一種聚羧酸減水劑在C30混凝土中的復(fù)配應(yīng)用

郭翠芬，李興昌，黃文輝，陳晶

（1. 北京華信高技術(shù)有限公司，北京 100024；2. 建筑材料工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究中心，北京 100024；3. 建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100024）

0 應(yīng)用背景

該 C30 預(yù)拌混凝土主要由蘭州某攪拌站負(fù)責(zé)生產(chǎn)。要求該混凝土初始坍落度為 (210±10)mm，1h 坍落度基本沒有損失，無離析無泌水，初凝不早于 16h，終凝不超過 20h，其 28d 抗壓強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的115%。

前期該攪拌站一直在使用萘系減水劑，由于萘系減水劑本身的局限性，如保坍性能較差，以及合成萘系減水劑所用到的工業(yè)萘、濃硫酸、甲醛等有毒危險(xiǎn)原材料不僅不利于環(huán)保，而且對(duì)試驗(yàn)人員傷害很大。一方面是響應(yīng)攪拌站的要求，另一方面是公司為了推廣該 PC 母液的應(yīng)用，從而達(dá)到主營(yíng)產(chǎn)品由萘系減水劑向聚羧酸系減水劑的轉(zhuǎn)型，將所合成的 PC 母液在該攪拌站 C30 預(yù)拌混凝土中進(jìn)行了應(yīng)用。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料和儀器

（1）水泥：中材甘肅水泥有限責(zé)任公司 P·O42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)如表 1。

表 1 甘肅中材水泥物理性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：甘肅三美建材科技有限公司 F 類 Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要性能指標(biāo)如表 2。

表 2 粉煤灰的主要性能指標(biāo) %

（3）礦粉：蘭州宏盛建材科技有限公司 S95 級(jí)礦粉，主要性能指標(biāo)如表 3。

表 3 礦粉的主要性能指標(biāo)

（4）河砂，產(chǎn)自景泰，主要性能指標(biāo)如表 4。

表 4 細(xì)骨料的主要性能指標(biāo)

（5）碎石：粒徑為 5～25mm，產(chǎn)自景泰。主要性能指標(biāo)如表 5。

表 5 粗骨料的主要性能指標(biāo) %

（6）PC 母液

1）勻質(zhì)性

根據(jù) GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》，對(duì)所合成的 PC 母液行了勻質(zhì)性檢測(cè)，結(jié)果如表 6。由表 6 可知，所合成的減水劑母液中氯離子含量幾乎為零，對(duì)鋼筋沒有任何銹蝕作用。

表 6 PC 母液勻質(zhì)性指標(biāo)

2）混凝土性能評(píng)價(jià)

表 7 混凝土性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 8076—2008《混凝土外加劑》，采用甘肅中材 P·O42.5 水泥，對(duì) PC 母液進(jìn)行了混凝土性能檢測(cè)，減水劑折固摻量為膠凝材料總量的 0.20%，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)型高性能減水劑指標(biāo)要求，結(jié)果如表 7。

（7）保坍型聚羧酸系減水劑母液：甘肅中昊建材有限公司合成的 PC-501 母液，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（8）引氣組分：上海美加凈日化有限公司生產(chǎn)的十二烷基硫酸鈉。

（9）緩凝組分：山東福洋生物科技有限公司生產(chǎn)的葡萄糖酸鈉。

（10）水：蘭州當(dāng)?shù)氐叵滤?/p>

1.2 試驗(yàn)儀器

主要性能檢測(cè)儀器如表 8。

表 8 性能檢測(cè)儀器

1.3 C30 預(yù)拌混凝土配合比

試驗(yàn)采用的 C30 預(yù)拌混凝土配合比如表 9。

表 9 C30 預(yù)拌混凝土配合比 kg/m3

2 結(jié)果與討論

2.1 確定減水組分和保坍組分

由于混凝土的運(yùn)輸和施工工藝等限制，混凝土經(jīng)時(shí)損失成為了一個(gè)必須考慮的問題，經(jīng)時(shí)損失主要是由于漿體中的流動(dòng)水少，從而造成了水泥粒子的凝聚，一般的解決方法就是在減水型母液的基礎(chǔ)上復(fù)配保坍型母液。減水劑復(fù)配思路為：首先通過調(diào)整減水型母液和保坍型母液的比例，使得新拌混凝土初始流動(dòng)性好、經(jīng)時(shí)損失小、無離析泌水現(xiàn)象。試驗(yàn)中減水型母液選用的是所合成的 PC 母液，保坍型母液選用公司生產(chǎn)的 PC-501 母液。為保證公司的盈利，每 100g 減水劑成品中母液總量控制在 29g 以下，由于該攪拌站的砂石含泥量較高，減水劑在泥土表面的吸附量會(huì)增加，因此母液的摻量要大一些，確定母液摻量為 28.5g。試驗(yàn)結(jié)果如表10。

由表 10 可知，當(dāng) PC 母液和 PC-501 母液摻量分別為 22.5g 和 6g 時(shí)，混凝土初始坍落度達(dá)到 215mm，但是新拌混凝土和易性差，出現(xiàn)離析泌水的現(xiàn)象，而且混凝土經(jīng)時(shí)損失大。表明減水組分應(yīng)下調(diào)，保坍組分上調(diào)，在 A2、A3 和 A4 試驗(yàn)中，雖然減水組分減少，混凝土的初始坍落度和擴(kuò)展度都有所下降，但經(jīng)時(shí)損失明顯降低。在 A3 試驗(yàn)中，PC 母液為 19.5g、PC-501 母液為 9g 時(shí)，初始和 1h 的混凝土和易性良好，經(jīng)時(shí)損失小。所以確定該 C30 預(yù)拌混凝土所用聚羧酸減水劑每100g 減水劑成品中減水組分和保坍組分的摻量分別為19.5g 和 9g。

2.2 確定緩凝組分

通過上述試驗(yàn)，基本確定了減水劑母液的摻量，相比之下得到和易性良好的新拌混凝土，減水劑母液對(duì)凝結(jié)時(shí)間一般沒有很大的影響，目前主要是復(fù)配緩凝組分來控制混凝土的凝結(jié)時(shí)間，此外加入緩凝組分還能一定程度地減小經(jīng)時(shí)損失，進(jìn)一步提高混凝土的工作性能。

一般常用的緩凝組分可分為三類：第一類為碳水化合物糖類，如蔗糖、葡萄糖等，這類緩凝劑的優(yōu)點(diǎn)是緩凝作用明顯，但對(duì)摻量以及溫度很敏感；第二類是羥基羧酸鹽類，如葡萄糖酸鈉，其優(yōu)點(diǎn)是與水泥的相容性好，能夠有效地控制混凝土的經(jīng)時(shí)損失，但不耐高溫；第三類是無機(jī)鹽類，如三磷酸鈉和硼砂，其優(yōu)點(diǎn)是緩凝作用穩(wěn)定，缺點(diǎn)是硼砂有毒，口服對(duì)人體有害。前兩類的緩凝組分的作用機(jī)理主要是由于羥基與水泥粒子吸附形成吸附膜從而阻礙了水泥水化，起到緩凝作用。第三類無機(jī)鹽類與前兩類的作用機(jī)理不同，其中三聚磷酸鈉在水泥漿中水解為正磷酸鹽，與 Ca2+形成絡(luò)合物，從而降低水泥漿體中 Ca2+濃度，抑制 Ca(OH)2的析出和水泥水化的過程，起到緩凝的作用。

表 10 減水組分和保坍組分的確定試驗(yàn)

一般減水劑廠家最常選用的緩凝組分是蔗糖和葡萄糖酸鈉，緩凝效果好，價(jià)格也低廉，無毒無害。試驗(yàn)選用的緩凝組分是葡萄糖酸鈉，在 A3 試驗(yàn)基礎(chǔ)上加入緩凝組分，試驗(yàn)結(jié)果如表 11。

表 11 緩凝組分的確定試驗(yàn)

由表 11 可知，緩凝組分的加入在一定程度上對(duì)混凝土的工作性能是有幫助的，葡萄糖酸鈉的摻量逐漸增加，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度也有所增大，但主要還是對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響。試驗(yàn)中主要是增大葡萄糖酸鈉摻量，從而延長(zhǎng)混凝土凝結(jié)時(shí)間，來滿足這個(gè)施工季節(jié)混凝土對(duì)凝結(jié)時(shí)間的要求，當(dāng)時(shí)的施工季節(jié)是蘭州的九月底，白天平均溫度為 21℃，夜晚平均溫度 11℃。當(dāng)葡萄糖酸鈉摻量為零時(shí)，初凝時(shí)間為 350min，終凝時(shí)間為 570min，混凝土初凝、終凝太快。當(dāng)摻量增加到 5g 時(shí)，初凝時(shí) 970min，終凝時(shí)間為 1170min，滿足要求。最終確定每 100g 減水劑成品中葡萄糖酸鈉的摻量為 5g，滿足當(dāng)季度 C30 預(yù)拌混凝土對(duì)凝結(jié)時(shí)間的要求。

2.3 確定引氣組分

工程使用的引氣劑一般有可溶性樹脂酸鹽、十二烷基硫酸鈉以及磺化石油類的可溶性鹽等。引氣劑是一種憎水性表面活化劑，活性作用主要發(fā)生在水、氣界面上，親水基團(tuán)插入在水中，疏水基團(tuán)插入到空氣一側(cè)，降低了表面張力，形成氣泡。外加劑引氣性能作為評(píng)價(jià)外加劑性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能都有一定的影響。新拌混凝土經(jīng)常出現(xiàn)離析、泌水現(xiàn)象，引氣劑的摻入會(huì)引入大量微小、均勻的氣泡，從而改善混凝土的工作性。Gye-Gyu Lim[1]研究認(rèn)為，在新拌混凝土中引入氣泡，起到了潤(rùn)滑的作用，能有效改善新拌混凝土的離析、泌水現(xiàn)象。攪拌站要求混凝土含氣量應(yīng)小于等于 4%，此時(shí)對(duì)強(qiáng)度性能不會(huì)有太大的影響，一般混凝土中含氣量增加 1%，強(qiáng)度則下降 5% 左右。由于引氣劑引入氣泡的直徑都是微米級(jí)的，可以有效地封閉有害的通道，減少滲透通道，并且混凝土受凍時(shí)，可以吸收膨脹應(yīng)力，提高混凝土的抗?jié)B性和抗凍性，從而改善混凝土的耐久性。

為了改善混凝土的和易性，在 B3 的試驗(yàn)基礎(chǔ)上復(fù)配引氣組分，引氣組分選用十二烷基硫酸鈉，試驗(yàn)結(jié)果如表 12。

表 12 引起組分的試驗(yàn)確定

由表 12 可知，隨著引氣組分摻量的增加，含氣量逐漸增大，混凝土強(qiáng)度有所降低，但新拌混凝土和易性越來越好。當(dāng)摻量為零時(shí)，混凝土初始坍落度、1h 坍落度以及力學(xué)性能是滿足要求的，但混凝土狀態(tài)較差，粘重。當(dāng)摻量增加到 0.03g 時(shí)，相比 C1 試驗(yàn)來說，混凝土狀態(tài)有了很大的提升。當(dāng)摻量為 0.05g 時(shí)，初始坍落度和 1h 坍落度分別為 220mm 和 215mm，1h 基本沒有損失，新拌混凝土狀態(tài)良好，混凝土變軟變輕，沒有離析泌水現(xiàn)象，此時(shí)混凝土含氣量為 3.6%，28d 強(qiáng)度為39.6MPa，滿足要求。所以確定每 100g 減水劑成品中復(fù)配的引氣劑組分為 0.05g。

最終確定該 C30 預(yù)拌混凝土每 100g 減水劑成品中各組分的摻量為：PC 母液和 PC-501 母液分別為 19.5g和 9g、葡萄糖酸鈉 5g、十二烷基硫酸鈉 0.05g 和水66.45g，所得到的減水劑能夠使混凝土具有良好的工作性能，且力學(xué)性能滿足要求，給該 C30 預(yù)拌混凝土使用減水劑提供了一個(gè)可行性的復(fù)配配方。

2.4 復(fù)配工藝

聚羧酸系減水劑復(fù)配工藝比較簡(jiǎn)單，主要有母液罐、復(fù)配循環(huán)罐、重量計(jì)量傳感器及水罐等，操作也比較簡(jiǎn)單。考慮到高溫條件下，摻緩凝組分的減水劑容易出現(xiàn)發(fā)霉發(fā)臭的現(xiàn)象，引氣組分也會(huì)失效，因此減水劑成品應(yīng)儲(chǔ)存在塑料罐中，并且放置在陰涼通風(fēng)處。聚羧酸系減水劑復(fù)配工藝如圖 1。

（1）根據(jù)減水劑復(fù)配配方，提前所生產(chǎn)減水劑成品中各組分的量。

（2）將復(fù)配循環(huán)罐底部重量傳感器顯示數(shù)值歸零，開動(dòng)水泵，打開注水閥門，開始向復(fù)配循環(huán)罐中注水，達(dá)到預(yù)定的定值時(shí)，關(guān)閉閥門，開啟循環(huán)泵。

（3）再次將顯示器數(shù)值歸零，打開母液罐閥門，將母液泵送到復(fù)配循環(huán)罐中，達(dá)到預(yù)定的數(shù)值，關(guān)閉閥門。

圖 1 復(fù)配設(shè)施

（4）再次將顯示器數(shù)值歸零，將稱好的小料從加料口緩慢地加入到復(fù)配循環(huán)罐中，邊循環(huán)邊加料。

（5）循環(huán)時(shí)間不少于 30min，液體混合均勻即可后關(guān)閉循環(huán)泵，再將成品泵入減水劑成品儲(chǔ)蓄罐中。

3 結(jié)論

（1）確定了商砼站 C30 混凝土減水劑復(fù)配配方為：PC 母液摻量為 19.5g、PC-501 母液摻量為 9g、葡萄糖酸鈉摻量為 5g、十二烷基硫酸鈉摻量為 0.05g和水 66.45g，所得到混凝土的工作性能和力學(xué)性能滿足要求。

（2）減水劑復(fù)配所需要的設(shè)備比較簡(jiǎn)單，主要有母液罐、復(fù)配循環(huán)罐、重量計(jì)量傳感器及水罐等，操作方便，混合液體循環(huán)時(shí)間不少于 30min，避免減水劑出現(xiàn)混合不均勻或分層現(xiàn)象。減水劑成品應(yīng)用塑料罐儲(chǔ)存，并放在陰涼通風(fēng)處。