聚羧酸外加劑在商品混凝中應用的注意事項

丁玉峰，耿加會

（1. 合肥市龍崗混凝土有限公司，安徽 合肥 231600；2. 舞陽縣惠達公路工程有限公司，河南 漯河 462400）

聚羧酸外加劑在商品混凝中應用的注意事項

丁玉峰1，耿加會2

（1. 合肥市龍崗混凝土有限公司，安徽 合肥 231600；2. 舞陽縣惠達公路工程有限公司，河南 漯河 462400）

本文主要介紹聚羧酸外加劑在實際生產使用過程中的一些注意事項以及聚羧酸外加劑對原材料的要求和作用原理。

聚羧酸；原材料；生產控制

0 引言

聚羧酸系減水劑被認為是最新一代的高性能減水劑，人們總是期望其在應用中體現比傳統的萘系減水劑更安全、更高效、適應能力更強的優點。然而工程實踐使用中總是更多地遇到各種各樣的問題，而且有些還是使用其他品種減水劑所未遇到的，如混凝土拌合物異常干澀、無法卸料，更談不上泵送澆筑了，或者混凝土拌合物分層嚴重等。現結合實際生產控制過程中的一些經驗和心得進行分享，受限于技術水平和科研力量薄弱等因素，可能有些觀點未必正確，還望各位砼仁批評指正。

1 聚羧酸的定義和優點

1.1 定義

聚羧酸系高性能減水劑是一系列具有特定分子結構和性能聚合物的總稱，一般是將不同單體通過自由基反應聚合得到。聚羧酸減水劑的結構是線型主鏈連接多個支鏈的梳型共聚物，疏水性的分子主鏈段含有羧酸基、磺酸基、氨基等親水基團，側鏈是親水性的不同聚合度聚氧乙烯鏈段。

1.2 優點

（1）摻量低：一般其折算固含量為萘系的 1/4 左右。

（2）減水率高：混凝土減水率一般在 25%～35%，極限值可高達 40%～45%。

（3）保坍性好：坍落度損失可以控制在 2～3h 內基本無損失。

（4）抗壓強度比高：各齡期對比強度均有較大幅度的提高，早期抗壓強度比有顯著提高。

（5）綠色環保：在合成生產過程中不使用甲醛和其他有害原材料，對人體不會造成健康危害，對環境不會造成污染。

（6）高耐久性：因高減水帶來的低水膠比，對混凝土的抗滲、抗腐蝕、抗氯離子擴散遷移系數性能都有極大提升。

（7）節約成本：因使用聚羧酸減水劑的混凝土有良好的工作性以及低水膠比，并且使用少量即有顯著的效果，故能夠降低成本。與現行萘脂系減水劑相比，單方混凝土綜合成本可節約 5～10 元。

（8）其他優點：工作性能優良，碳化相對較低，成型外觀的光潔度較好等。

2 聚羧酸的應用

2.1 進場檢驗要求

聚羧酸系外加劑不同于萘系、脂肪族、氨基系列的外加劑，單純的凈漿檢測已經不能合理反映其在混凝土中的工作性能，建議有條件的試驗室可將凈漿檢測比對試驗作為參考，最終以混凝土試拌作為檢測依據。

大部分聚羧酸在復配過程中，均要求考慮混凝土的保坍性能，例如高保坍型聚羧酸，其母料中緩釋型羧酸為后釋放減水組分，初始凈漿流動度可能較小，但是混凝土的保坍性能良好，若以凈漿流動度來衡量聚羧酸和膠材的適應性，很可能誤判；而冬季型的聚羧酸，為避免坍落度反增長或滯后泌水現象的發生，保坍和緩凝組分大幅下調，這時的初始凈漿流動度可能較大，若以此試驗結果去衡量混凝土坍落度經時損失也不準確。建議使用同一批次原材料與不同批次的外加劑進行凈漿流動度比對試驗，此方法積累的數據可以作為長期跟蹤，能在一定程度上檢驗進廠外加劑的波動情況，其優點是快速、節約人力。當雙方對檢測結果有疑義時，可選用混凝土試拌的方法進行檢測，此方法雖然較為精準，費時費力，各商混站可以結合自身情況選擇進場檢驗的方式，檢驗所用的膠材存儲時間建議不宜超過半個月。

2.2 對原材料的要求

市場目前使用的聚羧酸系外加劑對原材料質量及其穩定性要求較高，對水泥適應性、砂石含泥量、吸水率、石粉含量、砂石級配、砂率、煤灰燒失量和需水比較為敏感，故原材料進場把關尤其重要，良好的材料穩定性能促進生產控制的穩定性，極大地降低了質量事故發生的概率。

2.2.1 水泥

水泥與外加劑的適應性，僅根據凈漿流動度測試的試驗結果來評定水泥與外加劑的適應性有失偏頗，應該在結合混凝土試拌進行評定。水泥與外加劑適應性的影響因素較多，包括 C3A 和 C4AF 的含量高低、水泥混合材的品種、石膏的形態等等。C3A 和 C4AF 吸附了較多的減水劑，導致硅酸鹽相表面的減水劑偏少；混合材品種常用的包括石灰石粉、粉煤灰、礦粉，但實際生產過程中，水泥廠家為了追求低成本，往往摻入火山灰、煤矸石等對聚羧酸吸附量較大的摻合料，導致水泥與外加劑的適應性較差；半水石膏由于遇水生成二水石膏，消耗了部分游離水，導致混凝土損失加快[1]。針對以上問題，在選擇聚羧酸品種時，應針對水泥的特性進行匹配性的試驗。

2.2.2 骨料

2.2.2.1 級配及砂率

混凝土中骨料的顆粒級配以及砂率對聚羧酸系減水劑的減水效果影響也非常大。試驗證明，其他條件都不變，僅砂率在 40%～50% 之間變化時，同種聚羧酸系減水劑的減水率因砂率的改變最大可以相差 4%。使用連續級配的骨料，可以降低砂率和單方用水量，增大混凝土流動效應，降低外加劑的減水率需求。

2.2.2.2 骨料的吸水率

骨料的吸水率對聚羧酸的影響也非常大，其在拌和過程中，游離水大量進入骨料孔隙，降低了混凝土的流動性和坍落度，聚羧酸的優勢無法體現。

2.2.2.3 含泥量

骨料中的含泥量主要是各類型的粘土礦物，它們是以一些含鋁、鎂等為主的硅酸鹽礦物。為層狀結構，顆粒較細，有較強的吸附作用，其吸附作用主要為礦物表面吸附和插層吸附[2]。粘土的種類主要有伊利土、高嶺土、蒙脫土等，它們對聚羧酸的吸附均要強于膠材，而這其中尤其以蒙脫土的吸附最為強烈，會讓混凝土的工作性大幅下降，體現在坍落度、流動度的下降，粘性的加強，泵損的增大等。

聚羧酸減水劑與傳統的萘系等高效減水劑相比，對砂石骨料中的粘土（尤其是蒙脫土）更敏感，因此極大地制約了其在混凝土中的推廣和應用：一方面，粘土礦物對聚羧酸系高性能減水劑有強烈的吸附作用，減少了用于分散水泥的聚羧酸分子數量，降低了減水性能，增大了流動度損失；另一方面，由于粘土礦物較高的比表面積，能吸附較多的水分，減少了漿體中的自由水的量，這就導致混凝土流動性降低、黏度變大。

生產過程中，針對砂石含泥量的變化，往往是調整外加劑的摻量以確保工作性能，但是應該注意的是，當含泥量大幅降低時，應該及時降低外加劑摻量以降低混凝土離析的風險。

2.2.3 摻合料

在選用較為優質的Ⅰ、Ⅱ 級粉煤灰及礦粉，隨著摻量的加大，聚羧酸的摻量會逐漸降低。以 C35 為例，經比對試拌試驗證明，摻合料總量從 20% 提高到 50% 時，外加劑摻量會降低 0.4%～0.6%（基礎摻量 1.8%，含固約 11%）。有研究表明，水泥、礦粉、粉煤灰對外加劑吸附規律不同，吸附量的大小順序為：水泥＞礦粉＞粉煤灰[3]。

2.2.3.1 粉煤灰

粉煤灰的需水比和燒失量指標對聚羧酸性能的影響較為重要，粉煤灰的燒失量變大，粉煤灰中碳顆粒在吸收水分的同時，也吸進去一部分聚羧酸減水劑，造成混凝土漿體中的有效減水劑用量降低，造成聚羧酸減水劑效果變差。需水比主要是影響混凝土中的游離水的數量，當需水比降低時，配方用水不變的情況下，游離水量增加，需降低外加劑摻量，反之，則應增加外加劑摻量。一般，Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰對聚羧酸的影響不大，而 Ⅲ 級甚至以上的粉煤灰，會大幅提升外加劑摻量，造成混凝土的坍落度劇烈損失。

2.2.3.2 礦粉

粒化高爐礦渣粉可以起到增大漿體初始流動性和減小流動性損失的良好效果。

礦粉的流動度比參數對聚羧酸的影響較大，與粉煤灰的需水量比類似。

3 使用注意事項

3.1 減水率

雖然高減水率對于單方外加劑成本的節約較為顯著，但高含固高減水率的聚羧酸，其對砂石含水率和含泥量及膠材適應性等波動尤其敏感，在給生產控制帶來極大挑戰的同時，其離析風險也變得難以控制。目前，擁有生產線實時檢測含水率及中央大屏幕視頻控制各澆筑地點混凝土狀況的企業畢竟不多，能夠做到在高含固高減水率狀態下良好控制混凝土生產的企業也不是很多，建議結合公司的實際情況選擇合適于本公司生產的減水率范圍。

3.2 飽和摻量

聚羧酸外加劑由于其高減水，在獲得良好的流動性、粘聚性、和易性的狀態時，若再摻入外加劑即會產生泌水、泌漿、抓底、離析等現象，此時的外加劑摻量即為飽和摻量，在飽和狀態下，雖然能夠獲得優良的工作性能，但是也會增大混凝土離析的風險。在沒有大幅度影響混凝土工作性的前提下，一般可人為扣除少許摻量以增加抵御混凝土離析的能力。

大量實驗表明，聚羧酸系高性能減水劑的減水效果對其摻量的依賴性很大，且隨著膠凝材料用量的增加，這種依賴性更大。在膠凝材料用量相同的情況下，聚羧酸系高性能減水劑的減水效果與摻量的關系總體來說是隨著減水劑摻量的增加而增大，但膠凝材料用量低的情況下，到了一定的摻量后甚至出現隨摻量的增加，減水效果反而“降低”的現象。這并不是說摻量增加其減水作用下降了，而是因為此時的混凝土出現嚴重的離析、泌水現象，混凝土拌合物板結，流動性難以用坍落度反映。

3.3 摻量寬幅性

由于采用聚羧酸系高性能減水劑后混凝土的用水量大幅度降低，單方混凝土的用水量大多在 140～175kg/m3，常用水膠比范圍在 0.26～0.45，甚至可以降到 0.2。在低用水量的情況下，少許用水量波動可能導致坍落度變化很大，然而對強度的影響較小。正是因為用水量對坍落度作用敏感，在測試摻聚羧酸系高性能減水劑混凝土的坍落度損失時，由于鋼板、工具、蒸發等引起失水以及砂子含水率的波動更容易造成誤差，尤其是在低坍落度或低水膠比的情況下更為明顯。在使用過程中為了克服聚羧酸減水劑對低強度等級混凝土用水量過于敏感的缺點，可將聚羧酸減水劑的濃度降低到固含量 10% 左右。

由于聚羧酸外加劑敏感性較強，如何獲得良好的混凝土狀態，如加強聚羧酸外加劑對混凝土原材料敏感程度、降低生產控制難度、增加保水性和保塑性及保坍性就成為一道難題，所以增加聚羧酸外加劑摻量寬幅性和提高混凝土穩健性的理念已經被越來越多的人提上工作日程。只有在良好的管理及控制水平下，結合對原材料特性的深入了解，同時選用較為合適的聚羧酸母料及小料才能配出寬幅性較高的外加劑。

3.4 對生產控制要求

需要有良好的生產控制水平，包括操作員的盡職盡責，試驗員與操作員的緊密配合，澆筑現場的實地跟蹤。開盤鑒定是必須的，因為原材料的正常波動是隨時存在的，而以一個摻量在較長時間內控制混凝土的狀態及生產，是難以滿足生產需求的。用開盤鑒定結合現場跟蹤措施能夠最大化的滿足生產需求，確保混凝土的強度和工作性能，這是一個動態調整的過程。聚羧酸對水較為敏感，其敏感程度要高于萘脂外加劑，這就需要鏟車上砂盡量上含水較為穩定的砂子，同時駕駛員因衛生考核要求，不宜沖洗罐車料斗或減少沖洗時間。計量系統必須準確，建議加大對計量系統的校準頻率，以確保計量系統的準確性。

3.5 儲存問題

聚羧酸系高性能減水劑生產儲存時，應避免與鐵質材料長期接觸。由于聚羧酸系高性能減水劑產品呈弱酸性，而且聚合過程中加入了引發劑，與鐵質材料長期接觸會發生緩慢反應，造成聚羧酸的分子量發生變化，因此聚羧酸系高性能減水劑在運輸、儲存時應采用潔凈的塑料、玻璃或不銹鋼容器，而不宜采用鐵質容器。高溫季節，聚羧酸系高性能減水劑應置于陰涼處，防止暴曬；低溫季節，應對聚羧酸系高性能減水劑采用防凍措施。

3.6 與其他外加劑相容性問題

目前部分商混公司采用脂肪族或萘脂系與聚羧酸交錯使用的方式，這時需要密切注意在換用外加劑時，前一車混凝土中外加劑對后一車混凝土的影響，主要有對計量秤、生產主機和罐車中的殘余混凝土，泵車及澆筑接觸面混凝土的影響，包括凝結時間差帶來的裂縫問題，混凝土的坍落度及流動性的損失，以及生產用水量異常增加等問題。

有研究表明，聚羧酸和脂肪族復配后，混凝土強度無明顯降低，同時可以改善脂肪族外加劑的抗裂性能[4]。

另有研究表明，同水灰比條件下，摻入聚羧酸與脂肪族的復合減水劑比摻入聚羧酸與其他兩種高效減水劑的復合減水劑的混凝土拌合物的坍落度大并且經時損失小，并且隨著聚羧酸摻量的增大，坍落度也大。聚羧酸和氨基復合，聚羧酸摻量越大，坍落度損失越小，而聚羧酸和萘系復合，聚羧酸摻量增大坍落度損失反而增大[5]。

孫振平的研究表明，從溶液的互溶性來看，實際工程中聚羧酸系減水劑與密胺系高效減水劑或氨基磺酸鹽系高效減水劑溶液不能復配在一起摻加，而在不考慮復合使用效果的情況下，聚羧酸系減水劑存在與木質素磺酸鹽減水劑、萘系高效減水劑、氨基磺酸鹽系高效減水劑復配使用的可能；綜合凈漿和混凝土的試驗結果，聚羧酸系減水劑與木質素磺酸鹽減水劑或氨基磺酸鹽系高效減水劑復合摻加，在塑化和增強效果方面具有疊加效應，且在 0.1% 聚羧酸系減水劑的基礎上復合摻加木質素磺酸鹽減水劑、氨基磺酸鹽系高效減水劑，還有助于改善混凝土的坍落度保持性；聚羧酸系減水劑與萘系高效減水劑、密胺系高效減水劑、氨基磺酸鹽系高效減水劑復合摻加，都會削弱其塑化效果，且聚羧酸系減水劑與萘系高效減水劑復合摻加時對塑化效果和坍落度保持性的負面作用最大[6]。

3.7 混凝土異常狀況分析

使用聚羧酸的混凝土，要綜合分析混凝土發生異常狀態的原因，一般采用排除法，即生產線取出現用膠材，做凈漿流動度比對分析試驗，以排除不同批次膠材和不同批次外加劑的原因；然后做外加劑相容性試驗，以排除砂的原因；再次，結合開盤狀態確定外加劑是否欠摻，是否有計量因素、溫度因素等，只有結合試驗查找原因才能做出針對性的調整。對于預防類似現象的發生也起到決定性作用。

4 結語

以上為個人在應用聚羧酸外加劑過程中的一些使用經驗，雖然較大篇幅闡述的是注意事項，并不代表聚羧酸的缺點大于優點。聚羧酸系減水劑具有優良的分散性和大流態等特點，同時具有低堿、低氯離子、低收縮、無污染、低環境負荷和明顯經濟效益等優良性能，并且越來越多的工程例如高鐵、地鐵、高架、機場、核電等工程在招標文件中明確使用的外加劑必須為聚羧酸系外加劑，這些都必將促使聚羧酸成為混凝土高效減水劑未來發展的必然趨勢。如何針對原材料挑選匹配的并使用好聚羧酸外加劑就成為控制混凝土的質量、性能、成本的重中之重。

[1] 程勛．混凝土原材料對聚羧酸減水劑應用性能的影響[D].北京工業大學[A]，2010．

[2] 霍彬彬，王棟民，等．“粘土—水泥—水—減水劑”界面化學研究進展[J]．商品混凝土，2016(5): 21-23．

[3] 伍勇華，白琴琴，等．聚羧酸外加劑在水泥、礦粉和粉煤灰表面吸附行為研究[J]．硅酸鹽學報，2016,35(1): 279-284．

[4] 郭蕾，魯統衛，王謙，等．聚羧酸系高性能減水劑與脂肪族高效減水劑復配技術的研究[D]．全國聚羧酸系高性能減水劑及其應用技術交流會[A]，2007．

[5] 張燕梅．聚羧酸高效減水劑與其它高效減水劑復合使用對混凝土強度的影響[J]．商品混凝土，2013(2): 32-33．

[6] 孫振平，蔣正武，等．聚羧酸系減水劑與其他減水劑復配性能的研究[N]．硅酸鹽學報，2008,11(5): 585-589．

［通訊地址］安徽省合肥市瑤海區長江東路三十埠橋西北側（231600）

丁玉峰（1983—），男，工程師，主要從事混凝土生產及質量控制等技術管理工作。