聚羧酸減水劑在海工混凝土中的應用

劉勝勇

(中鐵二局股份有限公司，四川成都610031)

1 工程概況

青島海灣大橋上部結構為現澆預應力鋼筋混凝土連續梁。該橋現澆箱梁23聯，箱梁混凝土強度為C50，總計35 068 m3。由于工程所處的特殊海洋環境，梁體混凝土結構處于條件惡劣的海洋大氣區，根據海水對橋梁侵蝕區域劃分原則，環境類別及腐蝕作用等級為D級。且該橋梁對結構質量要求較高，包括外觀質量，這就在混凝土的質量控制上提出了更高的要求。

2 混凝土質量控制要素

混凝土質量控制分三個大的方面，第一是原材料、配合比、生產工藝；第二是混凝土運輸；第三是混凝土施工控制。這三個大的要素中，第一點是最根本也是最重要的，本工程采用的混凝土，質量優化的重點是在原材料及配合比方面。

3 材料及配合比選取

根據設計要點，影響橋梁結構耐久性的因素有水分、冰凍、空氣污染、除冰鹽水等環境及車輛的疲勞荷載、振動和磨損等力學作用，力學作用對橋梁耐久性影響通過結構設計計算來解決，環境作用對橋梁耐久性影響通過原材料及其配合比的選擇、結構構造設計等來解決。而該橋梁受環境作用影響很大，因此，原材料及配合比這方面的要求十分嚴格。

3.1 C50海工耐久混凝土的技術要求

3.1.1 技術要求

(1)環境類別及腐蝕作用等級為D級，梁體的混凝土強度設計等級為C50，28 d彈性模量≥3.5×104MPa；

(2)單方膠凝材料總用量≥450 kg/m3，但不宜高于500 kg/m3；

(3)水膠比不大于0.33；

(4)8 W氯離子擴散系數≤1.5×10-12m2/s(RCM法)；

(5)混凝土中氯離子含量小于膠凝材料重量的0.06 %。

3.1.2 混凝土配合比設計要求

(1)混凝土配合比設計強度≥60 MPa，彈性模量≥3.7×104MPa；

(2)8W氯離子擴散系數配合比設計值≤1.3×10-12m2/s；

(3)Si=180±20 mm，30 s坍落擴展度D應控制在420±20 mm，可泵性好；

(4)為滿足施工組織需要，3～7 d混凝土強度達到設計等級的85 %，彈性模量達到設計值80 %。

3.2 選用聚羧酸減水劑的原因

(1)摻量低、減水率高，減水率可高達45 %，符合高性能減水劑的要求；

(2)坍落度損失小，預拌混凝土坍落度損失率1 h小于5 %，2 h小于10 %；

(3)增強效果顯著，混凝土3 d抗壓強度提高50 %～110 %，28 d抗壓強度提高40 %～80 %，90 d抗壓強度提高30 %～60 %；

(4)混凝土和易性優良，無離析、泌水現象，混凝土外觀顏色均一。用于配制高標號混凝土時，混凝土粘聚性好且易于攪拌；

(5)能降低水泥早期水化熱，有利于大體積混凝土和夏季施工；

(6)適應性優良，水泥、摻合料相容性好，溫度適應性好，與不同品種水泥和摻合料具有很好的相容性，解決了采用其它類減水劑與膠凝材料相容性差的問題；

(7)低收縮，可明顯降低混凝土收縮，抗凍融能力和抗碳化能力明顯優于普通混凝土；顯著提高混凝土體積穩定性和長期耐久性；

(8)堿含量極低，堿含量≤0.2 %，可有效地防止堿骨料反應的發生；

(9)產品穩定性好，長期儲存無分層、沉淀現象發生，低溫時無結晶析出；產品綠色環保，不含甲醛，為環境友好型產品；經濟效益好，工程綜合造價低于使用其它類型產品，同強度條件下可節省水泥15 %～25 %。

3.3 原材料及配合比選擇

3.3.1 原材料選擇

依據各項要求，水泥選用P·I型52.5水泥，摻合料為礦粉和粉煤灰，外加劑為聚羧酸減水劑。各原材料在確定前，均按規范要求取樣送檢，合格后方選用。

以聚羧酸減水劑為例，檢測結果見表1。

表1 高性能聚羧酸減水劑檢驗

根據檢測結果，檢測項目均符合《聚羧酸系高性能減水劑》(JC/T 223-2007)和該工程設計要求。

3.3.2 配合比設計

高性能海工混凝土，是指混凝土必須具有高耐久性(高致密、低滲透、在嚴酷的環境下抗各種化學物質腐蝕能力強的特性)，收縮徐變小(較好的體積穩定性、抗裂性)，良好的工作性(保水性好、不離析、高流動、坍落度損失小等)。

根據國內外大量研究資料和工程實例研究結果表明，配制高性能海工混凝土的路線是：

(1)膠凝材料除使用水泥外，必須大量使用礦物摻和料(礦粉、粉煤灰、硅灰等)，多種膠凝材料按最佳比例搭配。

(2)選用低水膠比。減少混凝土內部多余的水分，也即減少混凝土內部的毛細孔隙通道，從而提高混凝土的密實性、抗滲透性；

(3)混凝土集料質地堅固、潔凈、無堿活性、級配優良，粗集料最大粒徑較小。

3.3.2.1 水膠比、膠凝材料用量

根據JTG/T B07-01-2006《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》要求及經驗數據，水膠比為0.30，膠凝材料用量為475 kg/m3。

3.3.2.2 摻合料摻量

為有效改善混凝土抗化學侵蝕性能，協調混凝土強度、水化熱、耐久性、施工性能之間的矛盾，采用粉煤灰與高爐礦渣粉雙摻，通常雙摻的摻量組合范圍為：粉煤灰(15 %～20 %)+高爐礦渣粉(20 %～35 %)，總摻量40 %。

3.3.2.3 砂率

確定砂率應考慮粗集料密實堆積下的空隙率，如粗集料粒形不好、級配差、空隙率大會造成填充空隙的膠凝材料漿體和細集料用量過大、粗集料用量過少，造成填充空隙和包裹骨料的膠凝材料用量增加，影響混凝土的彈性模量和體積穩定性。

砂的細度模數通常不能完全反映顆粒組成差異，砂率還應根據砂自身的顆粒組成進行調整。細顆粒含量過多時則應適當降低砂率，以防止過多的細顆粒含量引起骨料裹漿不足以及管道潤滑層摩擦阻力增大。細顆粒含量過少時則應適當增加砂率，增強漿體保水性能，降低離析傾向。

根據《水運工程混凝土質量控制標準》(JTS 202-2-2011)要求，結合實際，砂率控制在43 %。

3.3.2.4 減水劑摻量

減水劑摻量根據減水率的要求，在允許摻量范圍內，通過實驗確定。但一般不宜因減水的需要而超量摻用。該工程通過實際實驗，確定的用量為1.3 %。

3.3.2.5 含氣量

保證適宜的含氣量，可以提高混凝土的抗凍性能、抗硫酸鹽腐蝕性能，改善混凝土的拌合物施工性能，提高混凝土的勻質性和穩定性。

根據《水運工程混凝土質量控制標準》(JTS 202-2-2011)及經驗數據，含氣量為4.0 %～6.0 %，根據實驗結果，配制為4.2 %。

根據多次試配，得到最佳配合比見表2。

表2 混凝土技術條件

材料用量見表3。

表3 每m3混凝土材料用量 kg

配合比確定后，對其相關指標進行檢驗檢測，結果均符合要求。

3.4 配制聚羧酸減水劑高性能混凝土注意事項

3.4.1 嚴禁其它品種外加劑的混入

一是聚羧酸系減水劑的復配(如與木質素磺酸鹽、引氣、消泡、緩凝等組分)只能由外加劑生產廠或供應商進行，減水劑使用者也就是混凝土制備者只需對其相關性能檢測驗收，不得在其中復配任何其它組分，也不得將其它組分混入其中。混凝土攪拌設備、運輸車輛、泵送設備最好固定用于摻聚羧酸系減水劑的混凝土，當共用攪拌設備、運輸車輛和泵送設備時，必須徹底清洗這些設備后，才能用作摻其它品種外加劑的混凝土。

3.4.2 嚴格計量減水劑和拌合水

制備摻加聚羧酸系減水劑的混凝土拌合物時，應嚴格按照試驗室確定的最佳減水劑用量和用水量計量，切忌隨意增加減水劑用量或用水量，以免所拌制混凝土出現離析、泌水、板結、含氣量增加等不良現象，影響混凝土正常的泵送施工和澆注質量。

對于原材料砂、石集料中所含的水分，必須準確測量，并從總用水量中扣除，杜絕因對砂、石集料中所含水分檢測不準而導致不良后果。

3.4.3 保證最低的膠凝材料用量

由于聚羧酸系減水劑塑化效果好，在配制較低強度等級混凝土時，混凝土的水泥用量不高，這種混凝土最易出現表面質量問題。工程中采用這種混凝土澆注后，往往結構表觀質量較差。常見的問題有蜂窩、麻面、流沙等。為充分發揮聚羧酸系減水劑優勢，在這類混凝土中用較大量的粉煤灰、礦渣粉替代部分水泥，不僅保證了混凝土的最低膠凝材料用量(一般大流動度混凝土最低膠凝材料用量以400 kg/m3為宜)，所配制的混凝土更經濟，綠色化程度更高。

4 運輸及施工過程控制

箱梁混凝土施工，首先要求拌合站備足車輛，選擇最優運輸路線，從攪拌到運至現場不超過30 min(距離3 km)，對每車混凝土進行坍落度試驗，不符合泵送要求的做退回處理。

4.1 運輸控制

混凝土在運輸過程中,特別是長距離運輸或在鬧市區運輸,受到運輸機械、氣候條件、交通狀況等因素的影響,要加強混凝土運輸過程中的管理和控制。為防止混凝土誤送或超過初凝時間到達工地,必須建立嚴格的收發制度。

4.2 施工控制

混凝土澆筑對混凝土質量也有很大影響,在澆筑過程中,特別應注意以下幾點:

(1)模板支設:鋼管貝雷梁模板支架穩定牢固,模板接縫要嚴密,要清除模板表面的灰漿等,并噴涂模板漆,以防支架失穩、跑模漏漿等。

(2)振搗:混凝土采用插入式振搗棒振搗時,要快插慢拔,振搗時間控制在20～30 s,待出現泛漿或混凝土不下沉時即可停止振搗。混凝土振搗應連續、均勻,不得少振、漏振和過振。

(3)抹壓:混凝土的抹平壓光也很重要,直接影響表面混凝土的外觀質量。抹壓應在混凝土初凝后、終凝前進行,第一遍為普通抹壓,第二遍應重點尋找裂縫,抹壓時用木抹子拍打,產生振動壓力,使混凝土再次液化,愈合裂縫。

5 結論

經測試，在本工程中摻加了聚羧酸減水劑的混凝土各項性能指標均滿足要求(表4)，且箱梁質量良好，箱梁無裂紋發現。

表4 混凝土物理力學性能及耐久性指標測試統計

綜上所述，聚羧酸系高效減水劑具有優良的綜合性能，膠凝材料相容性好，減水率大，增強效果明顯，并且無毒、無污染，適用大摻量粉煤灰配制的海工混凝土，能夠大大改善海工混凝土耐久性。

[1] JTJ 275-2000海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范[S]

[2] JTS 202-2-2011水運工程混凝土質量控制標準[S]

[3] JTG/T F50-2011公路橋涵施工技術規范[S]

[4] GB 8076-2008混凝土外加劑[S]

[5] JTG/T B07-01-2006公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范[S]

[6] 馮乃謙.高性能混凝土結構[M].北京:機械工業出版社,2004