聚羧酸減水劑在高性能混凝土中的應用

米金玲朱乘勝

1.河南省建科院工程檢測有限公司；2.河南省建筑科學研究院有限公司

1 引言

混凝土可以說是當今土木工程建設中最主要的和不可或缺的材料之一，而高性能的混凝土因為其自身具有的天然的優(yōu)越性，使其自誕生之日起便成了混凝土產業(yè)的主要生產選擇和相關技術發(fā)展的重要方向。而聚羧酸減水劑這一高效能減水劑作為混凝土生產過程中必不可少的外加劑，則具有其他雖然擁有更長久的發(fā)展歷程、但在性能方面稍顯落后的減水劑所難以比擬的優(yōu)越性。根據(jù)到目前為止的針對聚羧酸減水劑和其他普通減水劑對混凝土分別能夠產生的不同程度地緩凝作用的對照試驗結果表明，聚羧酸系高效減水劑對高性能混凝土起到得緩凝作用不僅會比普通的減水劑的凝固時間更長，而且在使用過的一段時間后，混凝土的強度也會有一定程度的增加。此外，另一組在兩者中還添加了消泡劑的實驗結果表明，在使用聚羧酸系高效減水劑作用于混凝土時，同一時間添加一定分量的消泡劑對混凝土含氣量的降低有著較為可觀的效果，能夠有效提高混凝土的強度。

2 現(xiàn)有發(fā)展條件下混凝土的現(xiàn)狀和弊端

現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展和進步日益推動著大量基礎性工程的建設規(guī)模不斷擴大，現(xiàn)代化的工程建設出于提供更符合現(xiàn)代化發(fā)展的建筑、更充分的利用土地和更多地容納日益增加的人口等的需要逐漸朝著更大高度和跨度的方向發(fā)展，因此混凝土作為土木工程建設必不可少的材料也同樣隨之面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)——現(xiàn)代化大規(guī)模工程建設對混凝土生產的數(shù)量有著更大需求的同時，也對混凝土的性能有著更進一步的要求。

在現(xiàn)今已有的發(fā)展條件下，目前我國的混凝土的總產量相對以往來說有著相當大幅度的提高，但是相對于美國、日本、西歐等發(fā)達資本主義國家來說，我國的混凝土產業(yè)在混凝土的商品化和專業(yè)化程度上都有著相當明顯的偏差和落后。同時，雖然因為近幾年房地產建設和其他土木工程建設行業(yè)的快速發(fā)展，我國的混凝土行業(yè)也隨之得到了較快速度的發(fā)展，但是由于不同地區(qū)的經濟發(fā)展水平和發(fā)展速度不同，在該地區(qū)開展的工程建設的數(shù)量和規(guī)模也就不同，因此對混凝土的需求量也有著一定程度的差異，致使混凝土行業(yè)在不同地區(qū)的發(fā)展水平非常不均衡——華東和華北兩個地區(qū)集中了全國近百分之七十的混凝土企業(yè)的同時，在地域更為遼闊的東北、西北和西南地區(qū)，混凝土企業(yè)的數(shù)量則不過寥寥幾家或者幾十家，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)極大地影響著我國混凝土產業(yè)的持續(xù)、均衡和長遠發(fā)展。此外，雖然我國的混凝土企業(yè)數(shù)量的增長速度較快，但是作為一個企業(yè)發(fā)展重要支撐的生產加工設備和由技術人員組成的技術力量的發(fā)展卻遠遠跟不上企業(yè)的發(fā)展速度和水平，這也在一定程度上導致了新的混凝土技術的開發(fā)或者改良的滯后，同時由于受到技術水平和生產設備質量等限制而長期采用的粗放式的混凝土生產工藝也在影響著混凝土產業(yè)的進一步發(fā)展。

3 聚羧酸減水劑的發(fā)展歷程、類型特點

二十世紀三十年代初期，以木質素磺酸鹽為主要組成成分的減水劑在國外已經得到發(fā)展和應用，并且隨著相關實驗和研究的推進，萘系、三聚氰胺系等一系列的具有更高性能減水劑接連不斷地出現(xiàn)，與此相關的大小企業(yè)均得到一定程度的發(fā)展。與此截然相反的是當時正處于水深火熱的戰(zhàn)亂狀態(tài)的我國，無論是輕工業(yè)的發(fā)展還是重工業(yè)的發(fā)展均在帝國主義、官僚資本主義等的壓迫下，受到了不同程度的阻礙，在國外正研制著不同類型的減水劑、開辟新的混凝土領域的時候，減水劑的引進、生產等在我國尚且處于對此一無所知的局面。這種局面一直到二十一世紀前后才有所改變，聚羧酸系高性能減水劑才逐漸進入我國，并隨著我國社會主義現(xiàn)代化經濟建設和基礎設施建設的飛速迅猛發(fā)展日益受到重視和發(fā)展。

現(xiàn)有的聚羧酸高效減水劑共分為單環(huán)芳烴型、多環(huán)芳烴型、雜環(huán)芳烴型三種，而不同類型的高效減水劑既同樣具有高減水量的共同特點，又在使用的劑量、對水泥的分散性方面有著各自不一的特點，以氨基磺酸鹽類高效減水劑為主要代表的單環(huán)芳烴型聚羧酸高效減水劑在添加比其他類型的減水劑更低劑量的同時，依然能夠保持較其他類型的高性能減水劑的稍高劑量的減水量，這也是這一類型的減水劑在市場上能夠長期占據(jù)一定的市場份額的原因之一；以萘系和蒽系為主要代表的多環(huán)芳烴型高效減水劑對水泥的分散性有著更好的效果，這一特點同樣是這一類型的減水劑在市場上能夠被納入選擇范圍的優(yōu)勢之一；而以三聚氰胺系為主要代表的高性能減水劑則由于其性能與多環(huán)芳烴型相似，但是卻需加入比多環(huán)芳烴型減水劑較高的劑量才能達到同樣的減水效果以及其相對其他兩類高性能減水劑較高的價格，使其在適用面范圍上大大受限，市場競爭力相對較弱。

4 高性能混凝土的特性

原材料：傳統(tǒng)工藝當中，為了增強混凝土的各種性能，常會在混凝土當中添加各種物質，比如將水泥、硅灰和鋼渣粉等作為膠凝材料，并在其中摻入細河沙與鋼纖維，增強高性能混凝土的強度?；蛘邔炷林苯舆M行熱水養(yǎng)護，用以提高混凝土的抗壓強度。然而高性能混凝土如果使用傳統(tǒng)工藝進行制備，熱養(yǎng)護這一步驟會制約混凝土的使用范圍，因此有研究學者使用大量礦物摻合料進行試驗，并加入粒徑最大的粗骨料，工藝則選取常規(guī)的攪拌、成型以及養(yǎng)護，最終發(fā)現(xiàn)這種方式也可以制備出高性能混凝土，其應用也不再局限于預制構件。當然有些高性能混凝土的生產成本也比較低，但實際性能不會因為材料改變受到影響。

生產工藝：使用傳統(tǒng)的生產工藝制備高性能混凝土，不得不使用熱養(yǎng)護的方式，其可以降低混凝土的孔隙率，改善孔隙分布，但是最為突出的問題是熱養(yǎng)護會限制高性能混凝土在實際工程中的應用范圍，為了讓高性能混凝土的應用范圍得以拓寬，部分學者提出可以替換原材料，比如使用拋填骨料進行生產，如果骨料取代率達到五分之一時，混凝土的強度、彈性等性能均能獲得大幅度提升，并且更為緊實。

力學性能：從高性能混凝土的抗壓性能來看，適當添加鋼纖維就可以提高混凝土的抗壓強度。就抗彎強度來看，如果將高性能混凝土制成梁，其彎曲強度與極限彎曲強度均大于普通混凝土梁，并且在一定范圍內梁的厚度越大，其彎曲極限也會隨之增大，甚至可以達到普通混凝土梁的4倍左右。從抗剪性能來看，高性能混凝土中的箍筋會增加其受剪承載力，即使混凝土最終出現(xiàn)開裂，箍筋的應力也會逐漸增強，削弱混凝土開裂所導致的不良結果。從韌性來看，高性能混凝土中如果安裝了結構鋼，其韌性會被改善的越加明顯，也不容易出現(xiàn)斷裂的情況。此外高性能混凝土還具備良好的穩(wěn)定性，初期不會輕易開裂，與一般的混凝土相比，其使用了增粘劑與減水劑，可以降低混凝土內的含水量，最大程度規(guī)避離析問題。當然后期完成高性能混凝土的澆筑工作后，施工人員還會在混凝土表面覆蓋濕潤的草席或者布料，降低自然環(huán)境對材料含水量的影響，進而起到預防早期開裂的作用。

耐久性能：耐久性能是高性能混凝土的基本特征，其將各種有助于保持自身特性的優(yōu)勢集為一體，比如孔隙小，可以抗?jié)B、抗凍，材料內的中性物質較多，能有效抵抗材料被腐蝕，因此可以說其結構十分可靠，安全性能突出，最起碼可以正常工作五十年以上。與此同時，在高性能混凝土處于拌制期間，施工人員添加的水灰比例小，還會增加高校減水劑，如聚羧酸減水劑等減少混凝土中的水分，讓材料更為緊密。而添加超細礦粉，則能改善水泥石與骨料間的大量孔隙，增強混凝土的抗裂性能，再加上濕草席的覆蓋，性能更為穩(wěn)定，施工時不需過分擔心混凝土的問題。

工程造價：前文已經介紹到高性能混凝土的原材料、制備工藝等較傳統(tǒng)方式更為講究，因此可以成就力學性能與耐久性能良好的混凝土。然而性能良好并不能證明建筑企業(yè)在前期必須付出大量成本，比如由于高性能混凝土強度高，其可以作為梁支撐建筑整體，增強結構的穩(wěn)定性，并且材料的尺寸可以適當減少，一方面增加建筑的空間，另一方面降低工程建設的人工投入，減少工程造價。另外，高性能混凝土的耐久性能突出，使用年限基本在50年～100年左右，使用過程中維修和加固的頻率小，難度小，可以有效縮減后期維護所消耗的人工成本。

5 聚羧酸減水劑在高性能混凝土中的具體作用

隨著經濟發(fā)展，建筑工程中商品混凝土的使用率逐漸提高，然而由于城市交通擁堵問題，人們對混凝土的性能要求越來越嚴格。原材料的優(yōu)良程度直接決定著混凝土的實際質量好壞，因此外加劑作為混凝土生產制作的組成部分，它的成分構成和性能優(yōu)劣也在一定程度上直接影響著成品混凝土在土木工程中的具體應用。

水泥品種的影響、減水劑摻量的影響、用水量的影響、摻和量的影響、骨料的影響等都會直接或者在與減水劑的接觸中間接地影響著成品混凝土的質量。水泥的品種方面，由于出自不同地區(qū)、不同的生產廠家，哪怕是同一配置、同一種類的水泥都可能會有著某些細微的差異，并因此影響其對減水劑的適應性，進而影響混凝土的質量。在減水劑的摻量上，由于不同類型的減水劑的化學成分不一，添加于混凝土中時會產生不同的效果，因此，要經過多次的試驗，進而發(fā)現(xiàn)最理想的摻量以達到最可觀的效果。同時，由于在配置高性能混凝土時會一定數(shù)量的礦渣和粉煤灰，這些配料的摻和比例在一定程度上決定著所拌混凝土的泌水情況，因此，除了要慎重考慮礦渣和粉煤灰的具體摻和量，在用水量方面同樣需要多加考慮、慎重添加以保證成品混凝土的質量。此外，由于構成混凝土骨料質量標準的成分結構比較復雜，包括骨料的顆粒級配、骨料的形狀、骨料的表面形狀、骨料的含泥量、骨料的有害物質含量等，這些無一不在影響著骨料對減水劑的減稅效果，尤其是骨料的含泥量和泥塊含量，對減水劑能夠發(fā)揮多大程度的減水效果影響最大，在實際的工程應用中，由于骨料的含泥量過大而致使減水劑的減水效果有限以至于不能投入使用的案例比比皆是。

從分子結構分析，聚羧酸減水劑中含有梳形結構，主鏈長，與傳統(tǒng)減水劑相比其分散性能更強，尤其是分子結構中的羧基、磺酸等，因為這些分子結構的存在，混凝土的水化效果會更佳。有研究得出，當聚羧酸減水劑的使用量達到整個體系的0.2%時，就可以充分發(fā)揮作用，至少減少體系內25%的水分。總之將一定劑量的聚羧酸減水劑作用于高性能混凝土時具有低摻量、高減水率的優(yōu)勢，能夠保證混凝土具有較為良好的流動性，同時，在提高不同齡期的混合土拌料的強度方面有著其他減水劑所沒有的優(yōu)良效果。由于聚羧酸減水劑自身具備的一定程度的引氣量，在提高混凝土的穩(wěn)定性方面有著較為可觀的效果。

6 結束語

從上述分析中我們可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有條件下的添加了一定劑量的聚羧酸減水劑的高效能混凝土在性能方面確實較傳統(tǒng)添加了普通外加劑的混凝土有著很大程度的直觀的提高，這極大地促進了我國的許多重大工程如海洋鉆井平臺工程、隧道建設工程和其他一些較高層建筑物的進行和建成，但是依然存在著許多亟須改變的弊端以應對未來更高質量的土木工程建設的要求。而自從二十一世紀以來，聚羧酸高性能減水劑除了在高效能混凝土方面得到具體的普遍的實際應用外，也受到了國內外大量致力于相關研究的學者的重視，試圖通過大量的實驗研究來發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，以科學的理論推動在聚羧酸減水劑原有的基礎上對其合成工藝進行的更高水平的改良，從而推動高效能混凝土產業(yè)甚至土木工程行業(yè)的更進一步的發(fā)展，故此，對聚羧酸高性能減水劑的研究很大程度上也逐漸成了對混凝土的化學外加劑的主要研究。