聚羧酸減水劑在不同類型混凝土中的技術應用

吳昊，查炎鵬，賈方方，劉俊元，馬強，吳敬朋（北京市功能性高分子建筑材料工程技術研究中心，北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京　100039）

聚羧酸減水劑在不同類型混凝土中的技術應用

吳昊，查炎鵬，賈方方，劉俊元，馬強，吳敬朋
（北京市功能性高分子建筑材料工程技術研究中心，北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京100039）

介紹了聚羧酸減水劑在普通預拌混凝土、自密實混凝土及預制構件中的應用。在預拌混凝土中，抗泥緩凝劑PR可以減輕泥對聚羧酸減水劑的影響；在自密實混凝土中，使用減水劑PC3600、PC9096、PC8000和PC4000，以及狀態(tài)調節(jié)劑PM-1、PM-6，并將含氣量控制在4.5%時，可以得到性能較優(yōu)異的混凝土。在混凝土預制構件中，合理使用增稠劑和引氣劑可以改善構件的表面質量。在活性粉末混凝土中試配表明，聚羧酸減水劑比氨基磺酸鹽減水劑表現(xiàn)出更好的早期強度發(fā)展。

聚羧酸減水劑；預拌混凝土；自密實混凝土；預制構件；應用

0　引言

聚羧酸減水劑（PCE）在我國的快速推廣應用時間已超過10余年。PCE的高減水率使混凝土的水膠比大大降低，為混凝土材料進一步高性能化提供了可能性。PCE具備不同于傳統(tǒng)木質素磺酸鹽（LS）和萘系減水劑（BNS）的立體梳形結構，致其分散能力顯著增強，減水率大幅提高，同時可以根據需要在其分子主鏈上引入不同的官能團，以起到減水、分散、引氣、保坍及緩釋等不同作用，分子可設計性強。目前，PCE的應用領域已經從國家各級工程項目全面延伸到民用建筑預拌混凝土市場，應用類型也逐漸由高標號混凝土、特殊種類混凝土向普通低標號混凝土過渡［1-2］。

現(xiàn)代混凝土體系是一個多因素、共協(xié)同的綜合體系，然而由于PCE自身敏感性高以及混凝土原材料質量變差等客觀原因的影響，傳統(tǒng)粗放的外加劑使用方式已經很難滿足日趨復雜的混凝土技術要求，PCE的精細化應用迫在眉睫。PCE的功能化開發(fā)同樣也推動著復配技術的發(fā)展，以多類型母液及各類功能性組分復配形成功能各異、性能優(yōu)良的混凝土外加劑產品，已經能夠滿足不同類型混凝土的配制要求。在普通預拌混凝土中，要以具體應用要求為依據，設計與復雜混凝土原材料及其變化具有良好適應性的PCE產品。在自密實混凝土（SCC）中，要注意PCE與各項混凝土性能指標的匹配性，往往需要多種PCE及功能小料復合使用，以形成綜合作用。對混凝土預制構件用PCE產品而言，要同時滿足低摻量、高減水、低流動性、低引氣性、早強和不延緩凝結時間的技術要求［3-5］。筆者結合近幾年來的工作實踐，闡述了PCE在不同混凝土中的應用情況，旨在為PCE的進一步應用提供借鑒。

1　試驗

1.1試驗材料

水泥：金隅P·O42.5、P·O42.5R水泥；粉煤灰：Ⅰ級和Ⅱ級，河北唐山粉煤灰；礦粉：S95級，河北三河礦粉；硅灰：SiO2含量95%，河北產半加密硅灰；微珠：Ⅰ級粉煤灰提取物，河北唐山；細骨料：Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)2.6，以及粒徑范圍0.16～1.25 mm的粗、中、細三級石英砂；粗骨料：5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm三級級配碎石，以及5～31.5 mm連續(xù)級配卵石；聚羧酸減水劑：均為自制，分別為聚醚類減水型母液PC3600，聚醚類保坍型母液PC9096，聚醚類降粘型母液PC8000及聚酯類減水型母液PC4000，固體含量均為40%；氨基磺酸鹽高效減水劑（AS）：自制；抗泥緩凝劑PR：自制；引氣劑AV601及消泡劑DFC：德固賽公司產品；狀態(tài)調節(jié)劑：降黏劑PM-1、增稠劑PM-6，均為自制。

1.2主要試驗儀器設備

混凝土攪拌機；坍落度筒；混凝土含氣量測定儀；混凝土蒸汽養(yǎng)護箱；壓力試驗機；V型漏斗測定儀等。

1.3試驗方法

砂中含泥量按照JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》進行測試；

混凝土含氣量，混凝土坍落度、坍落擴展度及其經時變化按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試；

倒置坍落度筒排空試驗（簡稱倒置時間）按照JGJ/T 281—2012《高強混凝土應用技術工程》進行；

V漏斗時間按照CECS 203：2006《自密實混凝土應用技術規(guī)程》進行測試；

混凝土試件制作與養(yǎng)護、抗壓強度測試按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

2　應用及討論

2.1在普通預拌混凝土中的應用

普通預拌混凝土一般指混凝土攪拌站生產的C40及以下標號的混凝土，在建筑混凝土中所占的比重很大。普通混凝土通常具有較大的水膠比（W/B），低膠凝材料用量和相對高礦物摻合料用量等特征，砂石骨料質量波動以及級配差異也較明顯，加之PCE自身敏感性強，致使其與原材料相容性差的缺點被放大，導致PCE在普通混凝土中的應用情況比較復雜。以北京某攪拌站C30混凝土配比為例，分析PCE在低標號混凝土中的技術應用情況。C30混凝土的配合比（kg/m3）為：m（P·O42.5R水泥）∶m（Ⅱ級粉煤灰）∶m（礦粉）∶m（中砂）∶m（卵石）∶m（水）∶m（外加劑）=215∶81∶71∶881∶954∶170∶適量。該C30混凝土技術要求為初始坍落度＞220 mm，1 h坍落度≥200 mm，硬化后混凝土表面不能存在大孔徑氣孔，含氣量≤3%，無泌水抓底現(xiàn)象。通過試驗得知，中砂含泥量達10%，此時若只復配使用減水型與保坍型母液并提高摻量，可以減少混凝土坍損，但混凝土初始狀態(tài)泌漿嚴重，且原料成本過高。復配一種抗泥緩凝劑PR，在同等PCE摻量條件下可以提高混凝土的保塑能力，同時通過適當降低引氣劑的用量，并加入一定量的消泡劑，以起到消除大泡，保留小泡的細化氣泡結構作用，在保持良好的混凝土和易性的同時顯著降低了硬化混凝土表面氣孔量。不同外加劑在不同摻量下混凝土性能見表1。

表1　不同外加劑在不同摻量下的混凝土性能

由表1可見，通過復配PR，在相同2.0%摻量下，混凝土的2 h經時坍落度損失改善效果明顯。同時，PR的使用降低了減水劑的摻量，綜合計算節(jié)省了外加劑的復配成本，更易于被攪拌站接受。

2.2在自密實混凝土中的應用

SCC是指在自身重力作用下，能夠流動、密實，即使存在致密鋼筋也能完全填充模板，同時獲得很好勻質性，并且不需要附加振搗的混凝土。如今根據實際用途，SCC主要以具有大流態(tài)、自填充功能的強度等級為C60及以上的高強混凝土為主。SCC的出現(xiàn)極大地推動了混凝土技術和建筑技術的發(fā)展，由于不需振搗，混凝土的澆筑時間大為縮短，施工效率大幅提高。同時依靠自身大流動性的特點，一系列設計復雜、不便施工的異形建筑結構的澆筑得以實現(xiàn)，同時表面不會出現(xiàn)大孔隙及蜂窩麻面等缺陷，節(jié)省了后期修補的工序，也避免了振搗對混凝土表面質量的影響［6-7］。

配制高強混凝土除了要遵循配制普通混凝土的一般原則外，還有著更為嚴格的要求。例如應選用質量穩(wěn)定、需水量低、與外加劑相容性好且強度等級不低于42.5級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥；對于強度等級為C60的混凝土，其粗骨料的最大粒徑應≤31.5 mm，對于強度等級高于C60的混凝土，其粗骨料的最大粒徑應≤25 mm，細骨料則以細度模數(shù)適中的中河砂或含泥含粉量較低的機制砂為宜。

以某項目C70高強自密實混凝土試配為例，技術要求為：初始擴展度≤800 mm，3 h擴展度≥650 mm，且拌和物無明顯離析泌漿和抓底現(xiàn)象，初凝時間小于8 h，7 d抗壓強度不小于設計強度的80%。要求混凝土的流動性、保塑性和自流平能力均極強，對外加劑產品提出了非常高的要求。C70自密實混凝土的配合比（kg/m3）為：m（P·O42.5水泥）∶m（Ⅰ級粉煤灰）∶m（硅灰）∶m（微珠）∶m（中砂）∶m（5～10 mm碎石）∶m（水）∶m（外加劑）=385∶152∶31∶38∶686∶945∶160∶適量。

SCC的膠材用量大，水膠比低，導致混凝土體系的整體黏度大，雖然加入微珠等礦物減水劑可以顯著降低泵壓，但SCC本身的高粘聚態(tài)與良好和易性之間的矛盾仍需通過調整PCE及其它復配組分和用量來加以解決。降黏劑PM-1及增稠劑PM-6可以改善混凝土的黏度特性及包裹性，使SCC在不泌漿離析的狀態(tài)下盡可能具備最大的流動性。未使用PM-1和PM-6的新拌混凝土狀態(tài)如圖1所示，復配減水劑總母液質量1%的PM-1及0.2%PM-6的混凝土的狀態(tài)如圖2所示。

圖1　未使用PM-1和PM-6的混凝土狀態(tài)

圖2　使用PM-1和PM-6的混凝土狀態(tài)

由圖1可見，混凝土的泌漿較為明顯，且在翻動時明顯費力，有抓底的現(xiàn)象產生。

由圖2可見，通過復配減水劑總母液質量1%的PM-1及0.2%的PM-6，混凝土的和易性顯著改善，漿體與石子均勻包裹分布，泌漿抓底現(xiàn)象消失，混凝土翻動起來較為輕松。可見，加入狀態(tài)調節(jié)劑PM-1及PM-6可以改善漿體黏度特性，改善混凝土和易性。PM-6本身并不具備保塑作用，但其可以通過分子交聯(lián)增加漿體的黏稠度，來達到調和漿體的流變形態(tài)，防止?jié){體外溢的作用效果，從而體現(xiàn)出一定的“保塑”效果。PM-1用于高標號混凝土的漿體降黏。SCC高膠材、低水膠比，漿體黏度大的特點極易導致混凝土變硬，流速減慢，并導致堵泵。以本配合比為例，其膠材用量為606 kg/m3，W/B= 0.26，要求初始倒置時間t≤15 s，V型漏斗初始時間t0≤30 s。高膠材用量會保證漿體的充盈度，但同時低水膠比也會增大漿體黏度，如不降低漿體黏度，就很難保證上述流出性指標的要求。在本試驗中，使用了多種母液進行復合，試驗結果表明可以滿足混凝土流動性、保坍性及和易性的各方面要求，具體試驗方案及結果見表2。

表2　使用不同聚羧酸減水劑母液的混凝土坍落度及擴展度

由表2可見，1#混凝土的流動性最好，但是其和易性狀態(tài)較差，靜置后會泌漿和抓底，3 h損失不明顯。2#和3#混凝土分別用PC4000和PC8000替代1#中的聚羧酸減水劑母液PC3600及PC9096各10%，其性能呈現(xiàn)不同變化。PC4000的減水率不如PC3600高，但優(yōu)點是混凝土狀態(tài)好，柔軟及包裹性好，主要問題是保坍性差。PC8000可降低高標號混凝土黏度，一定程度上作用近似于PC4000，但減水率更高，其混凝土狀態(tài)仍不夠理想，主要問題是包裹差。4#集合了上述各聚羧酸減水劑母液的優(yōu)勢，使之發(fā)揮各自特點，整體上形成功能互補。總體而言，3#和4#混凝土狀態(tài)較接近，4#稍優(yōu)于3#。要想達到SCC所要求的理想狀態(tài)，還需要復配功能性小料，其中加入引氣劑被認為是降低漿體黏度的有效措施之一。圖3為相同條件下含氣量對SCC倒置時間的影響，圖4為相同條件下含氣量對SCC的V型漏斗時間的影響。

圖3　含氣量對SCC的倒置時間的影響

圖4　含氣量對SCC的V型漏斗時間的影響

由圖3、圖4可見，SCC含氣量在4.5%左右時，混凝土的流動性能最優(yōu)，表明SCC的黏度適中。

2.3在預制構件中的應用

近年來，住宅產業(yè)化發(fā)展勢頭迅猛，也進一步推動了混凝土預制構件產品的發(fā)展。用于生產預制構件的混凝土的特點為小坍落度、流變性好、凝結時間短、早期強度發(fā)展快。預制構件混凝土一般情況較少使用引氣劑，同時消泡劑的用量可適當提高，這樣不但可以提高混凝土的強度，也可以使構件的表面更為光潔，減少氣孔、蜂窩、水紋等缺陷。圖5、圖6分別為某住宅產業(yè)化中心預制樓梯板先期生產過程中出現(xiàn)的水紋及氣孔缺陷。

圖5　預制樓梯板的水紋缺陷

圖6　預制樓梯板的氣孔缺陷

由圖5可見，構件表面出現(xiàn)明顯水紋，說明澆筑時存在混凝土泌水現(xiàn)象，振搗后就會在表面留下此缺陷。圖6說明使用外加劑產品有可能存在含氣量過高的問題。因此可考慮采取以下措施進行調整：首先降低外加劑摻量，如需要可摻入一定量的生物膠或纖維素醚，起到增稠作用，減少脫模后水紋現(xiàn)象發(fā)生的可能性；其次，降低引氣劑用量，同時盡量不要使用三乙醇胺等在蒸養(yǎng)下易產生揮發(fā)的早強劑，可以避免有害氣孔的出現(xiàn)。此外，還需要生產廠注意模具的清理以及脫模劑的選用和涂刷，并且盡量在灌注縱向尺寸較大的構件時要分3層以上進行振搗，充分排除氣泡。經過以上措施的改進，構件表觀質量有了非常明顯的改善，見圖7。

圖7　改進后的構件表面質量

對于早期強度要求比較高的混凝土產品，可以從多方面入手加以解決。首先，可使用細度更小的水泥品種。水泥細度越小，比表面積就越大，相應的水化速率和水化進程就越快，早期強度發(fā)展的也越快。使用早強型水泥可大大促進混凝土早期強度的發(fā)展。其次，使用早強劑或具有早強功能的高性能減水劑以提高制品的早期強度。第三，采取蒸養(yǎng)等措施可大幅促進混凝土早期強度的發(fā)展［8-9］。結合PCE在活性粉末混凝土（RPC）配比試驗為例，說明PCE對預制構件強度的影響。

某素RPC（無粗骨料）的配合比（kg/m3）為：m（P·O42.5水泥）∶m（硅灰）∶m（細砂）∶m（石英砂）∶m（粗砂）∶m（水）∶m（外加劑）＝706∶160∶179∶714∶357∶144∶適量。分別使用氨基磺酸鹽高效減水劑（AS）和聚羧酸高性能減水劑（PCE）配制素RPC，以坍落度達到200 mm時確定其各自摻量，裝模后分別測試不同齡期及蒸養(yǎng)條件下的抗壓強度，結果如表3所示。

表3　不同養(yǎng)護條件下使用AS和PCE配制的素RPC各齡期的抗壓強度　MPa

由表3可見，使用PCE的試塊抗壓強度在各齡期均大于使用AS試塊抗壓強度，尤其是早期抗壓強度的對比。使用AS在自然養(yǎng)護條件下1 d試塊仍不能拆模，而此時使用PCE的試塊抗壓強度已經達到41.5 MPa。隨著齡期的發(fā)展，兩組試塊的抗壓強度差逐漸減小，自然養(yǎng)護28 d強度與自然養(yǎng)護1 d+蒸養(yǎng)72 h強度趨近相同。由此可見，PCE在早期表現(xiàn)出更好的抗壓強度發(fā)展，蒸養(yǎng)后抗壓強度與最終抗壓強度也基本吻合，更適合于構件生產的要求。

蒸養(yǎng)可以加速水泥的水化活性，同時礦物摻合料的活性也得以活化，如石英之類的惰性物質在常溫下不可能與水泥中的Ca（OH）2起反應，但在150℃以上時，SiO2能與Ca（OH）2可起化學反應，生成強度很高的托勃莫來石，使得混凝土中較薄弱的集料界面得到很大的改善。此外，水泥中的C3S和C2S組分的水化物C-S-H也能在蒸壓條件下與SiO2起反應，生成高強度的托勃莫來石，填充在水泥石孔結構中，起到提高密實度的作用［10］。

3　結語

（1）在低標號預拌混凝土中，PCE的應用受原材料質量波動的影響較明顯，尤其是骨料含泥量對PCE的影響。目前混凝土攪拌站在應對高含泥量問題時的對策不多，基本上都是通過提高外加劑摻量來控制損失，甚至不惜通過初期離析產生過剩漿體的方法保塑，這不但無益于控制混凝土性能及質量的穩(wěn)定，而且高昂的成本也令攪拌站望而怯步。通過復配具有抗泥作用的調節(jié)劑可以在不增加減水劑摻量的情況下一定程度的解決含泥問題，成本優(yōu)勢明顯。

（2）PCE在SCC中應用，通過復配減水劑總母液質量1% 的PM-1及0.2%的PM-6，可以起到改善混凝土泌漿，降低漿體黏度的效果，同時確定各聚羧酸減水劑母液在m（PC3600）∶m（PC4000）∶m（PC8000）∶m（PC9096）=4∶2∶1∶3條件下達到混凝土和易性及保塑性的要求。含氣量與混凝土倒置時間和V型漏斗時間存在一個最佳值，即在含氣量達到4.5%時混凝土的流出性能最優(yōu)。

（3）PCE應用于預制構件中，要著重注意構件表面的質量，減水劑摻量以及引氣劑的用量都不宜過大，以免產生水紋和氣孔缺陷。在RPC中，PCE表現(xiàn)出明顯好于AS的抗壓強度發(fā)展趨勢，早期及最終抗壓強度均要好于后者。

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Technology application of polycarboxylate superplasticizer in different types of concrete

WU Hao，ZHA Yanpeng，JIA Fangfang，LIU Junyuan，MA Qiang，WU Jingpeng
（Beijing Engineering Research Center of Architectural Functional Macromolecular Materials，Beijing Building Construction Research Institute，Co.Ltd.，Beijing 100039，China）

The paper introduced the application of polycarboxylate superplasticizer in common ready-mixed concrete，selfconsolidatingconcreteandprecastelement.Themud-resistandsetretarderPRcouldreducetheinfluenceofclayto polycarboxylate superplasticizer in common ready-mixed concrete.When controlled the gas content in 4.5%，there was a better concrete state and performance under using superplasticizers PC3600，PC9096，PC8000，PC4000，and state-modifiers PM-1，PM-6 in self-consolidating concrete.The surface quality could be improved with using the viscosity enhancing agent and the air entraining admixturereasonablyinprecastelement.Thepolycarboxylatesuperplasticizerhadthebetterearlystrengththanaminosuperplasticizer in test of reactive powder concrete.

polycarboxylate superplasticizer，ready-mixed concrete，self-consolidating concrete，precast element，application

TU528.042.2

A

1001-702X（2016）04-0088-05

2015-09-14；

2015-10-22

吳昊，男，1985年生，吉林通化人，碩士，工程師，主要從事混凝土及混凝土外加劑技術及研究工作。地址：北京市海淀區(qū)復興路34號，E-mail：easy_8581@126.com。