QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑的配制研究與應用

黃勇 張文強 陳濤 任肖雷

（甘肅七建混凝土構件有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

近年來，我國在聚羧酸系高性能減水劑的研究和應用方面有了質的發展，但還是有許多新問題出現[6]。蘭州地區如何將聚羧酸復合防凍型減水劑各組分復配就是一個新問題，有待研究。

聚羧酸復合防凍型減水劑將多種組分的作用復合在一起，既可以降低水的冰點，也可以促進水泥在低溫條件下的充分水化；既改善了混凝土的初始結構，也對混凝土后期結構的發展有著重要的影響；既影響著硬化混凝土強度的發展，又保持新拌混凝土流動性能的穩定，也對混凝土的防凍性能有積極影響。因此，性能遠比普通防凍劑大幅優越。

1 QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑的組成與性能

傳統防凍劑一般摻量較高，其范圍在4%-15%，較大的摻量不僅提高了成本，還可能降低混凝土的強度。因此，近年來，對防凍劑的研究向多種外加劑的復合方向發展，主要在降低摻量、提高性能和降低堿含量等方面入手。結合理論與實踐，本課題研發綜合性能優異的復合型混凝土外加劑---QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑。QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑是一種集早強、防凍、減水和引氣組分于一身的復合型防凍劑，具有摻量低、早期強度高、不含氯鹽、可以阻止鋼筋銹蝕、使用方便可靠、防凍效果明顯等特點，特別適用于工業與民用建筑的混凝土工程。摻加較小劑量的該防凍劑于混凝土中，即能降低冰點，促進低溫和負溫水泥水化過程，使混凝土提前達到臨界強度，加快混凝土冬期施工進度和提高混凝土冬期施工溫度，為建筑工程施工帶來經濟和社會效益。

2 各組分對混凝土抗凍性能的影響[4]

2.1 防凍組分的影響

QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑中的防凍組分與水混合后有很低的共熔溫度，具有降低水的冰點而使混凝土在負溫條件下正常水化，并在規定時間內達到足夠防凍強度的作用。防凍組分有無機和有機兩大類，無機類產品價格低，但堿含量較高，嚴重影響混凝土的耐久性，有機類產品不增加堿含量，且用量少，防凍效果顯著，但價格較高，增加工程成本。QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑中的防凍組分是硝酸鈉和乙二醇兩種高效防凍的非氯鹽，巧妙地將無機和有機類復合使用，可以降低混凝土的總堿量和成本。

2.2 減水組分的影響

混凝土的抗凍性能與水膠比有很大的關系。在混凝土凝固過程中，混凝土中多余的游離水分子逐漸蒸發掉之后會形成大量的毛細孔，這些毛細孔不能完全被水泥水化后的生成物填滿，造成毛細孔之間相互連通，導致混凝土極易吸水，很容易受凍造成破壞。因此，在混凝土中加入可以分散水泥顆粒、起到潤滑作用的減水劑，可以使大量的游離狀態的水分子被釋放出來，減少水的凍結，改善混凝土的初始結構，大大降低混凝土的用水量，降低水化熱，改善混凝土的和易性，增加密實度，提高強度及抗凍性能。

2.3 引氣組分的影響

引氣劑是一種表面活性劑，其加入溶液中會附著在氣泡膜上降低液膜的表面張力，使氣泡穩定存在，表面張力越低，微細氣泡越容易穩定存在。這些氣泡為球形，大小均勻，直徑在20～1000um之間，絕大多數小于200um。在混凝土中加入引氣劑能夠產生均勻、穩定、封閉、互不連通的微小氣泡，避免了毛細管道的形成，由此提高混凝土的抗凍能力，使其在低溫下保持較好的完整性，使混凝土強度更好發展，改善混凝土和易性，減少拌合物的離析、泌水，增強混凝土的抗凍耐久性。

2.4 調凝組分的影響

調凝組分的作用是調解新拌混凝土的凝結時間，使新拌混凝土保持流動性能的穩定，且在較長時間內保持塑性，以便于澆筑，提高施工效率。

2.5 低溫水化促進組分的影響

低溫水化促進組分的作用是促進水泥在低溫條件下的水化速度，促進混凝土早期強度的發展，能縮短混凝土的熱養護時間，且不含會降低混凝土后期強度及破壞混凝體內部結構的有害物質，也不會急劇縮短混凝土凝結時間。

3 QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑配方試驗

3.1 試驗目的

復配出在環境溫度-20～0℃時可滿足各要求的聚羧酸復合防凍型減水劑。

3.2 試驗材料

1）水泥：祁連山P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；2）砂：中國ISO標準砂；3）水：自來水；4）外加劑：①聚羧酸高性能減水劑（A）（減水劑的性能指標見表1），②引氣組分（B），③防凍組分，硝酸鈉溶液（C）和乙二醇溶液（D）。

表1 聚羧酸高性能減水劑性能指標

3.3 試驗項目及方法

3.3.1 外加劑在負溫條件下儲存穩定性試驗[5]

將盛有一定量液體外加劑的杯子放入負溫條件下，觀察外加劑變化情況。以組分之間不發生反應，且組合后沒有明顯顏色及結晶沉淀為標準，再進行后續試驗。

3.3.2 確定各組分的正交試驗

根據《混凝土外加劑勻質性試驗方法》（GB/T8077-2000）[3]，在減水劑A參考摻量（2.5±0.3）%范圍內測定其用水量以及膠砂流動度，確定流動度達到（180±5）mm時的用水量。

將膠砂放入40mm×40mm×160mm試模成型后，再將試件在-15±1℃的冰柜中養護7d，然后脫模，在標準養護箱內解凍后，測定其抗折、抗壓強度。根據所得試驗數據進行極差分析，確定各組分對試件抗凍性能影響主次順序以及各組分最優配合比。

3.3.3 試驗結果及討論

3.3.3.1 正交設計因素水平的確定

首先檢測高性能減水劑A對水泥膠砂工作性能的影響，并根據試驗情況測定膠砂試驗的用水量，見表2。

表2 減水組分A對水泥膠砂工作性能影響

以以上試驗為基礎，再將四種主要組分，減水劑組分A、引氣組分B、硝酸鈉溶液C、乙二醇溶液D，按L9（34）正交表復配，然后進行膠砂試驗，見表3。

表3 正交試驗因素表（%）

3.3.3.2 各組分配比及試驗結果

將A、B、C、D各組分按一定比例復配，再靜置后并沒有明顯的顏色變化以及沉淀物出現，進而按如下正交表進行復配試驗，結果見表4。

表4 A-B-C-D組分配比及負溫養護條件下試驗結果

從上表可以看出，最佳配比是A1B2C2D2，即第二組數據。故根據A1B2C2D2（減水劑組分A：引氣組分B：硝酸鈉溶液C：乙二醇溶液D=28%：0.4%：19%：4.8%）配制出QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑。

4 摻QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑混凝土性能試驗

4.1 原材料

1）水泥：祁連山P.O42.5級普通硅酸鹽水泥。C3A含量7.8%，C3S含量57%，堿含量0.5%，水泥比表面積343m2/kg。

2）細骨料：臨洮中砂，細度模數2.8，含泥量0.8%。

3）粗骨料：永靖5-20mm碎石，其中，5-10mm占40%，10-20mm占60%，滿足連續級配，針片狀物質含量為7.5%，空隙率為32%，含泥量為0.2%。

4）外加劑：QJF-JS型聚羧酸復合防凍型減水劑。根據試驗使用情況，在本次試驗中進行復配。5）水：飲用自來水。

4.2 配合比

基準混凝土配合比按JGJ55-2011設計，受檢混凝土和基準混凝土的水泥、砂、石的比例不變[1]。

1）水泥用量：基準混凝土和受檢混凝土的單位水泥用量為360kg/m3。

2）砂率：基準混凝土砂率45%，受檢混凝土砂率43%。3）外加劑摻量：推薦摻量水泥用量的2.5%。

4）用水量：使基準混凝土和受檢混凝土坍落度為（210±10）mm時的最小用水量。

水泥：砂：石：外加劑=360：729：1189：9。

4.3 混凝土攪拌

根據GB8076-2008《混凝土外加劑》，先將粉料和骨料投入攪拌機中[2]，再將外加劑和水投入攪拌機，攪拌2min。出料后，在鐵板用人工翻拌均勻，再進行試驗。各種混凝土試驗材料與試驗室環境溫度均保持在（20±3）℃。

4.4 混凝土拌合物性能試驗

出料后，在鐵板用人工翻拌均勻，再按照《混凝土外加劑》GB 8076-2008對混凝土拌合物泌水率比、含氣量和凝結時間差等性能進行測定和計算。

4.5 硬化混凝土性能試驗

按照《混凝土外加劑》GB 8076-2008對混凝土抗壓強度比、收縮率及相對耐久性進行測定和計算。

4.6 試驗結果

試驗結果見表5。從表5可知，用復配后的QJF-JS型聚羧酸復合防凍型減水劑拌制的混凝土，其各項性能均滿足規范要求。

表5 摻QJF-JS型聚羧酸復合防凍型減水劑混凝土性能試驗結果

5 工程實際應用

天宸灣項目位于蘭州市七里河區馬灘社區T139#規劃路以東，T188#規劃路以北，銀灘大橋東北側，臨近南濱河西路，占地面積約52565.9m2，其中可建設用地28272.9m2，代征城市公共用地24293m2，工程總建筑面積約232884.53m2，地上建筑面積183773.85m2。正負零標高相對于（大沽）絕對高程為1529.70m，結構形式為剪力墻、框架結構。其中，5#地下2層，地上32層，是商業住宅樓。2019年12月6日澆筑5#樓6層C40剪力墻150方，當天室外大氣溫度在-14℃～-7℃。配合比重量比（kg/m3）為：膠凝材料：細骨料：粗骨料：水：QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑=1：1.61：2.18：0.32：0.025。混凝土各指標見表6。

表6 C40混凝土冬季施工工作性能

從表6可以看出，混凝土可操作性、和易性、強度均滿足要求。

6 結論

選擇最合適的聚羧酸減水劑母液、引氣、防凍等組分的配比，可配制出含堿量低、減水率高、含氣量可控、抗凍性能良好等綜合性能優異的QJF-JS型聚羧酸復合防凍型減水劑。通過提高外加劑減水率、降低混凝土水膠比、在一定范圍之內增加含氣量，可以大大改善混凝土的抗凍性能。QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑可降低水的冰點而使混凝土在負溫條件下正常水化，并在規定時間內達到足夠的防凍強度。QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑與其他混凝土防凍劑相比，使用方便，價格較低，可大大降低混凝土冬季施工成本，提高經濟效益，對鋼筋無銹蝕，復合了減水、早強、防凍、引氣效果。將摻量2.5%的QJF-JS聚羧酸復合防凍型減水劑與簡單綜合蓄熱法相結合，在蘭州地區可以實現冬期混凝土施工的要求。