聚羧酸高性能減水劑在高速鐵路工程中的應(yīng)用實踐

黃勇,毛永琳,陳亮,艾賓強,張立華,張偉南

（1.甘肅第七建設(shè)集團股份有限公司混凝土構(gòu)件公司，蘭州 730000；2.江蘇博特新材料有限公司，江蘇南京210008）

1 前言

聚羧酸高性能減水劑以其高減水、高保坍、低收縮、分子結(jié)構(gòu)可調(diào)性強而成為第三代混凝土減水劑[1～5]。聚羧酸高性能減水劑的市場應(yīng)用正逐年增加，2011 年全年用量超過了160萬噸左右。按聚羧酸減水劑摻量為總膠材的1%計算，則采用聚羧酸減水劑生產(chǎn)的混凝土達(dá)到2 億m3以上。隨著我國客運專線建設(shè)速度的加快，對聚羧酸高性能減水劑的需求量越來越大。雖然聚羧酸高性能減水劑為加速高速鐵路工程建設(shè)和保證工程質(zhì)量發(fā)揮了積極的作用，但聚羧酸高性能減水劑在工程應(yīng)用過程中依然出現(xiàn)一系列的問題，這充分說明了聚羧酸高性能減水劑的應(yīng)用技術(shù)的研究遠(yuǎn)不及產(chǎn)品的推廣應(yīng)用速度。因此，有針對性的開發(fā)聚羧酸高性能減水劑的應(yīng)用技術(shù)，加強聚羧酸高性能減水劑工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)，對高速鐵路建設(shè)將具有一定的指導(dǎo)作用。

2 聚羧酸高性能減水劑的種類及性能特點

聚羧酸系減水劑的優(yōu)勢之一是其分子結(jié)構(gòu)和性能的可設(shè)計性好[1～5]，通過原材料的組合和分子結(jié)構(gòu)的調(diào)整可以合成出系列性能特點不同的高性能減水劑產(chǎn)品，這些性能特點不同的減水劑之間可以通過復(fù)配實現(xiàn)性能互補。從目前的研究進展情況來看，聚羧酸高性能減水劑按應(yīng)用功能大體上可以分成四大類：（1）通用型聚羧酸減水劑，該類減水劑具有高減水、保坍能力好、收縮低的特點，可以滿足大部分混凝土工程應(yīng)用需要，占市場應(yīng)用的主體；（2）保坍型聚羧酸減水劑，該類產(chǎn)品減水能力有限，但卻有較高的坍落度保持能力，可以與通用型聚羧酸減水劑復(fù)合應(yīng)用解決其在工程應(yīng)用中的坍落度損失問題，也可單獨應(yīng)用解決中、低流動性混凝土流動性保持難題；（3）早強型聚羧酸減水劑，該類產(chǎn)品能夠促進水泥早期水化進程，使混凝土的凝結(jié)時間提前，從而獲得較高的早期力學(xué)強度，主要適用于預(yù)制構(gòu)件工程和部分冬季低溫施工工程中，但該類產(chǎn)品的保坍能力有限；（4）減縮抗裂型聚羧酸減水劑，該類產(chǎn)品具有較通用型聚羧酸減水劑更好的減少混凝土收縮的能力。表1中列出了江蘇博特新材料有限公司系列聚羧酸高性能減水劑的檢測指標(biāo)。

表1 不同種類聚羧酸高性能減水劑樣品的基本性能比較

3 高速鐵路工程施工用混凝土外加劑的選用

高速鐵路工程建設(shè)用混凝土為高性能混凝土，混凝土原材料的品質(zhì)要求比現(xiàn)行相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有所提高，對處于不同環(huán)境的混凝土以抗氯離子滲透性、抗凍性、耐蝕性、抗堿－骨料反應(yīng)性等多種耐久性要求進行性能設(shè)計。礦物摻合料和聚羧酸系外加劑的使用納入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。高速鐵路工程主體結(jié)構(gòu)分為樁基、承臺、墩身、箱梁、軌道板等幾部分，不同部位施工工藝、性能要求差異較大，表2 給出了高速鐵路工程不同結(jié)構(gòu)部位混凝土的典型配合比。如何選用適合的聚羧酸高性能減水劑配制相應(yīng)混凝土，是聚羧酸高性能減水劑在客運專線混凝土施工中的關(guān)鍵。

3.1 灌注樁混凝土用聚羧酸高性能減水劑優(yōu)選

灌注樁混凝土澆筑施工采用導(dǎo)管灌注施工，屬于中低強、大流態(tài)混凝土，要求混凝土具有良好的流動性和和易性，保證灌注施工的連續(xù)性，以防斷樁等工程事故發(fā)生。配制灌注樁混凝土的外加劑應(yīng)具備如下特點：（1）適中的減水率（大于25%）：灌注樁混凝土水膠比一般控制在0.38～0.42，一般聚羧酸減水劑的減水能力均能滿足要求；（2）良好的坍落度保持能力：灌注施工要求混凝土在入導(dǎo)管時擴展度大于450mm，混凝土流動度損失控制成為灌注樁混凝土施工成敗的關(guān)鍵，當(dāng)混凝土原材料質(zhì)量較差導(dǎo)致混凝土損失過大時，應(yīng)采用緩凝劑或保坍型聚羧酸外加劑與通用型聚羧酸產(chǎn)品復(fù)合應(yīng)用的方式加以調(diào)控；（3）一定的引氣能力：漿集比達(dá)到0.35∶0.65 才能實現(xiàn)大流態(tài)高性能混凝土新拌性能、力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性之間的相互統(tǒng)一。從表2 中C30 灌注樁的典型配合比可見，水泥漿體含量達(dá)到0.293，必須通過控制混凝土含氣量達(dá)到3%～5%加以調(diào)整，使其水泥漿體含量提高到0.33～0.35，才能滿足施工性能與硬化性能的統(tǒng)一。

表2 高速鐵路工程不同部位混凝土典型配合比

表3 粘土對摻聚羧酸減水劑水泥凈漿流動度的影響

3.2 承臺、墩身混凝土用聚羧酸高性能減水劑優(yōu)選

承臺、墩身混凝土一般采取泵送施工，屬于中低強、高流動度混凝土范疇。應(yīng)用于灌注樁混凝土施工的聚羧酸高性能減水劑可滿足承臺、墩身混凝土施工要求。但由于承臺、墩身混凝土對坍落度的要求有所降低（14～18cm），所以應(yīng)在外加劑摻量上做適當(dāng)調(diào)整。由于承臺、墩身混凝土屬于地上結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)控制混凝土含氣量2%～4%，以保證混凝土外觀質(zhì)量。

3.3 箱梁混凝土用聚羧酸高性能減水劑優(yōu)選

箱梁混凝土一般采取泵送施工，屬于中高強度、大流態(tài)混凝土范疇。配制箱梁混凝土的外加劑應(yīng)具備如下特點：（1）較高的減水率（大于27%）：箱梁混凝土強度等級為C50，水膠比一般控制在0.31～0.33，需要聚羧酸減水劑有較高的減水能力；（2）良好的坍落度保持能力：箱梁混凝土一般需要連續(xù)施工8～10h，所以需要混凝土性能穩(wěn)定，流動度損失小。緩凝劑或保坍型聚羧酸外加劑與通用型聚羧酸產(chǎn)品復(fù)合應(yīng)用可以調(diào)控箱梁混凝土的流動度損失；（3）有一定的降粘能力：C50 箱梁混凝土經(jīng)常出現(xiàn)過粘現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土難以泵送施工，造成堵泵事故。在聚羧酸減水劑優(yōu)選時應(yīng)該選擇飽和摻量高、飽和摻量時減水率高的減水劑，這可以減少聚羧酸減水劑過飽和導(dǎo)致的混凝土粘度顯著增加。另外，適當(dāng)提高聚羧酸減水劑的引氣能力也是改善混凝土粘度的措施，應(yīng)通過調(diào)整聚羧酸結(jié)構(gòu)達(dá)到控制混凝土含氣量2%～4%。

3.4 軌道板混凝土性能要求及聚羧酸高性能減水劑

軌道板混凝土采用中溫蒸汽養(yǎng)護生產(chǎn)，屬于高強、中等流動、預(yù)制混凝土范疇。配制軌道板混凝土的外加劑應(yīng)具備如下特點：（1）較高的減水率（大于30%）：軌道板混凝土強度等級為C55～C60，水膠比一般控制在0.28～0.30，需要聚羧酸減水劑有較高的減水能力；（2）良好早強效果：軌道板混凝土屬于預(yù)制構(gòu)件，為了加快生產(chǎn)進度和模板周轉(zhuǎn)，要求混凝土16h抗壓強度大于48MPa。在選擇聚羧酸減水劑時應(yīng)考察其凝結(jié)時間差，選擇凝結(jié)時間小于60min 的聚羧酸減水劑，縮短養(yǎng)護周期。

4 聚羧酸高性能減水劑應(yīng)用注意事項

聚羧酸減水劑在高速鐵路工程中應(yīng)用除了要滿足特定結(jié)構(gòu)部位的施工工藝、性能要求外，還要注意一些應(yīng)用過程中的共性問題。

4.1 聚羧酸減水劑與水泥的相容性

由于我國水泥產(chǎn)品礦物成分較為復(fù)雜，加之摻合料的大量應(yīng)用，聚羧酸類減水劑對不同水泥仍存在適應(yīng)性問題。聚羧酸減水劑與水泥的相容性差，主要是由于聚羧酸減水劑在水泥顆粒上的吸附異常。水泥中的堿式硫酸鹽過多會造成聚羧酸減水劑吸附困難[6]，只能通過提高聚羧酸摻量改善混凝土流動性。而比表面積大或C3A 含量較高將導(dǎo)致聚羧酸減水劑吸附過多，加劇了新拌混凝土的流動度損失。另外煤矸石、萘系助磨劑等摻入水泥也會造成混凝土流動度降低。當(dāng)遇到上述問題時除了更換水泥外，也可以通過調(diào)控聚羧酸減水劑的分子結(jié)構(gòu)從而改變其吸附行為來解決相容性問題。

4.2 聚羧酸高性能減水劑對含泥量的敏感性

砂石中粘土對聚羧酸系減水劑應(yīng)用的負(fù)面影響已經(jīng)為大家公知[7]，但尚無很好的解決措施。粘土層間結(jié)構(gòu)能夠大量吸附聚羧酸系減水劑分子，降低了用于分散水泥顆粒的聚羧酸減水劑含量，分散性變差，混凝土流動度保持能力降低，見表3。

由表3 可見，抗粘土型聚羧酸減水劑對骨料含泥量較高的混凝土流動度影響相對較小，這得益于該類減水劑在粘土顆粒上的吸附較少。還有報道介紹，小分子陽離子聚合物更易于吸附在粘土顆粒表面，當(dāng)其與聚羧酸減水劑混合應(yīng)用時，可以與聚羧酸減水劑在混凝土顆粒上競爭吸附，降低聚羧酸減水劑在粘土顆粒表面的吸附，提高混凝土的流動性。

4.3 聚羧酸高性能減水劑的溫度敏感性

環(huán)境溫度的變化對聚羧酸減水劑的應(yīng)用性能影響較大，當(dāng)聚羧酸減水劑在高溫環(huán)境下應(yīng)用時坍落度損失增大，而當(dāng)環(huán)境溫度低于15℃時坍落度會出現(xiàn)反增長現(xiàn)象，這使施工人員很難控制混凝土的流動度，從而影響了混凝土的質(zhì)量。

聚羧酸減水劑結(jié)構(gòu)可調(diào)控性強，通過調(diào)整吸附基團含量可以控制其在不同溫度環(huán)境下的吸附行為，進而改善流動度變化幅度，達(dá)到在不同溫度環(huán)境下應(yīng)用都能保證混凝土流動度的穩(wěn)定，保證施工正常進行。圖1中高溫型產(chǎn)品在溫度達(dá)到30℃時，坍落度基本保持穩(wěn)定，適合于夏季施工應(yīng)用；而低溫型產(chǎn)品可以保證環(huán)境溫度降低至5℃時，混凝土坍落度不出現(xiàn)增加現(xiàn)象，適合于冬季混凝土施工。

圖1 不同種類聚羧酸減水劑在不同溫度環(huán)境下的應(yīng)用性能

5 結(jié)論

聚羧酸系減水劑作為第三代混凝土減水劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高速鐵路工程建設(shè)混凝土施工中。如何根據(jù)混凝土施工工藝要求及性能要求選擇適合的聚羧酸減水劑是應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵。聚羧酸產(chǎn)品的系列化使其更適合配制高性能混凝土，可以滿足高性能混凝土的特殊功能要求。聚羧酸減水劑在應(yīng)用過程中還存在水泥適應(yīng)性、骨料含泥量影響和溫度敏感性等應(yīng)用問題，在應(yīng)用過程中應(yīng)加以注意。當(dāng)施工過程中發(fā)生類似問題時應(yīng)結(jié)合混凝土原材料及聚羧酸減水劑兩方面綜合考慮，提出最佳解決方案。

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