一種聚羧酸減水劑在C30混凝土中的復配應(yīng)用

郭翠芬，李興昌，黃文輝，陳晶

（1. 北京華信高技術(shù)有限公司，北京 100024；2. 建筑材料工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究中心，北京 100024；3. 建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所，北京 100024）

0 應(yīng)用背景

該 C30 預(yù)拌混凝土主要由蘭州某攪拌站負責生產(chǎn)。要求該混凝土初始坍落度為 (210±10)mm，1h 坍落度基本沒有損失，無離析無泌水，初凝不早于 16h，終凝不超過 20h，其 28d 抗壓強度不低于設(shè)計強度的115%。

前期該攪拌站一直在使用萘系減水劑，由于萘系減水劑本身的局限性，如保坍性能較差，以及合成萘系減水劑所用到的工業(yè)萘、濃硫酸、甲醛等有毒危險原材料不僅不利于環(huán)保，而且對試驗人員傷害很大。一方面是響應(yīng)攪拌站的要求，另一方面是公司為了推廣該 PC 母液的應(yīng)用，從而達到主營產(chǎn)品由萘系減水劑向聚羧酸系減水劑的轉(zhuǎn)型，將所合成的 PC 母液在該攪拌站 C30 預(yù)拌混凝土中進行了應(yīng)用。

1 試驗研究

1.1 原材料和儀器

（1）水泥：中材甘肅水泥有限責任公司 P·O42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能指標如表 1。

表 1 甘肅中材水泥物理性能指標

（2）粉煤灰：甘肅三美建材科技有限公司 F 類 Ⅱ級粉煤灰，主要性能指標如表 2。

表 2 粉煤灰的主要性能指標 %

（3）礦粉：蘭州宏盛建材科技有限公司 S95 級礦粉，主要性能指標如表 3。

表 3 礦粉的主要性能指標

（4）河砂，產(chǎn)自景泰，主要性能指標如表 4。

表 4 細骨料的主要性能指標

（5）碎石：粒徑為 5～25mm，產(chǎn)自景泰。主要性能指標如表 5。

表 5 粗骨料的主要性能指標 %

（6）PC 母液

1）勻質(zhì)性

根據(jù) GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》，對所合成的 PC 母液行了勻質(zhì)性檢測，結(jié)果如表 6。由表 6 可知，所合成的減水劑母液中氯離子含量幾乎為零，對鋼筋沒有任何銹蝕作用。

表 6 PC 母液勻質(zhì)性指標

2）混凝土性能評價

表 7 混凝土性能評價指標

按照國家標準 GB 8076—2008《混凝土外加劑》，采用甘肅中材 P·O42.5 水泥，對 PC 母液進行了混凝土性能檢測，減水劑折固摻量為膠凝材料總量的 0.20%，各項性能指標符合標準型高性能減水劑指標要求，結(jié)果如表 7。

（7）保坍型聚羧酸系減水劑母液：甘肅中昊建材有限公司合成的 PC-501 母液，符合相關(guān)標準的規(guī)定。

（8）引氣組分：上海美加凈日化有限公司生產(chǎn)的十二烷基硫酸鈉。

（9）緩凝組分：山東福洋生物科技有限公司生產(chǎn)的葡萄糖酸鈉。

（10）水：蘭州當?shù)氐叵滤?/p>

1.2 試驗儀器

主要性能檢測儀器如表 8。

表 8 性能檢測儀器

1.3 C30 預(yù)拌混凝土配合比

試驗采用的 C30 預(yù)拌混凝土配合比如表 9。

表 9 C30 預(yù)拌混凝土配合比 kg/m3

2 結(jié)果與討論

2.1 確定減水組分和保坍組分

由于混凝土的運輸和施工工藝等限制，混凝土經(jīng)時損失成為了一個必須考慮的問題，經(jīng)時損失主要是由于漿體中的流動水少，從而造成了水泥粒子的凝聚，一般的解決方法就是在減水型母液的基礎(chǔ)上復配保坍型母液。減水劑復配思路為：首先通過調(diào)整減水型母液和保坍型母液的比例，使得新拌混凝土初始流動性好、經(jīng)時損失小、無離析泌水現(xiàn)象。試驗中減水型母液選用的是所合成的 PC 母液，保坍型母液選用公司生產(chǎn)的 PC-501 母液。為保證公司的盈利，每 100g 減水劑成品中母液總量控制在 29g 以下，由于該攪拌站的砂石含泥量較高，減水劑在泥土表面的吸附量會增加，因此母液的摻量要大一些，確定母液摻量為 28.5g。試驗結(jié)果如表10。

由表 10 可知，當 PC 母液和 PC-501 母液摻量分別為 22.5g 和 6g 時，混凝土初始坍落度達到 215mm，但是新拌混凝土和易性差，出現(xiàn)離析泌水的現(xiàn)象，而且混凝土經(jīng)時損失大。表明減水組分應(yīng)下調(diào)，保坍組分上調(diào)，在 A2、A3 和 A4 試驗中，雖然減水組分減少，混凝土的初始坍落度和擴展度都有所下降，但經(jīng)時損失明顯降低。在 A3 試驗中，PC 母液為 19.5g、PC-501 母液為 9g 時，初始和 1h 的混凝土和易性良好，經(jīng)時損失小。所以確定該 C30 預(yù)拌混凝土所用聚羧酸減水劑每100g 減水劑成品中減水組分和保坍組分的摻量分別為19.5g 和 9g。

2.2 確定緩凝組分

通過上述試驗，基本確定了減水劑母液的摻量，相比之下得到和易性良好的新拌混凝土，減水劑母液對凝結(jié)時間一般沒有很大的影響，目前主要是復配緩凝組分來控制混凝土的凝結(jié)時間，此外加入緩凝組分還能一定程度地減小經(jīng)時損失，進一步提高混凝土的工作性能。

一般常用的緩凝組分可分為三類：第一類為碳水化合物糖類，如蔗糖、葡萄糖等，這類緩凝劑的優(yōu)點是緩凝作用明顯，但對摻量以及溫度很敏感；第二類是羥基羧酸鹽類，如葡萄糖酸鈉，其優(yōu)點是與水泥的相容性好，能夠有效地控制混凝土的經(jīng)時損失，但不耐高溫；第三類是無機鹽類，如三磷酸鈉和硼砂，其優(yōu)點是緩凝作用穩(wěn)定，缺點是硼砂有毒，口服對人體有害。前兩類的緩凝組分的作用機理主要是由于羥基與水泥粒子吸附形成吸附膜從而阻礙了水泥水化，起到緩凝作用。第三類無機鹽類與前兩類的作用機理不同，其中三聚磷酸鈉在水泥漿中水解為正磷酸鹽，與 Ca2+形成絡(luò)合物，從而降低水泥漿體中 Ca2+濃度，抑制 Ca(OH)2的析出和水泥水化的過程，起到緩凝的作用。

表 10 減水組分和保坍組分的確定試驗

一般減水劑廠家最常選用的緩凝組分是蔗糖和葡萄糖酸鈉，緩凝效果好，價格也低廉，無毒無害。試驗選用的緩凝組分是葡萄糖酸鈉，在 A3 試驗基礎(chǔ)上加入緩凝組分，試驗結(jié)果如表 11。

表 11 緩凝組分的確定試驗

由表 11 可知，緩凝組分的加入在一定程度上對混凝土的工作性能是有幫助的，葡萄糖酸鈉的摻量逐漸增加，混凝土的坍落度和擴展度也有所增大，但主要還是對混凝土凝結(jié)時間的影響。試驗中主要是增大葡萄糖酸鈉摻量，從而延長混凝土凝結(jié)時間，來滿足這個施工季節(jié)混凝土對凝結(jié)時間的要求，當時的施工季節(jié)是蘭州的九月底，白天平均溫度為 21℃，夜晚平均溫度 11℃。當葡萄糖酸鈉摻量為零時，初凝時間為 350min，終凝時間為 570min，混凝土初凝、終凝太快。當摻量增加到 5g 時，初凝時 970min，終凝時間為 1170min，滿足要求。最終確定每 100g 減水劑成品中葡萄糖酸鈉的摻量為 5g，滿足當季度 C30 預(yù)拌混凝土對凝結(jié)時間的要求。

2.3 確定引氣組分

工程使用的引氣劑一般有可溶性樹脂酸鹽、十二烷基硫酸鈉以及磺化石油類的可溶性鹽等。引氣劑是一種憎水性表面活化劑，活性作用主要發(fā)生在水、氣界面上，親水基團插入在水中，疏水基團插入到空氣一側(cè)，降低了表面張力，形成氣泡。外加劑引氣性能作為評價外加劑性能的一個重要指標，對混凝土工作性能、力學性能以及耐久性能都有一定的影響。新拌混凝土經(jīng)常出現(xiàn)離析、泌水現(xiàn)象，引氣劑的摻入會引入大量微小、均勻的氣泡，從而改善混凝土的工作性。Gye-Gyu Lim[1]研究認為，在新拌混凝土中引入氣泡，起到了潤滑的作用，能有效改善新拌混凝土的離析、泌水現(xiàn)象。攪拌站要求混凝土含氣量應(yīng)小于等于 4%，此時對強度性能不會有太大的影響，一般混凝土中含氣量增加 1%，強度則下降 5% 左右。由于引氣劑引入氣泡的直徑都是微米級的，可以有效地封閉有害的通道，減少滲透通道，并且混凝土受凍時，可以吸收膨脹應(yīng)力，提高混凝土的抗?jié)B性和抗凍性，從而改善混凝土的耐久性。

為了改善混凝土的和易性，在 B3 的試驗基礎(chǔ)上復配引氣組分，引氣組分選用十二烷基硫酸鈉，試驗結(jié)果如表 12。

表 12 引起組分的試驗確定

由表 12 可知，隨著引氣組分摻量的增加，含氣量逐漸增大，混凝土強度有所降低，但新拌混凝土和易性越來越好。當摻量為零時，混凝土初始坍落度、1h 坍落度以及力學性能是滿足要求的，但混凝土狀態(tài)較差，粘重。當摻量增加到 0.03g 時，相比 C1 試驗來說，混凝土狀態(tài)有了很大的提升。當摻量為 0.05g 時，初始坍落度和 1h 坍落度分別為 220mm 和 215mm，1h 基本沒有損失，新拌混凝土狀態(tài)良好，混凝土變軟變輕，沒有離析泌水現(xiàn)象，此時混凝土含氣量為 3.6%，28d 強度為39.6MPa，滿足要求。所以確定每 100g 減水劑成品中復配的引氣劑組分為 0.05g。

最終確定該 C30 預(yù)拌混凝土每 100g 減水劑成品中各組分的摻量為：PC 母液和 PC-501 母液分別為 19.5g和 9g、葡萄糖酸鈉 5g、十二烷基硫酸鈉 0.05g 和水66.45g，所得到的減水劑能夠使混凝土具有良好的工作性能，且力學性能滿足要求，給該 C30 預(yù)拌混凝土使用減水劑提供了一個可行性的復配配方。

2.4 復配工藝

聚羧酸系減水劑復配工藝比較簡單，主要有母液罐、復配循環(huán)罐、重量計量傳感器及水罐等，操作也比較簡單。考慮到高溫條件下，摻緩凝組分的減水劑容易出現(xiàn)發(fā)霉發(fā)臭的現(xiàn)象，引氣組分也會失效，因此減水劑成品應(yīng)儲存在塑料罐中，并且放置在陰涼通風處。聚羧酸系減水劑復配工藝如圖 1。

（1）根據(jù)減水劑復配配方，提前所生產(chǎn)減水劑成品中各組分的量。

（2）將復配循環(huán)罐底部重量傳感器顯示數(shù)值歸零，開動水泵，打開注水閥門，開始向復配循環(huán)罐中注水，達到預(yù)定的定值時，關(guān)閉閥門，開啟循環(huán)泵。

（3）再次將顯示器數(shù)值歸零，打開母液罐閥門，將母液泵送到復配循環(huán)罐中，達到預(yù)定的數(shù)值，關(guān)閉閥門。

圖 1 復配設(shè)施

（4）再次將顯示器數(shù)值歸零，將稱好的小料從加料口緩慢地加入到復配循環(huán)罐中，邊循環(huán)邊加料。

（5）循環(huán)時間不少于 30min，液體混合均勻即可后關(guān)閉循環(huán)泵，再將成品泵入減水劑成品儲蓄罐中。

3 結(jié)論

（1）確定了商砼站 C30 混凝土減水劑復配配方為：PC 母液摻量為 19.5g、PC-501 母液摻量為 9g、葡萄糖酸鈉摻量為 5g、十二烷基硫酸鈉摻量為 0.05g和水 66.45g，所得到混凝土的工作性能和力學性能滿足要求。

（2）減水劑復配所需要的設(shè)備比較簡單，主要有母液罐、復配循環(huán)罐、重量計量傳感器及水罐等，操作方便，混合液體循環(huán)時間不少于 30min，避免減水劑出現(xiàn)混合不均勻或分層現(xiàn)象。減水劑成品應(yīng)用塑料罐儲存，并放在陰涼通風處。