聚羧酸高性能減水劑在南水北調箱涵混凝土中的應用

摘 要：南水北調工程是舉世聞名的重點工程，對混凝土的要求更是精益求精，為達到標準要求，在選擇混凝土配合比時，對外加劑的選擇更是苛刻。聚羧酸系高性能減水劑以其摻量小、減水率高、強度高、低堿低氯又環保的特點在南水北調中線天津干線TJ2-1標建設中，使混凝土質量經過了考驗。

關鍵詞：聚羧酸高性能減水劑；南水北調天津干線；箱涵混凝土

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.088

1 工程概況

天津干線工程保定市1段TJ2-1標段是南水北調的中線一期工程， 位于河北省保定市的徐水縣境內，全長約9.883Km。為3孔4.4m×4.4m現澆有壓混凝土輸水箱涵，起訖樁號為XW15+200～XW25+083，混凝土設計標號為C30W6F150。設計混凝土用量約30.1萬方。

2 聚羧酸高性能減水劑的特點

聚羧酸高性能減水劑是通過單體的多元性聚合而制備的一種新型減水劑。由于獨特的分子結構，該減水劑通過靜電斥力及空間位置的雙重作用來實現對水利顆粒的分散，表現出優異的分散性保持能力。

（1）該產品具有摻量低、減水率高的特點：高達40%的減水率特點，適用于配制較高強和高性能的混凝土；

（2）坍落度經時損失小的特點：預拌混凝土1h坍落度的損失值低于15%，這不僅有利于混凝土的長距離運輸對泵送施工也非常有利；

（3）混凝土工作性好的特點：在高坍落度的情況下，混凝土如果是用聚羧酸高性能減水劑配制而成的，離析和泌水的現象就不會特別嚴重，外觀上來看顏色也比較均一。流動性高土、自密實和清水飾面的混凝土也比較適用。若將聚羧酸配制高標號混凝土，混凝土的工作性會變好、粘聚性增強，也更容易攪拌。能降低水泥早期水化熱，有利于夏季施工；

（4）適應性優良的特點：與水泥、摻和料相容性好；

（5）混凝土收縮小的特點：可以使混凝土的收縮性明顯降低，同時混凝土體積的穩定性和耐久性得到顯著提高；

（6）含堿量非常低的特點：含堿量≤0.2%，同時也不會產生混凝土堿骨料反應；

（7）產品穩定性好的特點：不僅長期儲存不會出現分層和沉淀現象，而且低溫時不會析出結晶；

（8）產品綠色環保的特點：該產品是無毒無害的綠色環保產品，符合可持續發展的理念；

（9）經濟效益好的特點：同使用其它類型的產品相比，工程綜合造價較低，相同的條件下可以節省15-25%的水泥用量；

（10）使用聚羧酸高效減水劑有方便、安全和高效的好處，但有優點的同時也存在一定的局限性，以下問題在施工生產的過程中有可能會遇到。①從攪拌車中卸出時比較困難，原因分析：水泥和聚羧酸的嚴重不適應性可能是這一問題的主要原因。應對措施：在開盤前對每一批要使用的水泥做一次復配試驗，標準采用施工配合比。②在混凝土的拌和物坍的落度突然變大或者泌水的情況下，這批水泥和減水劑會有相對較好的適應性。應對措施：對外加劑的摻量進行適當的調整。③硬化之后表面會產生氣泡，原因分析：為了施工方便，使用時加大了減水劑摻量。應對措施：施工時嚴格按照配合比進行，對施工的工藝進行改進，對施工的管理進一步加強。④混凝土在凝結硬化時較慢，原因分析：養護的溫度達不到或者加大了減水劑的摻量。應對措施：施工時嚴格按照配合比進行，將養護的時間延長。⑤和實際的設計值相比混凝土的坍落度有較明顯的差異，原因分析：混合使用了兩種外加劑，會產生不相容的情況。應對措施：先做相容性試驗再使用，根據情況對摻配比例進行調整。

3 聚羧酸高性能減水劑的作用機理

水泥水化過程中表面活性劑起的減水作用是一種非常重要的作用。在混凝土工作性不受影響的情況下，減水劑可以減少單位用水量；或者在單位用水量沒有改變的情況下，混凝土的工作性可以得到改善；或者在以上兩種效果都具有的情況下，含氣量的外加劑沒有被顯著改變。

與水混合攪拌后，水泥會發生水化反應，一些絮凝狀的結構會隨之出現，很多的拌和水會包裹其中，新拌的混凝土的和易性（也稱為工作性，主要指的是在施工中新鮮的混凝土，在經過了攪拌、運輸和澆灌等的過程中，沒有發生分層離析的現象，仍然能保持均勻而又密實的良好性能）會因此而有所降低。為了和易性在施工過程中得到保持，拌和水量就必須相應的有所增加，如果增加水量，水泥石結構中就會形成相對較多的孔隙，硬化混凝土的物理力學性能就會受到嚴重的影響，如果這些包裹的水分可以被釋放出來，這樣就可大大地減少混凝土的用水量。在凝土制備的混過程當中，如果在摻入其中適量的減水劑，就可以明顯地起到這樣的作用。

將減水劑摻入混凝土中后，其憎水基團會在水泥顆粒的表面發生定向的吸附，而其親水基團會指向水溶液，這樣就會形成單分子或者多分子層的吸附膜。因為表面活性劑有定向吸附的作用，水泥膠粒的表面就會有相同符號的電荷產生，由于同性相斥，其產生的作用力，不僅可以使水泥-水體系的相對穩定的懸浮狀態得到保持，而且可以讓在加水初期水泥所形成的絮凝狀的結構分散解體，這樣一來絮凝結構內的水就會被釋放出來，從而達到減水效果。加入減水劑之后，一方面可以改善新拌的混凝土的和易性，另一方面由于混凝土中的水灰比會有相對較大幅度下降的原因，混凝土的內部孔隙的體積就會明顯地減少，這樣混凝土就更加地致密，混凝土抗壓的強度就會得到顯著的提高。加入的減水劑，對水泥水化的速度和凝結的時間也都會產生影響。在實際應用中，這些性質都是十分重要的。

4 聚羧酸的高性能減水劑的摻量對拌合物的影響

混凝土可以其實現高性能化，聚羧酸的減水劑是非常關鍵的技術，其摻量是在實際的應用過程中需要特別注意的，如果摻量過高的話有可能會造成一定的質量事故，比如產生混凝土泌水的現象或者離析的現象，甚至會降低混凝土的強度，也會帶來經濟上的損失；如果摻量過少的話又不能實現其應有的效果。

5 聚羧酸高性能減水劑在南水北調中線天津干線工程保定市1段TJ2-1標段建設生產中的應用

（1）該工程的主體結構是混凝土，其強度等級是C30，抗滲等級是W6，抗凍等級是F150。建筑物的部分混凝土等級不完全相同，以相應的圖紙說明為依據。該工程的外加劑是主要是TY-6A聚羧酸的高性能減水劑，生產企業是河北省鐵園科技發展有限公司，由于建筑物的部分混凝土等級不是完全一樣，其配合比也就不會完全相同。以TY-6A聚羧酸的高性能減水劑為舉例，其摻量占比為0.7%，下表1是聚羧酸的高性能的減水劑的檢驗結果：

檢驗的混凝土是用聚羧酸的高效減水劑TY-6A（液體）配制的，表中所列檢驗項目的技術指標均符合JG/T223-2007的標準。

（2）C30、W6及F150的箱涵主體結構混凝土配合比的試驗。試驗試拌的混凝土選用的鼎鑫P·O42.5等級的水泥，表2和表3顯示的是聚羧酸的高效減水劑TY-6A（液體）的試拌方案和試驗結果。

注：①鼎鑫P·O42.5等級的水泥是選用恒盛砂場的中砂、石亢料場的碎石以及河北鐵園外加劑配制而成的。

②28d抗壓強度和膠水比的回歸方程式如下：

Y=22.765X-12.541 相關系數r=1.000

其中：X表示膠水比；Y表示混凝土28d的抗壓強度（MPa）。

③從上表的試驗數據可以看出，對C30、W6及F150（泵送）混凝土試驗，摻入比例為0.7%的聚羧酸高性能減水劑TY-6A，坍落度分別是173mm、177mm及187mm，可以滿足設計的要求，觀察現場澆筑的混凝土狀態發現，混凝土的和易性較好，既沒有泌水也沒有發生離析的現象，可以滿足施工技術的要求，28d的強度最低可以達到32.9Mpa，最高可以達到44.3Mpa，可以滿足設計要求的強度，由此試圖推薦如下表的施工配合比：

注：①鼎鑫P·O42.5等級的水泥是選用恒盛砂場的中砂、石亢料場的碎石以及河北鐵園外加劑配制而成的。

②通過對上表4所推薦的混凝土進行檢測顯示，該施工配合比拌制的混凝土各項指標均符合設計要求，如下表5所示：

6 結論

天津干線工程的保定市1段TJ2-1即南水北調的中線一期工程的標段全都是有壓的輸水箱涵，并且被深埋在地下，受到周圍環境的影響相對較大，比如溫度、濕度和周圍的大氣以及地質情況還有當地的水文條件，其所承受的壓力既有內部的也有外部的，相對來說極為復雜。本標段選用的氣象資料是由徐水氣象站發布的氣象資料：本標段的平均氣溫是11.8℃。其中哦1～2月份的氣溫是最低的，1月份的平均氣溫是-4.9℃，極端的最低氣溫是-26.7℃。7月份的氣溫是最高的，月平均氣溫是24.9℃，極端的最高氣溫是42.1℃。根據徐水氣象站的多年實測的資料顯示發現，在冬季，地面的凍結深度最大是0.70m，地面的最早的穩定凍結日期是11月21日，最晚的穩定凍結日期是12月29日；開始解凍的最早日期是1月18日，開始解凍的最晚日期是為3月8日。工程區的凍土類型是屬于季節性的凍土。

（1）因此較強的抗滲性能、較好的抗凍性能、較高的耐久性的特點是該工程混凝土應具備的，聚羧酸的高性能減水劑應當優先考慮作為主要的外加劑來使用。聚羧酸的高性能減水劑經過了實踐的應用，可以確保混凝土在拆模后其外觀質量不僅光潔平滑、色澤比較均勻而且尺寸比較平整，甚至可以說幾乎是達到了清水混凝土的質量標準。

（2）天津干線工程的保定市1段TJ2-1即南水北調的中線一期工程標段在使用了主體結構混凝土后表明，混凝土符合了各項技術指標很大程度上得益于聚羧酸的高性能減水劑的使用，并且摻量較低而減水率較高，較好的增強了使用效果和適應性能，施工也非常方便，節約了成本獲得較好的經濟效益；總體的堿的含量、氯離子的含量和硫酸鈉的含量都較低，這樣就不會銹蝕鋼筋而且是無毒無害的綠色環保產品，滿足了可持續發展的戰略要求。因此，聚羧酸的高性能減水劑是工程配制混凝土極其的理想材料，可以在鐵路、公路、水利水電、工業和民用建筑等領域得到廣泛應用。

作者簡介：劉志森（1983-），男，河北冀州人，工學學士，研究方向：橋梁工程。