新型聚羧酸系高性能減水劑在青島海灣大橋工程中的應(yīng)用研究

段 彬，齊淑芹

(1.山東華偉銀凱建材有限公司，山東 淄博 256410;2.淄博魯潤工程管理咨詢有限公司，山東 淄博 255000)

聚羧酸系高性能減水劑在混凝土施工中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，已成為制備高性能混凝土的關(guān)鍵性材料[1]，它具有減水率高、坍落度損失小、綠色和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［2-4］。隨著“十一五”計(jì)劃的全面實(shí)施，聚羧酸系高性能減水劑將會(huì)在國家的各種基礎(chǔ)建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

1 工程概況

青島海灣大橋是我國北方地區(qū)首座特大型海上集群工程，是山東省“五縱四橫一環(huán)”公路網(wǎng)主框架的重要組成部分，為青島市交通規(guī)劃中“一路一橋一隧”的組成部分。海灣大橋起始于膠州灣高速李村河大橋北，中間連接紅島，終于黃島經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)紅石巖，順接在建的青島—萊蕪高速公路。大橋全長26.707 km，主線為雙向六車道，橋梁寬35 m，2010年底通車，為北方地區(qū)最大的海工混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用壽命為100年。

2 設(shè)計(jì)方案及原材料要求

1)該項(xiàng)工程的重要性是不言而喻的，因此從工程的設(shè)計(jì)、原材料的選擇、施工質(zhì)量的要求各方面都是非常高的。灌注樁為C35混凝土，承臺(tái)和墩身為C40混凝土、C45混凝土，預(yù)制箱梁為C50混凝土;所有的混凝土結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量都要達(dá)到高性能混凝土的要求，特別是對混凝土的抗收縮性、抗 Cl－滲透、抗?jié)B、抗凍融等耐久性指標(biāo)以及外觀質(zhì)量提出了很高的要求。以大橋預(yù)制箱梁為例:該箱梁是目前我國最大的預(yù)制混凝土梁之一，單片總長為60 m，梁面寬15 m，后張預(yù)應(yīng)力施工，每架箱梁混凝土用量為870 m3，梁質(zhì)量可達(dá)2 200 t。設(shè)計(jì)強(qiáng)度C50泵送混凝土，抗凍融300次，電通量值<800 C，混凝土拆模后要求表面無氣泡，外光內(nèi)實(shí)，可謂真正意義的高性能混凝土。

2)原材料選擇 ①砂子:大沽河產(chǎn)河砂，平均細(xì)度模數(shù)為2.80，含泥量<1.5%，級配良好;②石子:即墨店集產(chǎn)5～20 mm連續(xù)級配的碎石，含泥量 <0.5%，堅(jiān)固性、級配滿足要求;③粉煤灰為電廠Ⅰ級灰，技術(shù)指標(biāo)如表1。④礦粉為青島產(chǎn) S95級磨細(xì)礦渣粉，技術(shù)指標(biāo)如表2。⑤水泥為山鋁P.I52.5水泥，技術(shù)指標(biāo)如表3。⑥外加劑:山東華偉銀凱建材有限公司產(chǎn)NOF-AS聚羧酸系高性能減水劑，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到GB8076—1997和JG223—2007一等品要求。

表1 工程用粉煤灰主要技術(shù)指標(biāo) %

表2 工程用礦渣粉主要技術(shù)指標(biāo)

表3 工程用水泥主要技術(shù)指標(biāo)

3 混凝土試驗(yàn)研究

1)混凝土配合比的優(yōu)化

大橋箱梁C50泵送混凝土配合比:針對各種原材料的情況，經(jīng)過大量的試配試驗(yàn)，最終優(yōu)選為兩個(gè)配合比方案(見表4)。

表4 大橋箱梁混凝土配合比 kg/m3

2)不同種類聚羧酸系高性能減水劑對混凝土性能的影響

首先，針對不同的膠凝材料和混凝土配合比，聚羧酸系高性能減水劑的摻加量不同，其對新拌混凝土的性能及其力學(xué)性能的影響也是非常顯著的。為了便于選擇最佳的聚羧酸產(chǎn)品種類，對配合比①、配合比②進(jìn)行了反復(fù)的驗(yàn)證后，最終確定聚羧酸系高性能減水劑(NOF-AS)的最佳摻量范圍為膠凝材料總量的(0.30±0.02)%(以折固量計(jì))。試驗(yàn)選擇了四種類型的聚羧酸系高性能減水劑:ZL(酯類品種)、ML(醚類品種)、ZML(酯醚類)和ZMX(酯醚酰胺類)，在同摻量下(減水劑摻量為0.30%，以膠凝材料總量計(jì))對混凝土的性能進(jìn)行驗(yàn)證，見表5。

表5 不同聚羧酸系高性能減水劑品種對混凝土性能的影響

表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，ZMX類聚羧酸系高性能減水劑具有最佳的綜合性能，最終選擇ZMX類，即酯醚酰胺復(fù)合類聚羧酸系高性能減水劑為工程用減水劑產(chǎn)品。經(jīng)驗(yàn)證兩個(gè)配合比均能滿足設(shè)計(jì)要求，并通過了監(jiān)理驗(yàn)證審批。

3)含氣量對混凝土性能的影響

新拌混凝土適當(dāng)?shù)暮瑲饬磕芨纳苹炷恋暮鸵仔?，提高混凝土的可泵?但對于≥C50的混凝土，若含氣量>4.0%，則影響混凝土的后期強(qiáng)度、收縮率比、電通量指標(biāo)和保塑性(見表6)。

表6 含氣量對混凝土性能的影響(配合比①)

通過試驗(yàn)可以得出結(jié)論:對于C50箱梁泵送混凝土的最佳含氣量范圍為2.5% ～3.0%，可通過調(diào)整減水劑的組分結(jié)構(gòu)可達(dá)到此目的。

4)新型(ZMX)聚羧酸系高性能減水劑的技術(shù)指標(biāo)(見表7)

表7 ZMX聚羧酸高性能減水劑的主要技術(shù)指標(biāo)

4 應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及解決方案

青島海灣大橋建設(shè)工期為三年，期間各種原材料雖然有嚴(yán)格的控制，但不可避免地存在波動(dòng)，如摻合料、砂和石料不可能保持完全一致;施工過程也經(jīng)歷春、夏、秋、冬四季，氣溫變化在 －7℃ ～30℃。這些因素都會(huì)對施工及混凝土的狀態(tài)產(chǎn)生影響，這就需要外加劑產(chǎn)品應(yīng)根據(jù)具體的情況作出相應(yīng)的調(diào)整，以滿足施工的要求。

4.1 混凝土含氣量的問題

1)混凝土的含氣量對其初始狀態(tài)的流動(dòng)度和擴(kuò)展度、保塑性能、強(qiáng)度以及耐久性有著明顯的影響。而在減水劑同摻量的條件下，新拌混凝土的含氣量會(huì)隨著膠凝材料(尤其是摻合料)的變化而發(fā)生明顯的改變。因此，在施工和澆筑混凝土過程中要密切關(guān)注混凝土含氣量的變化，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整減水劑的引氣組分。

2)解決方案:每次開盤、每澆筑40 m3混凝土均須測定混凝土的坍落度和含氣量(包括初始含氣量、經(jīng)運(yùn)輸后泵送前的含氣量、入模含氣量)以掌握混凝土含氣量的變化。

聚羧酸系減水劑產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中應(yīng)先消除產(chǎn)品本身引入的氣泡，再根據(jù)施工現(xiàn)場的情況，引入適量的穩(wěn)定氣泡。

4.2 環(huán)境氣溫變化對混凝土保塑性和可泵性的影響

1)隨著施工環(huán)境溫度和濕度的變化，混凝土的保塑性和可泵性會(huì)發(fā)生明顯的變化。氣溫偏低時(shí)，混凝土容易出現(xiàn)板結(jié)、泌水、泵送后離析;氣溫偏高時(shí)(夏季)由于水分蒸發(fā)較快，容易出現(xiàn)混凝土泵送后失去流動(dòng)性，混凝土表面初凝后易出現(xiàn)微裂縫。

2)解決方案:根據(jù)氣溫的變化分為四個(gè)區(qū)間:－7℃ ～5℃、>5℃ ～15℃，>15℃ ～25℃，>25℃～35℃。在某個(gè)氣溫季節(jié)中，減水劑組分選擇不同的搭配比例進(jìn)行合成生產(chǎn)，然后用現(xiàn)場配合比加以驗(yàn)證，使其與施工環(huán)境因素相匹配，以確?；炷恋氖┕べ|(zhì)量。

5 工程應(yīng)用效果

海灣大橋大型箱梁從施工至今已順利進(jìn)行了兩年多的時(shí)間，數(shù)百架箱梁已經(jīng)驗(yàn)收并成功安裝到位。整個(gè)過程可概括為:原材料嚴(yán)格把關(guān)，施工過程精心控制，順利地施工和預(yù)期張拉、拆模;外觀質(zhì)量:光亮、無氣泡、色澤均勻;混凝土的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)、耐久性指標(biāo)均完全達(dá)到設(shè)計(jì)驗(yàn)收要求。見圖1。

6 結(jié)束語

通過對青島海灣大橋特大型預(yù)制箱梁C50泵送混凝土新型高性能減水劑的研究應(yīng)用，可歸納為以下四點(diǎn):

1)高性能混凝土的制備應(yīng)對原材料進(jìn)行嚴(yán)格的控制，配合比要進(jìn)行優(yōu)選;

圖1 驗(yàn)收合格箱梁

2)單一品種的聚羧酸減水劑很難滿足高性能混凝土的特殊要求，應(yīng)采用復(fù)合類的聚羧酸減水劑;

3)含氣量對混凝土的各種性能的影響非常明顯，應(yīng)根據(jù)具體情況找出最佳含氣量范圍;

4)關(guān)注施工環(huán)境的溫度、濕度變化，根據(jù)情況調(diào)整減水劑組分進(jìn)行生產(chǎn)以適應(yīng)變化的施工環(huán)境，確保施工要求。

[1] 王棟民，熊衛(wèi)峰，左彥峰，等.聚羧酸鹽高性能減水劑的制備、作用機(jī)理及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.混凝土，2008(5):64-67.

[2] 郭延輝，郭京育.聚羧酸系高性能減水劑及其工程應(yīng)用發(fā)展綜述［C］//聚羧酸系高性能減水劑及其工程應(yīng)用研究會(huì)議論文，北京:中國鐵道出版社，2007(6):1-9.

[3] 李崇智，李永德，馮乃謙.聚羧酸鹽系高性能減水劑的研制及其性能［J］.混凝土與水泥制品，2002(2):3-6.

[4] 李崇智，馮乃謙.聚羧酸類高性能減水劑的研究進(jìn)展［J］.化學(xué)建材，2001(6):10-12.