HLC-PCE 早強型聚羧酸系減水劑降黏效果評價及工程應用

溫金保，劉興榮，杜志芹，唐修生

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.南京瑞迪高新技術有限公司，江蘇 南京 210024；3.水利部水工新材料工程技術研究中心，江蘇 南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司安徽省院士工作站，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

混凝土預制構件是混凝土與水泥制品重要的發展方向之一，國家“十二五”“十三五”規劃指出要大力發展混凝土預制構件。由于普通混凝土預制構件存在斷面尺寸大、跨度小、自重大、早期強度低等問題，預制構件混凝土的高強化必將是未來預制構件的發展趨勢[1]。因此，高強混凝土的研究意義重大，且已成為水泥基復合材料發展的重要方向之一[2-3]。高強混凝土通常采用高膠凝材料用量、低單位用水量、低水膠比的方式進行配制，導致混凝土內部顆粒之間的接觸更加緊密，且由于單位體積內的水減少，從而急劇降低了各個顆粒之間水膜層的厚度，加大了內部固體之間的摩擦力，這一切勢必引起混凝土黏度急劇上升[4]。目前，降低高強度混凝土黏度的方式主要在施工過程中加入引氣劑、加大減水劑摻量和優化膠凝材料級配來實現[5]。對于加入引氣劑勢必會降低混凝土容重，對混凝土力學性能、耐久性能產生不利影響，對于加大減水劑摻量來降低高強混凝土黏度的方式，不僅會增加用料成本，而且還會造成過分緩凝的問題，導致泌水等問題出現，給施工增加了難度[6]。對于優化膠凝材料級配來降低高強混凝土黏度，雖然在此方面已經有較多的研究，但是存在較大的局限性，新拌混凝土的和易性最主要的是依靠減水劑的作用，優化膠凝材料級配的方法不能解決根本問題[7]。因此，為了降低混凝土黏度，提高其流動性，通過加入具有降黏功能的聚羧酸減水劑可以解決這一問題。可見，研究開發具有降黏功能的早強型聚羧酸減水劑并對其改善預制構件高強混凝土的黏性進行評價分析具有重要意義。

1 試驗

1.1 原材料

（1）復配外加劑功能組分

高減水早強型聚羧酸系減水劑母液：固含量為40%，南京瑞迪高新技術有限公司；早強組分A：主要組分為有機醇胺，市售工業品，淡黃色液體，有效成分含量為不小于92%；早強組分B：主要組分為硫氰酸鹽，市售工業品，白色晶體，易溶于水；消泡組分：主要組分為改性硅聚醚，東邦化學（上海）有限公司提供；降黏組分：主要組分為水溶性高分子聚合物，無色透明且具有一定黏性的液體，有效成分的含量為1%，自制。

（2）試驗材料

水泥：小野田P·Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥；礦粉（SL）：南京梅寶S95 級；粉煤灰（FA）：鎮江諫壁Ⅱ級灰；砂（S）：細度模數2.5，江西贛江；碎石（G）：安徽5～31.5 mm 連續級配的石灰巖，其中減水劑混凝土性能測試用碎石可通過篩分獲得5～10 mm和10～20 mm 兩種級配。外加劑產品：對比樣1，國外知名品牌早強型聚羧酸系高性能減水劑；對比樣2，國內某公司生產的早強型聚羧酸系高性能減水劑。2種對比樣的勻質性見表1。

1.2 HLC-PCE 早強型聚羧酸系減水劑的制備

將高減水早強型聚羧酸系母液、復合早強功能組分、消泡組分及降黏組分按m（早強型聚羧酸系減水劑母液）∶m（早強組分A）∶m（早強組分B）∶m（消泡組分）∶m（降黏組分）∶m（水）=40∶3∶9∶0.1∶10∶37.9 進行功能性物理復配，制備出高強混凝土預制構件用早強型聚羧酸系減水劑HLC-PCE。其勻質性測試結果見表1。

表1 早強型聚羧酸系減水劑的勻質性測試結果

1.3 性能測試方法

（1）凈漿、砂漿流動度：按照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行測試。

（2）凈漿Marsh 試驗：將制備好的凈漿漿體倒入Marsh 筒至200 mL 刻度處，用秒表記錄200 mL 漿體排空的時間即為Marsh 時間。

（3）混凝土坍落度和擴展度：參照GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試。

（4）凈漿及砂漿流變性：分別采用博勒飛RST-CC 同軸圓柱流變儀和RST-SST 槳式流變儀進行測試。凈漿流變試驗剪切速率設置為0～100 s-1，剪切時間為120 s，取60 個點；砂漿流變試驗剪切速率設置為0～45 s-1，剪切時間為120 s，取60個點；塑性黏度由Bingham 流變模型擬合求得。

（5）混凝土T500時間：參照JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》進行測試；混凝土倒坍落度排空時間：將坍落度筒倒置，將混凝土一次性裝入坍落度筒并掛平，將坍落度筒平穩提起，用秒表記錄坍落度筒內混凝土排空的時間即為倒坍落度排空時間。

（6）減水劑的混凝土應用性能：依據GB 8076—2008《混凝土外加劑》進行測試；混凝土抗壓強度：參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。

2 結果與討論

2.1 水泥基凈漿性能

2.1.1 Marsh 時間

凈漿膠凝材料由水泥、粉煤灰及礦粉組成，礦粉和粉煤灰在膠凝材料中的質量百分比均為15%，水膠比為0.32，分別對HLC-PCE（摻量分別為0.30%、0.35%、0.40%、0.45%）、對比樣1（摻量分別為0.21%、0.23%、0.25%、0.28%）及對比樣2（摻量分別為0.32%、0.36%、0.41%、0.47%）進行Marsh 時間測試，減水劑摻量由相應的流動度控制，結果見圖1。

圖1 摻不同聚羧酸系減水劑的凈漿Marsh 時間與流動度的關系

由圖1 可知，摻3種早強型聚羧酸系減水劑的Marsh 時間均隨凈漿流動度的增大而縮短。當凈漿流動度的凈漿Marsh 時間由180 mm 增大到240 mm 時，摻對比樣1、2 及HLC-PCE 分別縮短了52.1%、69.0%及52.4%，且在低流動度時縮短的幅度更為明顯，在高流動度時縮短的幅度則較為平緩；同時，在凈漿流動度相同時，摻HLC-PCE 的凈漿Marsh 時間均為最短，即流速最快，當凈漿流動度分別為180、200、220、240 mm 時，摻HLC-PCE 的凈漿Marsh 時間與對比樣2相比，分別可縮短36.7%、48.3%、19.1%、2.8%。

2.1.2 塑性黏度

少數民族傳統體育旅游是社會文明進步的標志，受到有關國家旅游部門的重視，少數民族體育旅游以其獨特的風采進入旅游市場。我國許多少數民族地區的各級政府和旅游部門對少數民族傳統體育旅游資源給予了充分的重視，一方面，注意保護、開發和利用少數民族傳統體育旅游資源，另一方面，投入大量資金，廣泛開展少數民族體育旅游活動，發展少數民族傳統體育旅游業[1]。但我國民族體育旅游的總體規模仍然偏小，許多少數民族地區在開發民族體育旅游時，只把它作為民族風情旅游的補充或其中的一個組成部分，還沒有把它作為一個獨立的旅游項目或旅游產業來抓，以至使民族體育旅游業的規模仍然較小，在整個旅游業中還處于從屬地位[2]。

圖2 為在不同凈漿流動度下摻早強型聚羧酸系減水劑的塑性黏度測試結果，凈漿塑性黏度試驗使用與Marsh 時間測試所使用凈漿配比相同。

圖2 摻不同早強型聚羧酸系減水劑凈漿塑性黏度與流動度的關系

由圖2 可知，摻3種不同早強型聚羧酸系減水劑的凈漿塑性黏度均隨凈漿流動度的增大而減小，摻對比樣1、2 和HLC-PCE 最大分別減小了24.7%、28.6%及31.0%。凈漿流動度為180 mm 時，摻對比樣1 的塑性黏度最小；流動度為200 mm 和220 mm 時，塑性黏度最小均為摻HLC-PCE 的；流動度為240 mm 時，摻HLC-PCE 與對比樣2 的相當且最小；且摻HLC-PCE 的凈漿塑性黏度相對對比樣最大可減小24.9%。可見，整體上摻HLC-PCE 的凈漿塑性黏度相對較低，這與凈漿的Marsh 時間測試結果較為一致。

2.2 砂漿塑性黏度

圖3 為在不同砂漿流動度下摻不同早強型聚羧酸系減水劑的塑性黏度測試結果，其中砂漿塑性黏度試驗用膠凝材料組成為：水泥70%、粉煤灰15%、礦粉15%，水膠比為0.32，膠砂比為400∶707，減水劑摻量由相應的流動度控制，HLC-PCE摻量分別為0.63%、0.70%、0.73%及0.75%，對比樣1 的摻量分別為0.45%、0.48%、0.52%及0.55%，對比樣2 的摻量分別為0.75%、0.80%、0.84%及0.88%。

由圖3 可知：（1）在減水劑種類不變時，砂漿的塑性黏度隨流動度的增大而減小；（2）對于分別摻3種不同減水劑的砂漿，在砂漿流動度分別為180、200、220、240 mm 時，摻HLC-PCE 的砂漿塑性黏度均最小，與對比樣2 相比減小幅度分別為23.7%、15.2%、16.0%、21.8%。可見，相對對比樣1、2，摻HLC-PCE 的砂漿塑性黏度相對較小。

圖3 摻不同早強型聚羧酸系減水劑砂漿塑性黏度與流動度的關系

2.3 混凝土試驗

2.3.1 HLC-PCE 早強型聚羧酸系減水劑的混凝土應用性能

HLC-PCE 的混凝土應用性能依據GB 8076—2008 進行測試，不同HLC-PCE 摻量下的混凝土性能測試結果見表2。

表2 HLC-PCE 摻量對混凝土性能的影響

由表2 可知：（1）HLC-PCE 在低摻量（0.5%）下依然具有較高的減水率，達29.0%，且減水率隨摻量的增加而增大；但摻量大于0.8%時，減水率增加有限，可見，摻量為0.8%時已經接近HLC-PCE 減水性能的飽和點。（2）混凝土含氣量隨HLC-PCE 摻量的增加在2.7%～3.5%范圍內波動。（3）雖然因采用小野田P·Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥導致基準混凝土相應齡期抗壓強度明顯偏高，但該減水劑1 d 和3 d 最高抗壓強度比依然分別高達262%和239%，可見，該減水劑具有顯著的早強及增強效果。

2.3.2 混凝土T500及倒坍落度排空時間

混凝土總膠材用量為400 kg/m3，FA 與SL 在膠凝材料中的質量百分比均為15%，水膠比為0.375，砂率為38%，試驗混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（礦粉）∶：m（砂）∶m（石）∶m（水）=280∶60∶60∶707∶1158∶150，HLC-PCE 摻量為1.0%，對比樣1、2 摻量均為0.9%。混凝土T500及倒坍落度排空時間測試結果見表3。

表3 摻早強型聚羧酸系減水劑混凝土的T500 及倒坍落度排空時間

由表3 可知，摻3種不同早強型聚羧酸系減水劑的混凝土初始坍落度與擴展度均相近，且1 d 與3 d 抗壓強度均相當；但摻HLC-PCE 的混凝土T500時間與對比樣2 相當，比對比樣1 要短；倒坍落度排空時間比摻對比樣1 與對比樣2 均要短；相對對比樣1，摻HLC-PCE 的混凝土T500時間縮短了19.8%，倒坍落度排空時間縮短了34.5%。由此可見，摻HLCPCE 的混凝土在坍落度與擴展度相當的前提下，具有更好的和易性和優異的降黏性能。

3 減水劑HLC-PCE 的工程應用

3.1 在免蒸壓預制混凝土大管樁中的應用

寧波航通預制構件工程有限公司在大管樁混凝土生產中采用了HLC-PCE 早強型聚羧酸系減水劑。該大管樁外徑1200 mm，壁厚150 mm，單位長度質量約1.286 t/m，單節長度為7～30 m 不等，采用的混凝土強度等級為C80，膠凝材料為純水泥（寧波三獅P·O52.5 水泥），單方用量為500 kg/m3，水灰比為0.24，砂率為41%，減水劑摻量為水泥質量的1.0%。由于混凝土呈“一高兩低”，即高膠凝材料用量、低水膠比、低用水量，因此，該混凝土摻普通型聚羧酸系減水劑時易出現混凝土過黏、早期強度偏低等問題，而采用早強型聚羧酸系減水劑HLC-PCE很好地解決了上述問題。該混凝土試件采取標準養護，混凝土性能測試結果見表4。

表4 摻HLC-PCE的C80 大管樁混凝土性能測試結果

由表4 可見，相對普通型聚羧酸系減水劑而言，摻HLCPCE 混凝土可明顯改善混凝土的坍落度保持性與降黏效果，坍落度損失率減小了81.1%，倒坍落度排空時間縮短了45.8%，同時早強效果明顯，在28 d 抗壓強度相當的情況下1 d 抗壓強度提高了18.4%。

3.2 在預制混凝土管片中的應用

圖4 為早強型聚羧酸系減水劑HLC-PCE 在南京某軌道交通工程有限公司預制管片混凝土生產中的應用情況。

圖4 摻早強型聚羧酸系減水劑HLC-PCE 的預制混凝土管片

該預制管片混凝土的強度等級為C50，水泥采用小野田P·Ⅱ52.5 水泥，用量為286 kg/m3，粉煤灰為華能電廠Ⅰ級灰，用量為71 kg/m3，礦粉為南京梅寶S95 級，用量為51 kg/m3，水膠比為0.32，砂率為40%。該混凝土膠凝材料用量為428 kg/m3，水膠比相對較低，為0.32，坍落度小（50～70 mm），上述混凝土參數在摻普通型聚羧酸系減水劑時易出現混凝土黏、下料難、坍落度難以控制的問題，即觸變性不大。該預制管片混凝土的養護制度為：混凝土澆筑后在室溫（30～35 ℃）下靜養120 min，然后升溫120 min 至40～45 ℃，降溫時間為60 min，達到脫模強度后進行脫模，并將構件置于水中養護7 d 后，再自然養護至28 d 出廠。現場采用摻HLC-PCE 制備的預制管片混凝土和易性好、下料速度快、初始坍落度為60 mm 且坍落度放置長時間后也不再下坍、初凝時間為120 min，標準養護下試件1、3、28 d 抗壓強度分別為39.8、51.0、65.2 MPa，硬化混凝土表面氣孔少且孔徑小。

4 結論

（1）與同類產品相比，摻早強型聚羧酸系高性能減水劑HLC-PCE 的水泥凈漿具有較短的Marsh 時間，Marsh 時間最大可縮短48.3%；較小的凈漿、砂漿塑性黏度，凈漿塑性黏度最大可減小24.9%。

（2）與對比樣相比較，摻HLC-PCE 的水泥砂漿在不同流動度下均具有最低的塑性黏度，且塑性黏度與對比樣相比最大可減小31.9%。

（3）摻HLC-PCE 的混凝土具有較小的T500值及較短的混凝土倒坍落度排空時間，其中混凝土倒坍落度排空時間相對對比樣最大可縮短34.5%。

（4）綜上可見，相對于上述樣品而言，HLC-PCE 具有優異的降黏性能。