一種早強型聚羧酸高性能減水劑的研制及在高速鐵路CRTSⅡ型混凝土軌道板中的應用*

劉俊元，郝廷宇，張丕華

（中冶集團建筑研究總院，北京100088）

一種早強型聚羧酸高性能減水劑的研制及在高速鐵路CRTSⅡ型混凝土軌道板中的應用*

劉俊元，郝廷宇，張丕華

（中冶集團建筑研究總院，北京100088）

聚羧酸系高效減水劑減水率高，對水泥的適應性好，研究開發(fā)新型的聚羧酸系減水劑受到國內(nèi)外廣泛關注，代表了高效減水劑的主要發(fā)展方向。本文介紹了一種早強型聚羧酸高性能減水劑的研制，該產(chǎn)品早期強度高，且不影響后期強度和耐久性能，在高速鐵路CRTSⅡ型混凝土軌道板中的應用效果良好。

早強；聚羧酸系高效減水劑；高速鐵路；軌道板

*科技部科研院所技術開發(fā)研究專項資金支持項目，名稱“高速鐵路用高性能混凝土關鍵材料及配套技術”，項目代號：NCSTE-2007-JKZX-032

0 引言

中國制定了雄偉的高速鐵路建設計劃，根據(jù)《中國鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，為滿足快速增長的旅客運輸需求，建立省會城市及大中城市間的快速客運通道，規(guī)劃“四縱四橫”鐵路快速客運通道以及三個城際快速客運系統(tǒng)。建設客運專線1.2萬公里以上，客車速度目標值達到每小時200公里及以上。這也將帶來一系列配套的新材料、新技術的發(fā)展。新建的高速鐵路客運專線將大量采用無砟軌道板，而其使用的早強型聚羧酸系高性能減水劑也將有廣闊的市場。

1 早強型聚羧酸系高性能減水劑的研制

為適應市場需求，我公司從2005年開始研制早強型聚羧酸系高性能混凝土減水劑，其主要技術路線是通過改變減水劑的分子結構來提高混凝土的性能，主要措施有：A、增加減水劑分子的側鏈長度；B、調(diào)整大分子單體和其它共聚物的比例；C、在減水劑分子鏈上接枝早強單體，調(diào)整減水劑的分子量。

在研制過程中，羧酸單體和大分子單體比對產(chǎn)品的性能有重要的影響。羧酸單體和大分子單體比是指聚合反應中丙烯酸類單體和大分子單體的摩爾比。隨著羧酸單體和大分子單體比的增加，合成的高效減水劑的粘度增大，粘度可以間接反映聚合物的分子量大小，這說明了減水劑的分子量增大了。這是由于相對于長側鏈的大分子單體，丙烯酸類單體更容易聚合，隨著丙烯酸類單體含量的增加，減水劑的主鏈變長，分子量變大，粘度變大。分子量對產(chǎn)品的性能有很大的影響，合適的分子量是獲得高性能減水劑的重要條件。我們還可以看出，分子結構對性能也有影響，合成的聚羧酸高效減水劑是一種梳形結構，羧酸單體和大分子單體比較低時，呈現(xiàn)出較密的梳狀結構，減水劑減水率較低，但是經(jīng)時保留好；反之，減水率高但經(jīng)時保留性能較差，但此時產(chǎn)品的早強效果較明顯。利用這一規(guī)律，可以從分子結構對目標減水劑進行設計，得到符合要求性能的高效減水劑。羧酸單體、大分子單體比和聚羧酸系高效減水劑的分子結構的關系，如圖1所示。當酸酯比高時，其結構如左圖，梳狀結構較稀疏，當酸酯比小時，結構如右圖所示。

圖1 酸酯比與減水劑結構關系

通過以上措施，使研制成功的早強型聚羧酸系高性能混凝土減水劑產(chǎn)品早期強度增長快，且不損失混凝土的后期強度和耐久性。早強型聚羧酸系高性能混凝土減水劑早強效果好，1d抗壓強度比超過180%，與通常聚羧酸產(chǎn)品相比，提高脫模強度40%以上，強度增加值10MPa以上，且混凝土后期強度高，耐久性能好。

2 早強型聚羧酸系高性能減水劑在CRTSⅡ型混凝土軌道板中的應用

2.1 CRTSⅡ型混凝土軌道板技術特點

現(xiàn)在我國的客運專線和高速鐵路大多采用德國BOGL公司無砟軌道技術，混凝土設計強度等級C55，彈性模量大于35.7GPa，抗彎強度6～7MPa；在生產(chǎn)工藝條件下，16h混凝土抗壓強度大于48MPa；混凝土芯部溫度55℃為宜，不宜超過60℃?？箖鲂浴軫300，抗?jié)B性≥P20，電通量≤1000C，以確?；炷恋哪途眯裕瑵M足結構使用年限要求；不難看出，16小時達到48MPa是技術難點。

2.2 CRTSⅡ型混凝土軌道板對外加劑的要求

《客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道混凝土軌道板暫行技術條件》中對外加劑作了如下規(guī)定：要求減水劑的減水率不小于25%，收縮率比不大于110%的聚羧酸系高性能減水劑，并禁止使用氯鹽類外加劑。按照德方要求，采用超細P·Ⅰ52.5水泥（水泥的比表面積在550 ～600m2/kg）配制混凝土，在水灰比為0.4的條件下達到16h混凝土抗壓強度大于48MPa的技術指標。而在我國，采用超細水泥需要單獨加工，增加了成本，因此，采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥替代超細水泥，通過礦物摻合料和化學外加劑的復合使用，調(diào)整膠凝材料早期水化進程，達到混凝土早期強度技術指標的要求。

2.3 試驗混凝土養(yǎng)護制度的確定

根據(jù)科技基[2008] 74號“客運專線CRTSII型板式無砟軌道混凝土軌道板暫行技術條件要求”，試驗中要模擬現(xiàn)場的條件對試件進行養(yǎng)護，在板的芯部埋入熱電偶來跟蹤記錄混凝土的芯部溫度，根據(jù)該溫度來制定混凝土試驗試塊的養(yǎng)護制度。

2.4 試驗用原材料

（1）水泥：基準水泥；山東榴園P·II42.5硅酸鹽水泥；蚌埠海螺P·II42.5硅酸鹽水泥；安徽海螺P·II42.5硅酸鹽水泥；張家港海螺P·II42.5硅酸鹽水泥。水泥的檢測指標如表1所示。

（2）外加劑：使用早強型聚羧酸系高性能減水劑，外加劑的檢測指標如表2所示。

（3）砂：試驗中使用贛江中砂，MX=2.6，表觀密度2620kg/m3，松散堆積密度1535kg/m3，緊密堆積密度1680kg/m3，含泥量0.2%，泥塊含量為0。

（4）石：采用湖州新開元5～10mm和10～20mm二級配碎石，摻配比例為40%，60%，表觀密度2780 kg/m3，空隙率為38%，含泥量0.1%，泥塊含量為0，壓碎指標2.1%，巖石抗壓強度125 MPa。

2.5 試驗混凝土配合比

根據(jù)科技基[2008] 74號“客運專線CRTSII型板式無砟軌道混凝土軌道板暫行技術條件要求”，采用配合比如表3所示。

2.6 混凝土性能試驗

使用上述原材料進行了混凝土試驗，對比了不同水泥對混凝土各項性能的影響。試驗中根據(jù)板場的施工工藝，混凝土坍落度為160～200mm，試塊在養(yǎng)護箱中進行了16小時同條件養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度根據(jù)試驗板芯部溫度確定，16小時后轉入標養(yǎng)室進行標養(yǎng)，標養(yǎng)達到齡期后進行了性能檢測，具體試驗結果見表4。

按照施工工藝要求，混凝土初始坍落度控制在160～200mm，半小時基本無損失，滿足了施工要求，含氣量也滿足設計要求。按照軌道板生產(chǎn)工藝進行的同條件養(yǎng)護試件16h抗壓強度全部滿足拆模放張強度要求，28d抗壓強度富余系數(shù)較大。通過電通量和凍融試驗來對混凝土的耐久性能進行了考核，電通量和凍融后彈模損失率都很低。

2.7 JG-2H（早強型）聚羧酸系高性能減水劑對混凝土抗裂性能影響試驗

CRTSII型板式無砟軌道混凝土軌道板從結構上看，屬于薄板結構，面積比較大，雖然施工工藝要求早期覆蓋、灑水等進行養(yǎng)護，但由于表面失水和早期水化劇烈，很容易產(chǎn)生早期的塑性收縮開裂，表面開裂的存在嚴重影響了高性能混凝土的抗凍融性能和抗?jié)B透性能，從而影響了其耐久性能，因此，高性能混凝土材料最終能否實現(xiàn)高性能目標關鍵之一是配制的混凝土材料是否具有良好的抗裂性能。在大多數(shù)情況下混凝土的過早劣化與混凝土自身產(chǎn)生有害裂縫導致耐久性能下降有直接關系。因此，JG-2H（早強型）聚羧酸系高性能減水劑在CRTSⅡ型軌道板混凝土配合比中的應用試驗中進行了抗裂性能研究。

表1 試驗用水泥檢測各項性能指標

表2 試驗用減水劑各項性能指標

表3 試驗混凝土配合比

表4 不同原材料混凝土性能

圖2 圓環(huán)法和平板法抗裂試驗

試驗中采用了圓環(huán)法試驗和平板試驗研究早期自收縮、塑性收縮和干燥收縮對混凝土開裂性能的影響。采用圓環(huán)法進行試驗時，28天均未出現(xiàn)開裂或明顯的縱向裂紋，在此不多贅述。平板法采用日本豎井芳夫教授提出的實驗方法：即600mm×600mm×63mm平板實驗法，四周用螺栓固定。具體實驗結果見表5。

由以上試驗結果可以看出，早強型聚羧酸系高性能減水劑從分子結構設計出發(fā)來提高混凝土的早期強度，無需添加其他早強組分，混凝土早期強度增長快，且后期強度和耐久性也都能滿足要求。

表5 不同水泥平板法混凝土抗裂性能試驗結果

3 應用情況

在CRTSⅡ型軌道板混凝土使用該早強型聚羧酸系高性能減水劑時，混凝土的和易性好，含氣量滿足CRTSⅡ型軌道板混凝土要求，拌合性能均滿足施工要求，產(chǎn)品在京滬高速鐵路北京到徐州段八個軌道板廠使用幾千噸，得到了良好的評價。

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[單位地址]北京市海淀區(qū)西土城路33號（100088）

劉俊元，工學碩士，中冶建筑研究總院有限公司高性能混凝土研究院工程師，主要從事混凝土外加劑的研發(fā)工作。