生產(chǎn)的過程中有可能會遇到。①從攪拌車中卸出時比較困難，原因分析：水泥和聚羧酸的嚴(yán)重不適應(yīng)性可能是這一問題的主要原因。應(yīng)對措施：在開盤前對每一批要使用的水泥做一次復(fù)配試驗，標(biāo)準(zhǔn)采用施工配合比。②在混凝土的拌和物坍的落度突然變大或者泌水的情況下，這批水泥和減水劑會有相對較好的適應(yīng)性。應(yīng)對措施：對外加劑的摻量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。③硬化之后表面會產(chǎn)生氣泡，原因分析：為了施工方便，使用時加大了減水劑摻量。應(yīng)對措施：施工時嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行，對施工的工藝進(jìn)行改進(jìn)，對施工的管理進(jìn)一步加強(qiáng)。④混凝土在凝結(jié)硬化時較慢，原因分析：養(yǎng)護(hù)的溫度達(dá)不到或者加大了減水劑的摻量。應(yīng)對措施：施工時嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行，將養(yǎng)護(hù)的時間延長。⑤和實際的設(shè)計值相比混凝土的坍落度有較明顯的差異，原因分析：混合使用了兩種外加劑，會產(chǎn)生不相容的情況。應(yīng)對措施：先做相容性試驗再使用，根據(jù)情況對摻配比例進(jìn)行調(diào)整。

3 聚羧酸高性能減水劑的作用機(jī)理

水泥水化過程中表面活性劑起的減水作用是一種非常重要的作用。在混凝土工作性不受影響的情況下，減水劑可以減少單位用水量；或者在單位用水量沒有改變的情況下，混凝土的工作性可以得到改善；或者在以上兩種效果都具有的情況下，含氣量的外加劑沒有被顯著改變。

與水混合攪拌后，水泥會發(fā)生水化反應(yīng)，一些絮凝狀的結(jié)構(gòu)會隨之出現(xiàn)，很多的拌和水會包裹其中，新拌的混凝土的和易性（也稱為工作性，主要指的是在施工中新鮮的混凝土，在經(jīng)過了攪拌、運輸和澆灌等的過程中，沒有發(fā)生分層離析的現(xiàn)象，仍然能保持均勻而又密實的良好性能）會因此而有所降低。為了和易性在施工過程中得到保持，拌和水量就必須相應(yīng)的有所增加，如果增加水量，水泥石結(jié)構(gòu)中就會形成相對較多的孔隙，硬化混凝土的物理力學(xué)性能就會受到嚴(yán)重的影響，如果這些包裹的水分可以被釋放出來，這樣就可大大地減少混凝土的用水量。在凝土制備的混過程當(dāng)中，如果在摻入其中適量的減水劑，就可以明顯地起到這樣的作用。

將減水劑摻入混凝土中后，其憎水基團(tuán)會在水泥顆粒的表面發(fā)生定向的吸附，而其親水基團(tuán)會指向水溶液，這樣就會形成單分子或者多分子層的吸附膜。因為表面活性劑有定向吸附的作用，水泥膠粒的表面就會有相同符號的電荷產(chǎn)生，由于同性相斥，其產(chǎn)生的作用力，不僅可以使水泥-水體系的相對穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)得到保持，而且可以讓在加水初期水泥所形成的絮凝狀的結(jié)構(gòu)分散解體，這樣一來絮凝結(jié)構(gòu)內(nèi)的水就會被釋放出來，從而達(dá)到減水效果。加入減水劑之后，一方面可以改善新拌的混凝土的和易性，另一方面由于混凝土中的水灰比會有相對較大幅度下降的原因，混凝土的內(nèi)部孔隙的體積就會明顯地減少，這樣混凝土就更加地致密，混凝土抗壓的強(qiáng)度就會得到顯著的提高。加入的減水劑，對水泥水化的速度和凝結(jié)的時間也都會產(chǎn)生影響。在實際應(yīng)用中，這些性質(zhì)都是十分重要的。

4 聚羧酸的高性能減水劑的摻量對拌合物的影響

混凝土可以其實現(xiàn)高性能化，聚羧酸的減水劑是非常關(guān)鍵的技術(shù)，其摻量是在實際的應(yīng)用過程中需要特別注意的，如果摻量過高的話有可能會造成一定的質(zhì)量事故，比如產(chǎn)生混凝土泌水的現(xiàn)象或者離析的現(xiàn)象，甚至?xí)档突炷恋膹?qiáng)度，也會帶來經(jīng)濟(jì)上的損失；如果摻量過少的話又不能實現(xiàn)其應(yīng)有的效果。

5 聚羧酸高性能減水劑在南水北調(diào)中線天津干線工程保定市1段TJ2-1標(biāo)段建設(shè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

（1）該工程的主體結(jié)構(gòu)是混凝土，其強(qiáng)度等級是C30，抗?jié)B等級是W6，抗凍等級是F150。建筑物的部分混凝土等級不完全相同，以相應(yīng)的圖紙說明為依據(jù)。該工程的外加劑是主要是TY-6A聚羧酸的高性能減水劑，生產(chǎn)企業(yè)是河北省鐵園科技發(fā)展有限公司，由于建筑物的部分混凝土等級不是完全一樣，其配合比也就不會完全相同。以TY-6A聚羧酸的高性能減水劑為舉例，其摻量占比為0.7%，下表1是聚羧酸的高性能的減水劑的檢驗結(jié)果：

檢驗的混凝土是用聚羧酸的高效減水劑TY-6A（液體）配制的，表中所列檢驗項目的技術(shù)指標(biāo)均符合JG/T223-2007的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）C30、W6及F150的箱涵主體結(jié)構(gòu)混凝土配合比的試驗。試驗試拌的混凝土選用的鼎鑫P·O42.5等級的水泥，表2和表3顯示的是聚羧酸的高效減水劑TY-6A（液體）的試拌方案和試驗結(jié)果。

注：①鼎鑫P·O42.5等級的水泥是選用恒盛砂場的中砂、石亢料場的碎石以及河北鐵園外加劑配制而成的。

②28d抗壓強(qiáng)度和膠水比的回歸方程式如下：

Y=22.765X-12.541 相關(guān)系數(shù)r=1.000

其中：X表示膠水比；Y表示混凝土28d的抗壓強(qiáng)度（MPa）。

③從上表的試驗數(shù)據(jù)可以看出，對C30、W6及F150（泵送）混凝土試驗，摻入比例為0.7%的聚羧酸高性能減水劑TY-6A，坍落度分別是173mm、177mm及187mm，可以滿足設(shè)計的要求，觀察現(xiàn)場澆筑的混凝土狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，混凝土的和易性較好，既沒有泌水也沒有發(fā)生離析的現(xiàn)象，可以滿足施工技術(shù)的要求，28d的強(qiáng)度最低可以達(dá)到32.9Mpa，最高可以達(dá)到44.3Mpa，可以滿足設(shè)計要求的強(qiáng)度，由此試圖推薦如下表的施工配合比：

注：①鼎鑫P·O42.5等級的水泥是選用恒盛砂場的中砂、石亢料場的碎石以及河北鐵園外加劑配制而成的。

②通過對上表4所推薦的混凝土進(jìn)行檢測顯示，該施工配合比拌制的混凝土各項指標(biāo)均符合設(shè)計要求，如下表5所示：

6 結(jié)論

天津干線工程的保定市1段TJ2-1即南水北調(diào)的中線一期工程的標(biāo)段全都是有壓的輸水箱涵，并且被深埋在地下，受到周圍環(huán)境的影響相對較大，比如溫度、濕度和周圍的大氣以及地質(zhì)情況還有當(dāng)?shù)氐乃臈l件，其所承受的壓力既有內(nèi)部的也有外部的，相對來說極為復(fù)雜。本標(biāo)段選用的氣象資料是由徐水氣象站發(fā)布的氣象資料：本標(biāo)段的平均氣溫是11.8℃。其中哦1～2月份的氣溫是最低的，1月份的平均氣溫是-4.9℃，極端的最低氣溫是-26.7℃。7月份的氣溫是最高的，月平均氣溫是24.9℃，極端的最高氣溫是42.1℃。根據(jù)徐水氣象站的多年實測的資料顯示發(fā)現(xiàn)，在冬季，地面的凍結(jié)深度最大是0.70m，地面的最早的穩(wěn)定凍結(jié)日期是11月21日，最晚的穩(wěn)定凍結(jié)日期是12月29日；開始解凍的最早日期是1月18日，開始解凍的最晚日期是為3月8日。工程區(qū)的凍土類型是屬于季節(jié)性的凍土。

（1）因此較強(qiáng)的抗?jié)B性能、較好的抗凍性能、較高的耐久性的特點是該工程混凝土應(yīng)具備的，聚羧酸的高性能減水劑應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮作為主要的外加劑來使用。聚羧酸的高性能減水劑經(jīng)過了實踐的應(yīng)用，可以確保混凝土在拆模后其外觀質(zhì)量不僅光潔平滑、色澤比較均勻而且尺寸比較平整，甚至可以說幾乎是達(dá)到了清水混凝土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

（2）天津干線工程的保定市1段TJ2-1即南水北調(diào)的中線一期工程標(biāo)段在使用了主體結(jié)構(gòu)混凝土后表明，混凝土符合了各項技術(shù)指標(biāo)很大程度上得益于聚羧酸的高性能減水劑的使用，并且摻量較低而減水率較高，較好的增強(qiáng)了使用效果和適應(yīng)性能，施工也非常方便，節(jié)約了成本獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益；總體的堿的含量、氯離子的含量和硫酸鈉的含量都較低，這樣就不會銹蝕鋼筋而且是無毒無害的綠色環(huán)保產(chǎn)品，滿足了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。因此，聚羧酸的高性能減水劑是工程配制混凝土極其的理想材料，可以在鐵路、公路、水利水電、工業(yè)和民用建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

作者簡介：劉志森（1983-），男，河北冀州人，工學(xué)學(xué)士，研究方向：橋梁工程。