淺談C50聚羧酸高性能混凝土的生產控制

摘要：文章通過采用聚羧酸高性能減水劑經過大量混凝土試配及各項試驗，配制出C50高性能混凝土，并采取有效的生產質量控制措施，解決了高密度鋼筋承臺大體積、墻板以及大斜坡生產澆筑施工中出現的難題，圓滿完成了唐山LNG儲罐6萬方C50高性能混凝土的澆筑工作。

關鍵詞：C50高性能混凝土；聚羧酸；混凝土試配；生產控制；混凝土澆筑 文獻標識碼：A

中圖分類號：U444 文章編號：1009-2374（2015）13-0075-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.038

1 概述

隨著建筑風格日新月異的變化及各種使用功能的不斷創新，建筑結構設計的復雜不斷提高，施工難度不斷加大，因此對于建筑施工中應用最廣泛的建筑材料——混凝土來說，對其本身的性能要求也不斷提高，如何配制和生產出高性能的混凝土來解決耐久性，并且具備高環保、低消耗、低成本的經濟型混凝土，已然成為廣大從事建筑施工和建材生產、科研人員面臨的重要課題。

唐山LNG儲罐C50高性能混凝土就是利用聚羧酸高性能減水劑按照高性能砼設計和配制的。可是在生產過程中也遇到了不少問題，以下是對使用聚羧酸減水劑的一些認識及對C50高性能混凝土生產控制成果的闡述，并和大家分享。

2 工程簡介

圖1

上海電建承建中國石油唐山LNG儲罐工程，單個儲罐容量為16萬m3，主體結構由混凝土底板、預應力混凝土外墻、混凝土穹頂構成，單罐混凝土澆筑總量約2萬方。由于工程地處渤海灣，有海水的侵蝕并且冬天溫度很低，結構中鋼筋密度大，罐壁埋件多，分段一次性澆筑完成并且距離長，儲罐混凝土均采用C50高性能混凝土，擴展度為550±50。

3 高性能混凝土

定義：高性能砼是指采用普通原材料、常規施工工藝，通過摻加外加劑和摻合料配制而成的具有高工作性、高強度、高耐久性的綜合性能優良的砼。具體是：（1）拌合料呈高塑或流態、可泵送、不離析，便于澆筑密實；（2）在凝結硬化過程中和硬化后的體積穩定，水化熱低，不產生微細裂縫，徐變性小；（3）有很高的抗滲性。其中高工作性是高性能砼必須具備的首要條件，即高流動性、高抗分離性、高間隙通過性、高填充性、高密實性、高穩定性；并同時具備低成本的技術經濟合理性。

從定義看出來混凝土的高性能是通過摻加外加劑和摻合料配制成的，除摻合料之外，常用的無非就是粉煤灰、礦粉、硅粉。但要想達到高性能完全是由外加劑主導的，首先想到的就是聚羧酸高性能外加劑，以下就是在配制生產砼的過程中對聚羧酸混凝土的認識。

4 聚羧酸高性能混凝土的配比設計要求

唐山LNG儲罐工程采用C50聚羧酸高性能混凝土，是按照《普通混凝土配合比設計規程（JGJ55-2011）》及《高性能混凝土應用技術規程（CECS207：2006）》標準設計的，以下是在對混凝土實驗生產過程中得到的一些經驗。

4.1 選用合理混凝土用水量

雖然聚羧酸外加劑有很高的減水率，但過高的減水率，對混凝土質量控制和施工性能未必有利。選擇合理的混凝土用水量對聚羧酸外加劑的合理使用很重要，用水量過高體現不出聚羧酸外加劑的優點，主要表現為：坍落度損失過快，強度也有所下降。用水量過低時就要提高外加劑的摻量才能達到工程的要求，這樣不利于混凝土的質量控制和施工性能，主要表現為：攪拌時間長、混凝土發硬變重、石子下沉快包裹性就差不利于泵送，適應靈敏度高需要不斷的調整。對于使用中砂和碎石的混凝土，混凝土的用水量宜控制在140～160kg/m3。

4.2 根據混凝土不同性能選擇合理的摻合料比例

所選的礦物微細粉應符合下列標準的質量要求：（1）《粉煤灰混凝土應用技術規程（GBJ146）》宜選用Ⅰ級粉煤灰；當采用Ⅱ級粉煤灰時，應先通過實驗證明能達到所要求的性能指標，方可使用；（2）《用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/T1596）》；（3）《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉（GB/T18046）》。高性能混凝土中，礦物微粉等量取代水泥最大用量應符合下列要求：（1）硅粉不大于10%，粉煤灰不大于30%，礦渣粉不大于40%，天然沸石粉不大于10%，偏高嶺土粉不大于15%，復合細微粉不大于40%；（2）當粉煤灰超量取代水泥時，超量不宜超大于25%；（3）對于工程結構外型要求混凝土及預應力混凝土，粉煤灰摻量宜較低，不宜超過15%，進行雙摻使用時摻和總量在30%左右，對于有水熱化要求的混凝土宜優先考慮摻用粉煤灰，粉煤灰和礦粉總量可達到45%左右。

4.3 砂、石質量控制

（1）高性能混凝土采用的細骨料應選擇地質堅硬配給良好的中砂。其性能指標應符合行業標準《普通混凝土用砂、石質量標準及檢驗方法（JGJ-52）》的規定；（2）配制C50以上強度等級高性能混凝土的粗骨料，應選用級配良好的碎石或卵石。巖石抗壓強度與混凝土抗壓強度之比不宜低于1.5倍，或其壓碎值宜小于10%。粗骨料的最大粒徑不宜大于25mm；（3）粗骨料中的針片狀顆粒含量應小于10%，粗骨料性能指標應符合行業標準《普通混凝土用砂、石質量標準及檢驗方法（JGJ-52）》的規定。

4.4 聚羧酸的選用

高性能混凝土中采用的外加劑，必須符合現行國家標準《混凝土外加劑（GB8076）》和《混凝土外加劑應用技術規范（GB50119）》的規定，并對混凝土和鋼筋無害，所采用的減水劑減水率不宜低于20%。

聚羧酸外加劑從原料合成，可分為兩大類：酯型聚羧酸系減水劑和醚（帶有香味）型聚羧酸系減水劑。兩大類的使用性能有一定的區別，各有優缺點。

其中酯型聚羧酸系減水劑具有以下優點：摻量低，低水灰比下具有高分散性，有較好的坍落度保持性能；與不同的水泥的適應性好；混凝土早期強度增長快。endprint

缺點是：主鏈和支鏈的連接時酯鍵，生產質量波動大；長期儲存性能下降明顯，穩定性差；與消泡劑相容性差，消泡劑不均勻，混凝土性能差異大，主要表現為混凝土很難控制穩定，容易離析泌水，黏性過大容易黏底，和易性差，28d強度波動范圍大，混凝土清理后會發現有大量的氣泡。

醚型聚羧酸減水劑具有以下優點：生產工藝簡單，儲存時間長相對比較穩定，低水灰比下具有高分散性，有較好的坍落度保持性，混凝土和易性好，砂石包裹性好，28天后強度范圍相對穩定。

缺點則是：摻量高于酯型產品，受環境溫度影響大，過高摻量影響早期強度，與不同水泥的適應性差，主要表現為混凝土坍落度損失過快，溫度高其緩凝時間減少，凈面時間短。

另外聚羧酸外加劑配置混凝土的含氣量大小，對混凝土性能也有極大的影響，大多數聚羧酸混凝土的含氣量都偏高，對于含氣量大于6%以上的混凝土，衡量混凝土耐久性的氯離子滲透電通量急劇變大，混凝土耐久性降低。有特殊要求含氣量偏大時需要進行消泡，控制引氣量，從而控制混凝土的含氣量，一般用聚羧酸外加劑配制的混凝土的含氣量宜控制在2%～4%。

5 配合比報告及參數

表1 C50聚羧酸高性能混凝土配合比報告

委托單位 上海電力建筑工程公司唐山LNG接收站工程項目管理部 工程名稱 中國石油唐山LNG項目

接收站工程 報告日期 2012年6月30日

工程部位 儲罐筒身 強度等級 C50 坍落度（mm） 200±30

擴展度（mm） 550±50

材料名稱 水泥 砂 石子 水 外加劑 粉煤灰 礦粉 備注

品種規格 P.O

42.5 中砂 碎石（5～20）mm 自來水 FAC — S95 —

產地、廠名 唐山

冀東 綏中六股河 唐山

豐潤 — 北京瑞帝斯 — 曹妃甸盾石 —

配合比 1 2.45 3.25 0.45 0.029 0.00 0.46 —

每m3砼材料用量（kg） 310 759 1006 140 9.04 0 142 —

設計依據 JGJ55-2000 備注：水膠比0.31，外加劑其減水率27%，砂率為43%，礦粉摻量32%，外加劑摻量為2.0%，

6 聚羧酸對材料的適應性檢驗

隨著聚羧酸外加劑的推廣應用，對其特性特點認識也不斷深化，即聚羧酸外加劑同樣也存在與混凝土膠凝材料的適應問題。了解不同外加劑產品和不同混凝土材料的相容性特點，對正確使用和充分發揮聚羧酸外加劑的性能有重要意義。

6.1 水泥

通過對萘系高效減水劑、聚羧酸外加劑產品進行有關混凝土性能的對比試驗發現，凡是與萘系高效減水劑適應性不好的水泥與聚羧酸適應性也差。如摻較多密度小且燒失量大的混合材的水泥、可溶性硫酸鹽含量高的水泥與聚羧酸適應差。

適應性檢驗方法：當水泥已經確定了選擇各類外加劑時，對每種外加劑分別加入不同摻量，當外加劑已確定選用水泥時，對每種水泥分別加入不同摻量的外加劑，進行加水后30min、60min水泥凈漿流動度檢測。繪制以摻量為橫坐標，流動度（加水后30s、60s分別繪制）為縱坐標的曲線。其中飽和點低、流經動度大，經時損失小的外加劑對水泥的適應性好。

6.2 摻合料

燒失量大的粉煤灰容易吸附聚羧酸外加劑，不利于外加劑充分使用。礦渣粉對聚羧酸外加劑影響也尤為明顯，因為它不像粉煤灰一樣顆粒很細并且是圓珠型的，有利于混凝土的填充并促進流動性，混凝土看起來柔和輕松，其內聚性包裹性效果明顯。而礦渣粉顆粒是扁平狀的，并且特別容易吸附聚羧酸外加劑，這樣就對混凝土的和易性有很大的影響。

唐山LNG承臺澆筑就是大摻量礦粉混凝土，由于LNG承臺要承受40多m墻體的重量、穹頂的重量、罐內16萬m3天然氣重量和罐內氣壓的壓力。承臺勢必很厚并具有高密度鋼筋，這樣大體積混凝土肯定要考慮水泥的水熱化和混凝土的流動度（擴展度為550±50mm）。因此在第五章中配合比中，提高了礦粉的摻量（設計要求不可以用粉煤灰），適當的降低了水泥的用量，設定抗壓強度為60天。在其生產澆筑過程中發現混凝土主要表現為攪拌時間過長、發硬變重、黏性大、表面容易結殼屏住，導致泵送壓力大，但流動度是有的。

產生以上的狀況原因可能是：由于大摻量的礦粉吸附了一定量的聚羧酸外加劑使其特性沒有發揮出來，另外C50聚羧酸混凝土膠凝材料用量多，而用水量又比較低。這樣必須通過延長攪拌時間，才可以使其達到攪拌機出料的要求（就是達到設計時坍落度和流動度所規定的要求），所以攪拌出來的混凝土會發硬變重、黏性大、表面容易黏住結殼。

根據原因制定了調整控制措施，在保證強度下進行調整。通過適當提高用水量和降低外加劑的摻量，根據和易性選擇適當提高砂率進行施工配合比的調整。原因是適當降低外加劑的摻量可以減少混凝土的黏性，也可以降低外加劑對材料的靈敏度的影響，使混凝土變柔和及在生產砼時好控制。減少外加劑的量通過提高用水量來彌補，這樣可以使礦粉充分的稀釋，減少對外加劑的吸附，使外加劑充分發揮對水泥的作用，保證坍落度和流動度；在上面的調整過程中如果和易性不好時（例如砂的細度模數偏大或碎石小粒徑偏多時，造成包裹性和內聚性差）可以適當提高砂率以求最佳狀態，通過調整以后大大減少了攪拌時間，混凝土的和易性得到了很大的改善。為什么沒單獨提高外加劑的摻量和用水量，原因是：外加劑摻量提高了，其擴展度很難控制容易離析，而且混凝土黏性會更大，不利于施工；另外的原因是考慮到第六章外加劑對水泥的適應性，選擇一個最佳的摻量；還有一開始配合比的設計就考慮到成本問題，所以配合比中外加劑摻量已經到了極限。摻量再提高反而會起到反作用。如果單獨提高用水量會增加水泥的水化熱，當再遇到砂石材料不好時混凝土容易泌水泛黃漿包裹性差同樣外加劑摻量高了也會如此。當在生產過程中和易性可以的情況下，混凝土卻沒有擴展度時，可以單獨提高適量的外加劑的摻量和用水量。如果在單獨加適量的水時，混凝土仍沒有擴展度，這時必須提高外加劑的摻量，達到工程要求（擴展度為550endprint

±50mm）。

6.3 砂、石質量

砂、石含泥量及碎石的石粉含量過高，聚羧酸容易被吸附，嚴重影響聚羧酸外加劑的使用，主要表現為混凝土坍落度損失快、沒有擴展度（即流動度）、黏性大、加長了攪拌時間，影響了生產效率及質量；當放大坍落度時混凝土表面會黃色泥漿。另外砂子的細度模數應該在2.5左右，但不宜超過2.8。

砂石的質量問題對C50聚羧酸高性能混凝土影響很大，當砂石含泥量過高時混凝土表面有一層黃漿；當碎石中石粉含量過高時嚴重影混凝土的坍落度和擴展度，因為其對聚羧酸外加劑有很強的吸附作用；當砂子的細度模數偏大時或碎石小粒徑偏多混凝土主要表現為內聚性和包裹性差，石子下沉快，容易堵泵并對泵管損壞很大。砂石的質量必須嚴格控制，保證混凝土的和易性。由于受到供應的限制，砂子的細度模數有一定的波動范圍，碎石的級配也有一定波動范圍，所以對混凝土和易性的影響是不可避免的。但是遇到這種情況在生產時是可以進行調整改善混凝土的和易性，當砂子的細度模數偏大會造成混凝土內聚性和包裹性差時，可以適當地提高砂率，增加砂漿對碎石的包裹，增強混凝土的柔和及流動性。當黃砂中10mm粒徑較多會造成混凝土內聚性差，在聚羧酸的作用下10mm顆粒聚集在一起，阻礙混凝土的擴展度，在生產過程中可以把它看成石子中的10mm含量，然后進行扣除加砂，對混凝土進行了填充，大大改善了混凝土的和易性。澆筑40m高度的墻板采用的是第五章的配合比其具有高流動性，當流動度過大的時候，混凝土的和易性（包裹性和內聚性）很難控制，并且石子下沉快容易堵泵，所以嚴格控制砂石的質量穩定，必須保證混凝土的砂率，提高并加強混凝土的和易性。因此，摻用聚羧酸外加劑的混凝土對材料要求比較高。若材料不好，不要盲目地使用聚羧酸外加劑，當然聚羧酸外加劑也有一定的缺點，就是靈敏度太高，水的用量變化范圍太小，即多1kg水混凝土就有會離析，少1kg水混凝土坍落度就出不來，這就要求砂石的質量及含水率要相當穩定，攪拌設備精度要很高，一般的攪拌站很難做到。

7 聚羧酸外加劑的合理摻量

聚羧酸外加劑的合理摻量可以通過測試不同摻量外加劑混凝土減水率，再通過測試混凝土的各項性能指標，是否達到工程及施工要求來確定最佳摻量。這對初次用聚羧酸外加劑的公司和技術人員很有用處，是以后混凝土研發生產的寶貴經驗。

當混凝土材料不好時及坍落度損失要求較高時外加劑的摻量應略高于最佳摻量。而對于工程結構要求高的（如斜坡、墩身、柱等流動度偏小的），外加劑摻量應略降低最佳摻量。

如果想利用第5章的配合比進行穹頂的澆筑，要對其進行外加劑摻量的調整。因為穹頂一周是拱形的斜面并且上面有鋼筋加密區，混凝土既要滿足斜面澆筑要求，又要滿足穹頂鋼筋加密區澆筑的要求；其次穹頂高度在40m以上，泵送的難度加大，要求混凝土要有很好的和易性；另外第5章的配合比具有高流動性，流動度大石子下沉快和易性很難控制，因此不符合穹頂澆筑的要求。

所以需要在生產澆筑過程中對第5章的配合比進行調整，首先在保證強度的前提下，通過實驗依次降低外加劑的摻量，目的就是減小混凝土的流動度，從而來找到既要滿足斜面澆筑要求，又要滿足穹頂鋼筋加密區澆筑的要求的外加劑最佳摻量。由于外加劑摻量下調致使混凝土坍落度有所損失緩凝時間縮短，可以通過外加劑廠根據實際情況適當地增加緩凝劑，做到對混凝土保坍增凝的效果。同時再通過提高適當的用水量和砂率，目的用來滿足混凝土所需要的用水量和提高砂漿對石子的包裹，以此來改善混凝土的泵送效果。調整過后泵送出的砼不僅滿足穹頂澆筑的要求，還縮短了攪拌時間，提高了生產效率。和易性（包裹性和內聚性）及泵送效果有了很大的改善，以下附上泵送壓力對比：

圖1 調整前混凝土的泵送壓力 圖2 調整后混凝土的泵送壓力

總結：（1）在生產聚羧酸高性能混凝土時，要嚴格控制好砂石的質量，保持其質量穩定；（2）設計聚羧酸高性能混凝土時，一定要保證其足夠的砂率，一般砂率要大于42%；在生產過程中砂子偏粗，碎石級配不好，影響了混凝土的和易性（包裹性和內聚性）可以提高砂率；（3）要通過大量實驗來確定聚羧酸對水泥的適應性，及聚羧酸的最佳摻量，從而可以在不影響強度情況下降低或提高聚羧酸外加劑的摻量，以便在生產過程中可更好地調整和控制混凝土，適應更多的建筑結構的澆筑。

參考文獻

[1] 混凝土外加劑（GB8076）[S].

[2] 粉煤灰混凝土應用技術規程（GBJ146）[S].

[3] 用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/T1596）[S].

[4] 用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉（GB/T18046）[S].

[5] 普通混凝土配合比設計規程（JGJ55-2011）[S].

[6] 普通混凝土用砂、石質量標準及檢驗方法（JGJ-52）[S].

[7] 高性能混凝土應用技術規程（CECS207：2006）[S].

[8] 混凝土外加劑應用技術規范（GB50119）[S].

作者簡介：李惠忠（1958-），男，江蘇人，上海電力建筑工程公司工程師，研究方向：施工建設—熱能動力工程。

（責任編輯：秦遜玉）endprint