聚羧酸系減水劑在預(yù)拌混凝土中的應(yīng)用

王驍敏，陸繼光，謝雯, 郭執(zhí)寶

（1.上海市建筑科學(xué)研究院，上海 200032；2.上海華聯(lián)建筑外加劑廠有限公司，上海 200131）

近年來，中國的建設(shè)規(guī)模越來越大，各種重點(diǎn)、重大基礎(chǔ)設(shè)施，超高層建筑，高速鐵路，高速公路，地鐵車站，核電站等工程，對(duì)混凝土的施工性能和綜合性能要求越來越高，傳統(tǒng)的木質(zhì)素磺酸鹽、萘系、蒽系等減水劑由于本身性能的局限性已不能滿足現(xiàn)代工程的需要。況且當(dāng)今世界，綠色環(huán)保是國際化的一個(gè)大趨勢，綠色混凝土作為新型的建筑材料，也受到越來越多的關(guān)注，聚羧酸系減水劑是一種“環(huán)保、節(jié)能、降耗”新理念的高性能減水劑，其生產(chǎn)過程無廢棄物，對(duì)周邊環(huán)境無危害，其出色的施工和易性、良好的強(qiáng)度發(fā)展和優(yōu)異的耐久性等性能是配制綠色環(huán)?；炷恋氖走x外加劑。

從國外聚羧酸系減水劑的發(fā)展來看，聚羧酸系減水劑已經(jīng)是國外高效減水劑的主要品種。在日本和韓國，聚羧酸系減水劑的使用率高達(dá)90%左右，在美國也達(dá)60%～70%。在預(yù)拌混凝土中，低強(qiáng)度等級(jí)采用木質(zhì)素磺酸鹽減水劑來做，其他強(qiáng)度等級(jí)全部采用聚羧酸系減水劑或木質(zhì)素磺酸鹽與聚羧酸系減水劑復(fù)合的產(chǎn)品，做到了既環(huán)保又節(jié)能。在國內(nèi)，聚羧酸系減水劑主要應(yīng)用在如高鐵、橋梁等國家重點(diǎn)工程中。而在我國巨大的預(yù)拌混凝土市場(2009年我國預(yù)拌混凝土產(chǎn)量約70000萬m3，上海市產(chǎn)量6000萬m3) 中，萘系減水劑占據(jù)預(yù)拌混凝土減水劑市場的絕大部分，聚羧酸系減水劑的使用率很低。因此, 如何使聚羧酸系減水劑廣泛應(yīng)用在各種強(qiáng)度等級(jí)的預(yù)拌混凝土中,是我國混凝土外加劑行業(yè)迫切研究的課題。

1 上海預(yù)拌混凝土中的應(yīng)用概況

2000年上海市建筑科學(xué)研究院率先在國內(nèi)研制成功聚羧酸系減水劑，投入工業(yè)化生產(chǎn)，并開始在上海磁懸浮軌道、東海大橋等工程中應(yīng)用。2002年～2005年，聚羧酸系減水劑開始在國家重點(diǎn)工程中集中應(yīng)用，如杭州灣大橋，南水北調(diào)中線總干渠漕河渡槽段工程等；其后，隨著國家高速鐵路網(wǎng)的興建，聚羧酸系減水劑產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在如京滬高鐵、武廣客運(yùn)專線、合武高鐵、各個(gè)省際高鐵等工程中；2006年以來，聚羧酸系減水劑開始在預(yù)拌混凝土中大量應(yīng)用，隨之，聚羧酸系減水劑在預(yù)拌混凝土中應(yīng)用技術(shù)的研究與開發(fā)也迅猛發(fā)展。

通過在預(yù)拌混凝土中的試驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)踐，上海有一些攪拌站已在混凝土強(qiáng)度等級(jí)高于C35(含等級(jí)不低于C30 的水下灌注樁)的預(yù)拌混凝土工程中，全部采用聚羧酸系減水劑取代萘系等減水劑，其應(yīng)用不但提高了混凝土性能，還降低了混凝土的綜合成本。在強(qiáng)度等級(jí)低于C35的預(yù)拌混凝土中，可采用聚羧酸系減水劑或改性的聚羧酸系減水劑取代傳統(tǒng)減水劑。在上海已有不少中、低強(qiáng)度等級(jí)預(yù)拌混凝土中應(yīng)用聚羧酸系減水劑的工程。

近幾年來，上海市由攪拌站供應(yīng)預(yù)拌混凝土中使用聚羧酸系減水劑的工程實(shí)例主要有：

（1）標(biāo)志性建筑，如上海環(huán)球金融中心（高492m，101層，2008年竣工），全部采用聚羧酸高性能減水劑，在第三層28000m3基礎(chǔ)混凝土施工中，40小時(shí)一次性連續(xù)澆注，由8個(gè)預(yù)拌混凝土站、19部混凝土泵、350輛攪拌車同時(shí)供應(yīng)；上海中心大廈（高632m，127層），采用聚羧酸高性能減水劑配制C100的混凝土。

（2）市政、港口等基礎(chǔ)設(shè)施，如滬崇蘇越江通道（總長25.497公里），洋山國際深水港，上海浦東機(jī)場二期等。

（3）上海軌道交通工程，上海將新建10條城市快速軌道交通線路（總長389公里），在發(fā)布的《上海地鐵車站結(jié)構(gòu)混凝土的配制要求和混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中，規(guī)定了分布在上海各處的預(yù)拌混凝土公司為軌道交通工程—地下車站、盾構(gòu)管片、高架輕軌等工程提供的預(yù)拌混凝土均須采用聚羧酸系減水劑。

（4）工業(yè)、民用與公共建筑，聚羧酸系減水劑在預(yù)拌混凝土中的應(yīng)用取得了攪拌站和施工單位的認(rèn)可，如上海世博會(huì)中國館，上海世紀(jì)花園秋菊坊，鴻益千秋三期等工程，這些工程的混凝土施工質(zhì)量良好，深得客戶的好評(píng)。

2 在預(yù)拌混凝土中應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)與對(duì)策

聚羧酸系減水劑理論上可以廣泛應(yīng)用在各種強(qiáng)度要求的預(yù)拌混凝土中，但想要取代傳統(tǒng)減水劑還存在一些有待解決的技術(shù)難點(diǎn)。

2.1 混凝土保坍性

由于國內(nèi)的水泥品種比較復(fù)雜，加上混凝土砂、石料、礦物摻合料等受市場資源影響具有不確定的因素，我國預(yù)拌混凝土性能波動(dòng)性很大，混凝土的保坍性能這一方面尤其明顯，萘系等傳統(tǒng)減水劑通過復(fù)合、改性途徑，已摸索出一些由材料波動(dòng)影響混凝土坍落度保留值的改進(jìn)措施，而聚羧酸系減水劑是新型的外加劑，盡管在保坍性方面優(yōu)于傳統(tǒng)減水劑，但同樣存在著對(duì)水泥等各種材料的適應(yīng)性摸索進(jìn)而適應(yīng)性階段。

解決由混凝土材料波動(dòng)大引起的的保坍性這一難題的對(duì)策主要有：

(1)可通過聚羧酸系減水劑生產(chǎn)工藝方面的改進(jìn)，如采用優(yōu)質(zhì)的原料，更合理的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、嫁接合成等工藝來制備出滿足要求的水泥等材料適應(yīng)性廣、摻量低而坍損小的的聚羧酸系減水劑品種。

(2)不同聚羧酸母料混合

現(xiàn)在市場上的聚羧酸系高性能減水劑種類繁多，每一類母料的具體性能不同，有的在減水率方面，有的在凝結(jié)時(shí)間方面，有的在保坍性能方面，有選擇的將兩種或兩種以上的聚羧酸系減水劑復(fù)合，使之優(yōu)缺點(diǎn)相互互補(bǔ)，可得到性能較全面的聚羧酸系減水劑。在保坍性能方面也這樣，如下表1為兩種聚羧酸系減水劑復(fù)合后的性能對(duì)比：

從表1看出，隨著水泥比表面積（m2/kg）的增大，單一聚羧酸減水劑A的坍損逐漸增大，復(fù)合聚羧酸減水劑B后的AB產(chǎn)品，坍損可明顯減小。

(3)添加聚羧酸型保坍劑

隨著聚羧酸系減水劑的大量應(yīng)用，專門用于聚羧酸系減水劑的聚羧酸型保坍劑也開發(fā)出來，此類保坍劑對(duì)有些水泥應(yīng)用效果尚可，但價(jià)格昂貴。如表2為添加聚羧酸型保坍劑后的混凝土性能表現(xiàn)。

從表2中數(shù)據(jù)看出，不添加保坍劑，1h坍損為130mm，添加2.0%(以減水劑質(zhì)量計(jì))保坍劑后，1h坍損為35mm，2h坍損為130mm；添加8.0%(以減水劑質(zhì)量計(jì))保坍劑后，1 h坍損為15mm，2h坍損為25mm，保坍性能得到大大提高，并且添加保坍劑第2、3組的抗壓強(qiáng)度均得到了提高。

(4)添加非聚羧酸型保坍劑(改良劑)

萘系減水劑外加劑廠常用的保坍劑—葡萄糖酸鈉，應(yīng)用在聚羧酸系減水劑中，除在有限的幾個(gè)水泥品種中有些效果外，在許多水泥中其保坍性能并沒有很大的提高，因此必須添加特種的非聚羧酸型改良劑，如上海華聯(lián)建筑外加劑廠有限公司研發(fā)的TK-502改良劑等，經(jīng)大量試驗(yàn)研究得出：此類的改良劑效果已能夠滿足一般工程中的需要。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3中數(shù)據(jù)看出，不同的水泥，聚羧酸減水劑的適應(yīng)性不同，在聯(lián)合P.O42.5水泥中，不添加任何保坍劑，混凝土的保坍性能非常好，在海門海螺水泥中，添加常規(guī)的改良劑葡萄糖酸鈉，效果不明顯，添加特種的非聚羧酸型保坍劑（改良劑）后，初始坍落度變大且1 h坍損為30mm，完全可以滿足一般性施工需求。

2.2 在中、低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中的適用性

從這幾年上海市混凝土強(qiáng)度等級(jí)的分布情況來看，C35以上的混凝土只占30%多，C30及 C30以下的中、低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，約占65%多。聚羧酸系減水劑在中、低強(qiáng)度等級(jí)預(yù)拌混凝土中得以應(yīng)用，可分為以下2種情況：

(1)調(diào)節(jié)混凝土級(jí)配、直接使用聚羧酸系減水劑

在中、低強(qiáng)度等級(jí)預(yù)拌混凝土中直接使用時(shí)，應(yīng)注意到聚羧酸系減水劑高減水率的特點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)需調(diào)節(jié)混凝土配合比，即使降低了聚羧酸系減水劑摻量，也可得到比萘系減水劑更高的減水率。減水率提高，混凝土中用水量可減少，根據(jù)水膠比的關(guān)系，配合比中的水泥用量理論上可大大減少，但混凝土總漿量太少，影響混凝土的工作和易性，因此直接使用聚羧酸系減水劑時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)混凝土配合比,適當(dāng)調(diào)整粉煤灰等礦物摻合料摻量和砂率大小，控制漿體總量，可得到流動(dòng)性和強(qiáng)度較好的混凝土。表4為江都市錢江混凝土制品有限公司在中、低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中應(yīng)用聚羧酸系減水劑與萘系減水劑的對(duì)比情況：

表1 兩種聚羧酸高效減水劑復(fù)合效果

表2 添加聚羧酸型保坍劑效果（試驗(yàn)水泥：海門海螺P.O52.5水泥）

表3 添加非聚羧酸型改良劑效果（試驗(yàn)水泥：聯(lián)合P.O42.5水泥，海門海螺P.O42.5水泥）

表4 聚羧酸系減水劑與萘系減水劑的對(duì)比試驗(yàn)（試驗(yàn)水泥：銅陵海螺P.O42.5水泥）

表5 實(shí)驗(yàn)室聚羧酸系中效減水劑試驗(yàn)(C30,試驗(yàn)水泥：編號(hào)1、2為聯(lián)合P.O42.5，編號(hào)3、4為海門海螺P.O42.5)

表6 攪拌站聚羧酸中效減水劑試驗(yàn)（C25、C30常規(guī)配比,編號(hào)1-4為海螺水泥，編號(hào)5-8為金峰水泥）

從表4中數(shù)據(jù)來看，在中、低標(biāo)號(hào)混凝土中應(yīng)用聚羧酸系減水劑，與萘系減水劑相比，其原來配合比中的水泥用量可大大減少，同時(shí)增加粉煤灰的用量，使混凝土中漿體總量基本不變，混凝土的工作性能可大大提高，并且其后期抗壓強(qiáng)度均比用萘系減水劑的高，現(xiàn)在聚羧酸系減水劑經(jīng)過長時(shí)間的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，價(jià)格越來越低，綜合考慮和計(jì)算，混凝土成本不僅不會(huì)提高，還有可能大大降低，體現(xiàn)出應(yīng)用聚羧酸系減水劑良好的經(jīng)濟(jì)效益前景。

(2)合成或復(fù)配成中效減水劑

在中、低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中直接使用聚羧酸系減水劑時(shí)，對(duì)于有些水泥, 可把摻量調(diào)低來滿足其對(duì)最低減水率的要求，但混凝土保坍性不能滿足要求。因此，必須另行合成適應(yīng)中、低強(qiáng)度等級(jí)混凝土(滿足保坍性外，使用價(jià)格較低)的聚羧酸中效減水劑，或者將聚羧酸系減水劑復(fù)配成中效型外加劑。上海華聯(lián)建筑外加劑廠有限公司根據(jù)現(xiàn)在的市場需求，已成功開發(fā)了HL-II(J)型聚羧酸系中效減水劑，在實(shí)驗(yàn)室中與萘系中效HL-II相比數(shù)據(jù)如表5所示。

在上海市幾家攪拌站也進(jìn)行了初步的與常規(guī)萘系的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從實(shí)驗(yàn)室表5及攪拌站表6的數(shù)據(jù)可以看出，聚羧酸系中效減水劑HL-II(J)比萘系中效減水劑無論在工作性能，坍落度保持還是后期抗壓強(qiáng)度方面，都有著較大的優(yōu)勢。在聚羧酸系中效外加劑開發(fā)方面，幾家外資企業(yè)也有不同的產(chǎn)品，如西卡ViscoCrete1245系列聚羧酸系改性減水劑，格雷斯公司(Grace)聚羧酸中效減水劑MIRA-P80，已在工程中大量應(yīng)用。

3 結(jié)束語

（1）聚羧酸系減水劑具有“環(huán)保、節(jié)能、降耗”的優(yōu)勢，是綠色混凝土的首選外加劑，但在我國巨大的預(yù)拌混凝土市場中使用率很低，萘系減水劑仍占據(jù)此減水劑市場的絕大部分，如何使聚羧酸減水劑更加廣泛地應(yīng)用在各種強(qiáng)度等級(jí)的預(yù)拌混凝土中,是我國混凝土外加劑行業(yè)值得研究的課題。

（2）預(yù)拌混凝土具有材料波動(dòng)性大及中、低強(qiáng)度等級(jí)混凝土比例大的特點(diǎn)，在應(yīng)用聚羧酸系減水劑時(shí)，保證混凝土保坍性的方法主要可從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合成工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)，制備出對(duì)水泥等材料適應(yīng)廣的減水劑，除此之外，可用不同母料復(fù)合、摻保坍劑、改良劑等幾個(gè)方法解決保坍性問題。

（3）預(yù)拌混凝土中可直接使用聚羧酸系減水劑或復(fù)配成中效外加劑，降低使用摻量或復(fù)配成價(jià)格低廉的中效聚羧酸系外加劑是拓寬聚羧酸系減水劑在中、低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中應(yīng)用的途徑。

（4）隨著聚羧酸系減水劑在預(yù)拌混凝土中應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，聚羧酸系減水劑優(yōu)良性能逐漸被設(shè)計(jì)、施工和管理部門認(rèn)可，在其工程技術(shù)要求或行業(yè)規(guī)范中如被采納，這種綠色環(huán)保的外加劑必將在我國預(yù)拌混凝土巨大市場中得到更加廣泛的應(yīng)用。