適用于中低強度等級混凝土聚羧酸系高性能減水劑的制備與應用研究

左彥峰，郭京育，薛慶

（中國建筑科學研究院，北京100013）

1 引言

自上世紀90年代初，聚羧酸系高性能減水劑（poly carboxylate superplasicizer，簡稱PC）首次發明以來，因其優異的性能以及可控分子結構而受到廣大研究人員和工程技術人員的廣泛關注。特別是在我國，國家和地方的基礎建設投資逐年擴大，外加劑的需求量隨之水漲船高，并且混凝土材料的耐久性問題已為人們所廣泛重視。聚羧酸系高性能減水劑以其高減水能力、低收縮、低堿含量、無氯離子等特征而成為生產高耐久性混凝土的不二選擇，尤以國家或地方的重點重大工程為最。

在本世紀最初的幾年內，生產用原材料多數為國外產品，價格一直居高不下，聚羧酸系高性能減水劑售價普遍偏高，該劑種主要用于C50及C50以上混凝土中。隨著原材料的國產化，聚羧酸系高性能減水劑的價格開始降低，但仍以中高強度等級混凝土為主。然而，我國用量最大的混凝土為C10～C40中低強度等級的混凝土，在中低強度等級混凝土普及使用聚羧酸系高性能減水劑是混凝土材料性能，特別是耐久性提高的一項重要舉措，也是聚羧酸系高性能減水劑替代萘系高效減水劑成為主流減水劑的重要步驟。

本文采用了一種新的合成方法制備了一種新型的聚羧酸系高性能減水劑，并對其性能進行了測定，同時采用該外加劑配制了C20～C50混凝土。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

合成用原材料：大單體1，羥基封端，分子量M=1200Da；大單體2，烷基封端，分子量M=1000Da,；不飽和酸；催化劑；不飽和單體。

混凝土與凈漿試驗用原料：琉璃河水泥P.O42.5；自來水；工業聚羧酸高性能減水劑（20%含固量，液體）；萘系減水劑，粉體；C20～C50混凝土用萘系減水劑，40%含固量，液體；測試用C50混凝土用一級粉煤灰；實際工程配合比用二級粉煤灰；磨細礦渣，比表面積為410m2/kg；砂，細度模數為2.8，二區中砂；石子為碎石，最大粒徑為20mm。

2.2 試驗方法

外加劑的合成：先加大單體（聚醚單體）和180g水，升溫至反應溫度，滴加不飽和酸、催化劑以及不飽和單體的混合溶液，滴加5h，保溫2h，降溫至60攝氏度以下，調pH=6～8，得到含固量為37.6%的聚羧酸系高性能減水劑。本試驗合成了三種減水劑，即PC1采用的大單體為大單體1，PC3為大單體2，PC15為二者的混合單體（單體比例為1:1），其中各單體摩爾比例不變。

新拌水泥漿體流動度采用GB8077-2000方法，減水率、坍落度保持、抗壓強度采用GB8076-2008方法。

2.3 混凝土配合比

試驗采用的混凝土試驗配合比見表1和表2。

表1 測試用C50混凝土配合比 kg/m3

表2 實際工程用配合比 kg/m3

3 試驗結果與討論

3.1 聚醚單體類型對聚羧酸系高性能減水劑性能的影響

含不同聚醚單體的聚羧酸系高性能減水劑的新拌水泥漿體流動度見表3。

表3 含不同聚醚單體的聚羧酸系高性能減水劑的新拌水泥漿體流動度

從表3中可以看出，在相同的折固摻量情況下，流動度保持情況為PC15＞PC3＞PC1，即對于流動度的保持情況而言，烷基封端的聚醚單體大于羥基封端單體，而二者的混合單體則具有疊加效應，流動度反而增加了。

摻量對PC分散性的影響見圖1。

圖1 不同摻量聚羧酸減水劑與萘系減水劑水泥凈漿流動度比較

從圖1可以得知，聚羧酸系高性能減水劑凈漿流動度遠大于萘系減水劑，且摻量遠小于萘系減水劑，聚羧酸系高性能減水劑摻量在0.15%出現拐點；在0.4%左右，接近峰值；PC1、PC3、PC15摻量在0.2～0.4%時，流動度普遍高于工業PC；摻量在0.05～0.2%時，流動度小于工業PC；摻量在0.2%時，流動度基本與工業PC持平。

新型聚羧酸系高性能減水劑的性能見表4。

從表4中可以得知：

PC15減水率＞ 工業PC減水率＞PC1減水率＞ PC3減水率＞ 萘系減水劑減水率。

摻PC15的混凝土初始坍落度最大，摻PC3的混凝土次之，摻工業PC，PC1，萘系減水劑的混凝土初始坍落度相同，均為20cm；摻減水劑的混凝土初始坍落度均大于基準混凝土初始坍落度；基準混凝土不具備坍落度保持能力，一小時后坍落度，摻萘系減水劑的混凝土＞摻PC15的混凝土＞摻PC3的混凝土＞摻工業PC的混凝土＞摻PC1的混凝土；流動度保持能力，摻萘系減水劑的混凝土＞摻工業PC的混凝土＞摻PC3的混凝土＞摻PC15的混凝土＞摻PC1的混凝土。

摻工業PC、PC1、PC3、PC15的混凝土3d、7d、28d抗壓強度大于基準混凝土3d、7d、28d抗壓強度；摻萘系減水劑的混凝土3d抗壓強度大于基準混凝土3d抗壓強度，而7d抗壓強度與基準混凝土相近，28d抗壓強度比基準混凝土略小。

對比摻工業PC、PC1、PC3、PC15的混凝土與摻萘系減水劑的混凝土3d、7d、28d抗壓強度，發現：

3d抗壓強度，PC1＞PC15＞工業PC＞PC3，均大于摻萘系減水劑的混凝土；

7d抗壓強度，PC1＞PC15＞PC3＞工業PC，均大于摻萘系減水劑的混凝土；

28d抗壓強度，PC1＞工業PC＞PC15＞PC3，均大于摻萘系減水劑的混凝土。

3.2 新型聚羧酸系高性能減水劑的應用研究

通過PC1、PC3、PC15在C50混凝土中的應用，并與工業聚羧酸系高性能減水劑及萘系減水劑對比，進一步研究新型聚羧酸系高性能減水劑的性能，包括：混凝土坍落度及其坍落擴展度、混凝土的抗壓強度（3d、7d、28d）。同時，采用PC15配制了C20～C50混凝土。

PC1、PC3、PC15的C50混凝土試驗結果見表5。

從表5中可以得知，聚羧酸系高性能減水劑的初始坍落度均高于萘系減水劑，烷基封端的PC3坍落度保持能力較低，羥基封端的PC1保持比工業PC的為高，采用羥基和烷基封單體的PC15則表現出優良的坍落度保持能力，1h幾乎不損失。PC15的早期強度略低，但28d強度能夠滿足設計要求。

表4 新型聚羧酸系高性能減水劑的性能

表5 C50混凝土的配制試驗結果

本文將PC15稀釋為20%含固量的液體，并采用工程用混凝土配合比對C20～C50混凝土進行了配制，同時與萘系減水劑進行了對比，結果見表6。

從表6中可以得知，與萘系減水劑相比，低強度等級混凝土，如C20～C30，在遠低于萘系減水劑的摻量情況下，工作性高于或相近于萘系減水劑；在C35～C40混凝土中，PC混凝土坍落度幾乎不損失，表現出高于萘系減水劑的坍落度保持能力；C45和C50 PC混凝土同樣坍落度幾乎不損失，表現為高的工作性保持能力。

表6 摻PC和萘系高效減水劑C20～C50混凝土的工作性

4 經濟分析

作為一種產品，其經濟性是其推廣應用的重要動力。本部分以表6中的C30混凝土為例，介紹該減水劑以及萘系減水劑混凝土單方成本分析。

本產品以20%含固量計，成本為2300元/t，售價可按3300元/t。萘系減水劑(40%)售價為2300元/t。PC的摻量為0.8%，萘系減水劑摻量為1.5%，則兩種外加劑的單方混凝土成本為：

PC:（180+120+80）×0.8%×3300/1000=10.032（元/m3）

萘系：（180+120+80）×1.5%×2300/1000=13.11（元/m3）

由此可知，每方混凝土可節約3元以上，若按混凝土年方量40萬m3計，則每年可節約120萬元。其經濟效益顯著。

本產品亦可由混凝土公司生產，此時，單方混凝土外加劑成本為：（180+120+80）×0.8%×2300/1000=6.992（元/m3）。是萘系減水劑的一半，每方混凝土可節約6.118元，每年可節約240余萬元，經濟效益更加顯著。

5 總結

合成了一種新型的聚羧酸系高性能減水劑，性能優于市售同類產品，且生產成本較低，配制C20～C50混凝土取得了良好的效果，達到或超過了萘系減水劑的性能。通過性能和成本分析，認為該減水劑與萘系減水劑相比更具有優勢。

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