聚羧酸系減水劑在預拌混凝土中的應用

王驍敏，陸繼光，謝雯, 郭執寶

（1.上海市建筑科學研究院，上海 200032；2.上海華聯建筑外加劑廠有限公司，上海 200131）

近年來，中國的建設規模越來越大，各種重點、重大基礎設施，超高層建筑，高速鐵路，高速公路，地鐵車站，核電站等工程，對混凝土的施工性能和綜合性能要求越來越高，傳統的木質素磺酸鹽、萘系、蒽系等減水劑由于本身性能的局限性已不能滿足現代工程的需要。況且當今世界，綠色環保是國際化的一個大趨勢，綠色混凝土作為新型的建筑材料，也受到越來越多的關注，聚羧酸系減水劑是一種“環保、節能、降耗”新理念的高性能減水劑，其生產過程無廢棄物，對周邊環境無危害，其出色的施工和易性、良好的強度發展和優異的耐久性等性能是配制綠色環保混凝土的首選外加劑。

從國外聚羧酸系減水劑的發展來看，聚羧酸系減水劑已經是國外高效減水劑的主要品種。在日本和韓國，聚羧酸系減水劑的使用率高達90%左右，在美國也達60%～70%。在預拌混凝土中，低強度等級采用木質素磺酸鹽減水劑來做，其他強度等級全部采用聚羧酸系減水劑或木質素磺酸鹽與聚羧酸系減水劑復合的產品，做到了既環保又節能。在國內，聚羧酸系減水劑主要應用在如高鐵、橋梁等國家重點工程中。而在我國巨大的預拌混凝土市場(2009年我國預拌混凝土產量約70000萬m3，上海市產量6000萬m3) 中，萘系減水劑占據預拌混凝土減水劑市場的絕大部分，聚羧酸系減水劑的使用率很低。因此, 如何使聚羧酸系減水劑廣泛應用在各種強度等級的預拌混凝土中,是我國混凝土外加劑行業迫切研究的課題。

1 上海預拌混凝土中的應用概況

2000年上海市建筑科學研究院率先在國內研制成功聚羧酸系減水劑，投入工業化生產，并開始在上海磁懸浮軌道、東海大橋等工程中應用。2002年～2005年，聚羧酸系減水劑開始在國家重點工程中集中應用，如杭州灣大橋，南水北調中線總干渠漕河渡槽段工程等；其后，隨著國家高速鐵路網的興建，聚羧酸系減水劑產品廣泛應用在如京滬高鐵、武廣客運專線、合武高鐵、各個省際高鐵等工程中；2006年以來，聚羧酸系減水劑開始在預拌混凝土中大量應用，隨之，聚羧酸系減水劑在預拌混凝土中應用技術的研究與開發也迅猛發展。

通過在預拌混凝土中的試驗和應用實踐，上海有一些攪拌站已在混凝土強度等級高于C35(含等級不低于C30 的水下灌注樁)的預拌混凝土工程中，全部采用聚羧酸系減水劑取代萘系等減水劑，其應用不但提高了混凝土性能，還降低了混凝土的綜合成本。在強度等級低于C35的預拌混凝土中，可采用聚羧酸系減水劑或改性的聚羧酸系減水劑取代傳統減水劑。在上海已有不少中、低強度等級預拌混凝土中應用聚羧酸系減水劑的工程。

近幾年來，上海市由攪拌站供應預拌混凝土中使用聚羧酸系減水劑的工程實例主要有：

（1）標志性建筑，如上海環球金融中心（高492m，101層，2008年竣工），全部采用聚羧酸高性能減水劑，在第三層28000m3基礎混凝土施工中，40小時一次性連續澆注，由8個預拌混凝土站、19部混凝土泵、350輛攪拌車同時供應；上海中心大廈（高632m，127層），采用聚羧酸高性能減水劑配制C100的混凝土。

（2）市政、港口等基礎設施，如滬崇蘇越江通道（總長25.497公里），洋山國際深水港，上海浦東機場二期等。

（3）上海軌道交通工程，上海將新建10條城市快速軌道交通線路（總長389公里），在發布的《上海地鐵車站結構混凝土的配制要求和混凝土結構耐久性設計與施工指南》中，規定了分布在上海各處的預拌混凝土公司為軌道交通工程—地下車站、盾構管片、高架輕軌等工程提供的預拌混凝土均須采用聚羧酸系減水劑。

（4）工業、民用與公共建筑，聚羧酸系減水劑在預拌混凝土中的應用取得了攪拌站和施工單位的認可，如上海世博會中國館，上海世紀花園秋菊坊，鴻益千秋三期等工程，這些工程的混凝土施工質量良好，深得客戶的好評。

2 在預拌混凝土中應用的技術難點與對策

聚羧酸系減水劑理論上可以廣泛應用在各種強度要求的預拌混凝土中，但想要取代傳統減水劑還存在一些有待解決的技術難點。

2.1 混凝土保坍性

由于國內的水泥品種比較復雜，加上混凝土砂、石料、礦物摻合料等受市場資源影響具有不確定的因素，我國預拌混凝土性能波動性很大，混凝土的保坍性能這一方面尤其明顯，萘系等傳統減水劑通過復合、改性途徑，已摸索出一些由材料波動影響混凝土坍落度保留值的改進措施，而聚羧酸系減水劑是新型的外加劑，盡管在保坍性方面優于傳統減水劑，但同樣存在著對水泥等各種材料的適應性摸索進而適應性階段。

解決由混凝土材料波動大引起的的保坍性這一難題的對策主要有：

(1)可通過聚羧酸系減水劑生產工藝方面的改進，如采用優質的原料，更合理的分子結構設計、嫁接合成等工藝來制備出滿足要求的水泥等材料適應性廣、摻量低而坍損小的的聚羧酸系減水劑品種。

(2)不同聚羧酸母料混合

現在市場上的聚羧酸系高性能減水劑種類繁多，每一類母料的具體性能不同，有的在減水率方面，有的在凝結時間方面，有的在保坍性能方面，有選擇的將兩種或兩種以上的聚羧酸系減水劑復合，使之優缺點相互互補，可得到性能較全面的聚羧酸系減水劑。在保坍性能方面也這樣，如下表1為兩種聚羧酸系減水劑復合后的性能對比：

從表1看出，隨著水泥比表面積（m2/kg）的增大，單一聚羧酸減水劑A的坍損逐漸增大，復合聚羧酸減水劑B后的AB產品，坍損可明顯減小。

(3)添加聚羧酸型保坍劑

隨著聚羧酸系減水劑的大量應用，專門用于聚羧酸系減水劑的聚羧酸型保坍劑也開發出來，此類保坍劑對有些水泥應用效果尚可，但價格昂貴。如表2為添加聚羧酸型保坍劑后的混凝土性能表現。

從表2中數據看出，不添加保坍劑，1h坍損為130mm，添加2.0%(以減水劑質量計)保坍劑后，1h坍損為35mm，2h坍損為130mm；添加8.0%(以減水劑質量計)保坍劑后，1 h坍損為15mm，2h坍損為25mm，保坍性能得到大大提高，并且添加保坍劑第2、3組的抗壓強度均得到了提高。

(4)添加非聚羧酸型保坍劑(改良劑)

萘系減水劑外加劑廠常用的保坍劑—葡萄糖酸鈉，應用在聚羧酸系減水劑中，除在有限的幾個水泥品種中有些效果外，在許多水泥中其保坍性能并沒有很大的提高，因此必須添加特種的非聚羧酸型改良劑，如上海華聯建筑外加劑廠有限公司研發的TK-502改良劑等，經大量試驗研究得出：此類的改良劑效果已能夠滿足一般工程中的需要。試驗數據如表3所示。

從表3中數據看出，不同的水泥，聚羧酸減水劑的適應性不同，在聯合P.O42.5水泥中，不添加任何保坍劑，混凝土的保坍性能非常好，在海門海螺水泥中，添加常規的改良劑葡萄糖酸鈉，效果不明顯，添加特種的非聚羧酸型保坍劑（改良劑）后，初始坍落度變大且1 h坍損為30mm，完全可以滿足一般性施工需求。

2.2 在中、低強度等級混凝土中的適用性

從這幾年上海市混凝土強度等級的分布情況來看，C35以上的混凝土只占30%多，C30及 C30以下的中、低強度等級混凝土，約占65%多。聚羧酸系減水劑在中、低強度等級預拌混凝土中得以應用，可分為以下2種情況：

(1)調節混凝土級配、直接使用聚羧酸系減水劑

在中、低強度等級預拌混凝土中直接使用時，應注意到聚羧酸系減水劑高減水率的特點，應用時需調節混凝土配合比，即使降低了聚羧酸系減水劑摻量，也可得到比萘系減水劑更高的減水率。減水率提高，混凝土中用水量可減少，根據水膠比的關系，配合比中的水泥用量理論上可大大減少，但混凝土總漿量太少，影響混凝土的工作和易性，因此直接使用聚羧酸系減水劑時，應調節混凝土配合比,適當調整粉煤灰等礦物摻合料摻量和砂率大小，控制漿體總量，可得到流動性和強度較好的混凝土。表4為江都市錢江混凝土制品有限公司在中、低強度等級混凝土中應用聚羧酸系減水劑與萘系減水劑的對比情況：

表1 兩種聚羧酸高效減水劑復合效果

表2 添加聚羧酸型保坍劑效果（試驗水泥：海門海螺P.O52.5水泥）

表3 添加非聚羧酸型改良劑效果（試驗水泥：聯合P.O42.5水泥，海門海螺P.O42.5水泥）

表4 聚羧酸系減水劑與萘系減水劑的對比試驗（試驗水泥：銅陵海螺P.O42.5水泥）

表5 實驗室聚羧酸系中效減水劑試驗(C30,試驗水泥：編號1、2為聯合P.O42.5，編號3、4為海門海螺P.O42.5)

表6 攪拌站聚羧酸中效減水劑試驗（C25、C30常規配比,編號1-4為海螺水泥，編號5-8為金峰水泥）

從表4中數據來看，在中、低標號混凝土中應用聚羧酸系減水劑，與萘系減水劑相比，其原來配合比中的水泥用量可大大減少，同時增加粉煤灰的用量，使混凝土中漿體總量基本不變，混凝土的工作性能可大大提高，并且其后期抗壓強度均比用萘系減水劑的高，現在聚羧酸系減水劑經過長時間的技術開發和應用，價格越來越低，綜合考慮和計算，混凝土成本不僅不會提高，還有可能大大降低，體現出應用聚羧酸系減水劑良好的經濟效益前景。

(2)合成或復配成中效減水劑

在中、低強度等級混凝土中直接使用聚羧酸系減水劑時，對于有些水泥, 可把摻量調低來滿足其對最低減水率的要求，但混凝土保坍性不能滿足要求。因此，必須另行合成適應中、低強度等級混凝土(滿足保坍性外，使用價格較低)的聚羧酸中效減水劑，或者將聚羧酸系減水劑復配成中效型外加劑。上海華聯建筑外加劑廠有限公司根據現在的市場需求，已成功開發了HL-II(J)型聚羧酸系中效減水劑，在實驗室中與萘系中效HL-II相比數據如表5所示。

在上海市幾家攪拌站也進行了初步的與常規萘系的對比試驗，試驗結果如表6所示。

從實驗室表5及攪拌站表6的數據可以看出，聚羧酸系中效減水劑HL-II(J)比萘系中效減水劑無論在工作性能，坍落度保持還是后期抗壓強度方面，都有著較大的優勢。在聚羧酸系中效外加劑開發方面，幾家外資企業也有不同的產品，如西卡ViscoCrete1245系列聚羧酸系改性減水劑，格雷斯公司(Grace)聚羧酸中效減水劑MIRA-P80，已在工程中大量應用。

3 結束語

（1）聚羧酸系減水劑具有“環保、節能、降耗”的優勢，是綠色混凝土的首選外加劑，但在我國巨大的預拌混凝土市場中使用率很低，萘系減水劑仍占據此減水劑市場的絕大部分，如何使聚羧酸減水劑更加廣泛地應用在各種強度等級的預拌混凝土中,是我國混凝土外加劑行業值得研究的課題。

（2）預拌混凝土具有材料波動性大及中、低強度等級混凝土比例大的特點，在應用聚羧酸系減水劑時，保證混凝土保坍性的方法主要可從分子結構設計、合成工藝等方面進行改進，制備出對水泥等材料適應廣的減水劑，除此之外，可用不同母料復合、摻保坍劑、改良劑等幾個方法解決保坍性問題。

（3）預拌混凝土中可直接使用聚羧酸系減水劑或復配成中效外加劑，降低使用摻量或復配成價格低廉的中效聚羧酸系外加劑是拓寬聚羧酸系減水劑在中、低強度等級混凝土中應用的途徑。

（4）隨著聚羧酸系減水劑在預拌混凝土中應用技術的進一步發展和完善，聚羧酸系減水劑優良性能逐漸被設計、施工和管理部門認可，在其工程技術要求或行業規范中如被采納，這種綠色環保的外加劑必將在我國預拌混凝土巨大市場中得到更加廣泛的應用。