聚羧酸系高性能減水劑在不同工程類型中的應(yīng)用

段遵莉，張振興，薛艷

(1.北京東方建宇混凝土科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 101119；2.北京新奧混凝土有限公司，北京 100176)

1 前言

隨著混凝土高性能化的發(fā)展，特別是今后混凝土不僅僅是高性能化，而且必然向著綠色、低碳的，與環(huán)境和諧相處的可持續(xù)發(fā)展方向發(fā)展。我國聚羧酸系高性能減水劑的廣泛應(yīng)用，正是符合混凝土這一發(fā)展趨勢。目前聚羧酸系高性能減水劑的應(yīng)用也從以往的重點(diǎn)工程、大型工程、特殊工程逐漸發(fā)展到普通工民建工程中。一方面因?yàn)榫埕人嵯蹈咝阅軠p水劑合成技術(shù)與復(fù)配技術(shù)得到一定提高，與緩凝組分、消泡組分、引氣組分、防凍組分等復(fù)配后，基本滿足了生產(chǎn)各種混凝土的技術(shù)要求；另一方面聚羧酸系高性能減水劑合成成本和復(fù)配成本也有大幅度降低，經(jīng)過混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)后，混凝土生產(chǎn)成本也大大下降，混凝土性能還有一定提升。盡管聚羧酸系高性能減水劑的應(yīng)用還沒有像萘系高效減水劑應(yīng)用那么成熟，目前還不可能完全取代萘系高效減水劑，但能使混凝土較易實(shí)現(xiàn)低碳化、高性能化的顯著特點(diǎn)，讓其逐漸成為外加劑行業(yè)發(fā)展的主角。

聚羧酸系高性能減水劑的使用過程也遇到了與使用萘系高效減水劑相同的許多問題，常見的有坍落度損失快（無論是高溫的夏節(jié)，還是低溫的冬季）、外觀質(zhì)量（如氣泡等）差、工作性能（泵送性、流動(dòng)性等）差等。一方面因?yàn)楦髌放频木埕人嵯蹈咝阅軠p水劑的質(zhì)量差異較大，另一方面因?yàn)榄h(huán)境條件、混凝土技術(shù)要求、其它原材料的質(zhì)量、混凝土配合比設(shè)計(jì)以及施工工藝等也存在較大差異。因此使用聚羧酸系高性能減水劑與使用萘系高效減水劑一樣，也需要根據(jù)環(huán)境條件、原材料、配合比、混凝土技術(shù)要求、施工工藝等進(jìn)行不斷調(diào)整，系統(tǒng)解決出現(xiàn)的問題。

針對(duì)不同的環(huán)境條件、不同的原材料、不同的技術(shù)要求和不同的施工工藝等，設(shè)計(jì)合理的滿足性能要求的混凝土配合比是至關(guān)重要的。在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，合適的聚羧酸系高性能減水劑則可以更好地實(shí)現(xiàn)混凝土低碳化和高性能化。

2 混凝土低碳化和高性能化的配合比設(shè)計(jì)理念

混凝土低碳化和高性能化的配合比設(shè)計(jì)理念是以性能設(shè)計(jì)為目標(biāo)，強(qiáng)度只作為設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。針對(duì)不同的環(huán)境條件、不同的原材料，優(yōu)先選用聚羧酸系高性能減水劑和優(yōu)質(zhì)礦物摻合料，實(shí)現(xiàn)混凝土低碳化和高性能化，成就混凝土的綠色發(fā)展道路。

目前各類工程中常見的混凝土有耐久性能、工作性能、力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能、低碳性能等性能要求，混凝土以性能設(shè)計(jì)為目標(biāo)能很好實(shí)現(xiàn)這些性能要求。混凝土的耐久性性能設(shè)計(jì)則包含體積穩(wěn)定性、抗氯離子滲透性、抗凍性、抗堿-骨料反應(yīng)、抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕等性能的設(shè)計(jì)；混凝土的工作性能設(shè)計(jì)包含稠度、保塑性、易修飾性、充填性、可泵性（如遠(yuǎn)距離水平、垂直泵送性能）、穩(wěn)定性（抗泌水性與抗離析性）等性能的設(shè)計(jì)；混凝土的力學(xué)性能設(shè)計(jì)包含軸心抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等性能的設(shè)計(jì)；混凝土的低碳性能設(shè)計(jì)包含低水泥性、廢渣高摻量利用、便于施工性能、使用年限等性能的設(shè)計(jì)。

混凝土性能的要求幾乎不可能是單一的要求，大都是同時(shí)有多種性能的要求，在這些性能的要求下，進(jìn)行多種性能的最優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)。

混凝土低碳化、高性能化最優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)要從降低單方用水量、降低水膠比、采用聚羧酸系高性能減水劑和提高礦物摻合料的摻量等多角度全面考慮，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)，對(duì)相應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證。

3 京滬高鐵工程的應(yīng)用

3.1 工程概況

京滬高鐵土建六標(biāo)段四工區(qū)，橋址位于蘇州市相城區(qū)，起止里程為DK1222＋019.31～DK1233＋447.95，全長11.429km。包括丹陽至昆山特大橋蘇州西橋段、蘇州高速站橋段和陽澄湖橋段三個(gè)單位工程。沿線主要跨越魚塘、園藝、公路、河、湖等，并有多條鄉(xiāng)村道路與線路斜交。橋梁樁基礎(chǔ)均為摩擦樁，樁基直徑主要有φ1.0m，φ1.25m，φ1.5m，φ1.8m，最長樁基96m；承臺(tái)高度最小2m，最高達(dá)5.5m，墩身主要有矩形空心墩、圓端形空心墩、矩形實(shí)體墩、圓端形實(shí)體墩、雙柱實(shí)體墩和花瓶墩，墩高最高16.5m，特殊結(jié)構(gòu)梁主要采用懸臂澆筑和支架現(xiàn)澆兩種，橋面附屬結(jié)構(gòu)主要包括防護(hù)墻、豎墻和遮板，底座板采用原位現(xiàn)澆，軌道板采用CRTS Ⅱ型軌道板。

3.2 技術(shù)要求及生產(chǎn)用配合比

蘇州地區(qū)位于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖潮濕多雨，夏季氣溫較高，冬季也多在0℃以上，沒有涉及冬季施工問題。京滬高速鐵路土建工程對(duì)混凝土的各性能有相對(duì)較高的要求，混凝土的配合比設(shè)計(jì)以強(qiáng)度為基礎(chǔ)，以耐久性能、工作性能和低碳化性能為目標(biāo)進(jìn)行。該段京滬高速鐵路土建工程各部位的混凝土技術(shù)要求見表1，各部位施工過程中使用的混凝土配合比（外加劑均為聚羧酸系高性能減水劑）見表2和表3。

表1 各部位混凝土技術(shù)要求

3.3 工程應(yīng)用情況

京滬高鐵土建六標(biāo)段四工區(qū)混凝土根據(jù)蘇州的環(huán)境條件、原材料、性能要求和施工技術(shù)要求進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。混凝土配合比設(shè)計(jì)均采用聚羧酸系高性能減水劑，選用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰和礦渣，摻量大都在40%以上，單方用水量較低，除樁基外的工程部位的混凝土水膠比均低于0.4。混凝土在施工過程中基本滿足技術(shù)和施工的要求，但遇到了混凝土流動(dòng)性差，損失較快（特別是夏季高溫天氣）、混凝土骨料級(jí)配差等現(xiàn)象。聚羧酸系高性能減水劑也遇到了質(zhì)量不穩(wěn)定；減水率不夠；適應(yīng)性不好，不僅僅是與水泥適應(yīng)性不好，與摻合料的適應(yīng)性也不好，粉料稍有波動(dòng)混凝土變化明顯等問題。通過對(duì)外加劑、原材料級(jí)配和混凝土配合比的不斷調(diào)整，混凝土耐久性能、工作性能和低碳性能指標(biāo)較好地滿足了混凝土技術(shù)和施工的要求。

4 北京冬季工民建工程中的應(yīng)用

4.1 北京冬季工民建工程的一般情況

北京冬季施工過程中，許多工程施工期緊張，工地大都對(duì)拆模時(shí)間提出苛刻的要求，因此要求混凝土凝結(jié)時(shí)間在18小時(shí)以內(nèi)，更有甚者提出混凝土12小時(shí)達(dá)到終凝時(shí)間。為了縮短混凝土凝結(jié)時(shí)間，預(yù)拌混凝土公司一般只能從水泥用量、入模溫度和外加劑上調(diào)整，也因此增加了成本，浪費(fèi)了大量的資源和能源。

工民建工程中大都使用的是中、低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，結(jié)構(gòu)主要是墻、柱、板類結(jié)構(gòu)，技術(shù)要求一般是混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能和工作性能，而經(jīng)濟(jì)上要求質(zhì)優(yōu)價(jià)廉。

4.2 北京冬季工民建工程的一般配合比

北京冬季寒冷干燥，多風(fēng)，日夜溫差大。冬季地面大氣溫度多在-10℃以上，偶爾會(huì)低于-15℃。

針對(duì)北京的環(huán)境條件和施工單位的要求，混凝土的配合比設(shè)計(jì)以力學(xué)性能、抗?jié)B性能、工作性能、經(jīng)濟(jì)性能為目標(biāo)。混凝土配合比設(shè)計(jì)主要考慮單摻和雙摻，外加劑考慮萘系高效減水劑和聚羧酸系高性能減水劑。萘系高效減水劑主要考慮早強(qiáng)組分，因考慮到混凝土工作性能的要求，發(fā)現(xiàn)其對(duì)凝結(jié)時(shí)間的調(diào)整有限。聚羧酸系高性能減水劑復(fù)配后降低了其濃度，在混凝土中的摻量與萘系高效減水劑差不多，在生產(chǎn)質(zhì)量控制中消除以往敏感的缺陷。

表2 各部位C30、C35混凝土配合比 kg/m3

表3 各部位 C50混凝土配合比 kg/m3

表4 C25-C60混凝土配合比 kg/m3

經(jīng)過大量試驗(yàn)和工程應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)地面大氣溫度在-10℃以上，采用聚羧酸系高性能減水劑防凍型，采用雙摻粉煤灰和礦渣的配合比，混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性能、工作性能、經(jīng)濟(jì)性能等均能很好的滿足混凝土技術(shù)和施工要求，一般常用的混凝土雙摻配合比見表4。

4.3 工程應(yīng)用情況

北京的工民建工程多為高層建筑，當(dāng)?shù)孛娲髿鉁囟仍?10℃時(shí)，幾十米的高空上，環(huán)境氣溫會(huì)更低，而混凝土經(jīng)過幾十米泵管泵送后，入模溫度也比較低，對(duì)混凝土凝結(jié)前不發(fā)生凍害的要求更為重要。目前經(jīng)驗(yàn)一般把地面大氣溫度在-10℃作為一個(gè)臨界點(diǎn)，采取不同的防凍害措施。

工程實(shí)踐表明在冬季施工過程中，相同的混凝土入模溫度，地面大氣溫度在-10℃以上，采用聚羧酸系高性能減水劑防凍型，采用雙摻粉煤灰和礦渣的配合比，混凝土早強(qiáng)效果較好，能明顯縮短混凝土凝結(jié)時(shí)間；地面大氣溫度在-10℃以上，采用萘系高效減水劑防凍型，采用雙摻粉煤灰和礦渣的配合比，混凝土早強(qiáng)效果相對(duì)差一些，凝結(jié)時(shí)間相對(duì)長一些；地面大氣溫度在-10℃以下冬季施工期間，不論是單摻還是雙摻的混凝土配合比，采用萘系高效減水劑防凍型比采用聚羧酸系高性能減水劑防凍型的混凝土抗防凍害性能好，即便是采用萘系高效減水劑防凍型，最好也相應(yīng)提高水泥用量。

一般工民建工程對(duì)模板、脫模劑的要求、施工工藝與市政橋梁工程、清水混凝土工程比，要求相對(duì)較低，工民建工程中采用聚羧酸系高性能減水劑比采用萘系高效減水劑的外觀質(zhì)量優(yōu)勢并不是很明顯。

5 結(jié)論與建議

（1）聚羧酸系高性能減水劑較高的減水率，可以輕易地降低混凝土的單方用水量，降低水膠比，減少水泥用量，提高摻合料的用量，實(shí)現(xiàn)混凝土低碳化和高性能化。

（2）聚羧酸高性能減水劑通過復(fù)配技術(shù)降低濃度，提高其在混凝土中的摻量，改變了以往其在混凝土應(yīng)用中對(duì)水、對(duì)配合比的敏感度，改善了水的用量、外加劑摻量對(duì)混凝土工作性能的敏感影響，便于混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制。

（3）在北方冬季施工中，混凝土工作性能保持一致的前提下，相同的配合比，采用聚羧酸高性能減水劑的混凝土初、終凝結(jié)時(shí)間一般早于采用萘系高效減水劑的混凝土，混凝土的早期強(qiáng)度也高于采用萘系高效減水劑的混凝土，能較好解決施工期緊張與混凝土質(zhì)量控制的矛盾。

（4）在北方深冬季節(jié)使用聚羧酸高性能減水劑，需注意溫度變化的使用條件。由于外加劑復(fù)配等方面的原因，目前防凍劑與聚羧酸系高性能減水劑、萘系高效減水劑復(fù)配效果相比，其防凍害性能比萘系高效減水劑防凍型差一些。

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

[2]吳中偉、廉慧珍．高性能混凝土[M]．北京：中國鐵道出版社，1999

[3]高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S]．CECS207:2006

[4]客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件