超緩凝聚羧酸減水劑的制備與性能研究

謝大銀，鄧?yán)?，沈建榮

[科之杰新材料集團(tuán)(貴州)有限公司，貴州 龍里 551206]

0 前 言

隨著建筑行業(yè)不斷發(fā)展，施工單位對混凝土的要求越來越高，尤其是大體積混凝土和咬合樁，為了保證新拌混凝土能長時(shí)間連續(xù)澆筑，超緩凝聚羧酸減水劑隨之被研究開發(fā)[1]。一般情況下混凝土凝結(jié)時(shí)間控制在8～10 h，超緩凝聚羧酸減水劑能夠調(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)時(shí)間在20～60 h，特殊工程延長到70 h 以上，摻超緩凝聚羧酸減水劑后，可使各層混凝土的凝結(jié)時(shí)間協(xié)調(diào)一致而消除分層澆灌的接縫，可大大減慢水化放熱，從而避免裂縫的產(chǎn)生[2]。目前超緩凝聚羧酸減水劑在使用過程中還存在一些缺點(diǎn)，比如大幅降低聚羧酸減水劑的混凝土減水率、影響混凝土施工性能、降低混凝土后期強(qiáng)度等。

何宏榮等[3]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖酸鈉與聚羧酸減水劑復(fù)合作用下，水泥凈漿具有較高的初始流動度和較好的經(jīng)時(shí)流動性。邢福燕等[4]研究發(fā)現(xiàn)，緩凝劑一般都有一個(gè)最佳的摻量范圍，不同類型緩凝劑的最佳摻量范圍也可能不同。

為了解決超緩凝聚羧酸減水劑會降低聚羧酸減水劑的混凝土減水率、影響混凝土施工性能、降低混凝土后期強(qiáng)度等問題，本研究通過在聚羧酸減水母液、聚羧酸保坍母液中復(fù)配白糖和葡萄糖酸鈉，找到二者合適的比例來解決這一系列問題。該產(chǎn)品已成功應(yīng)用于超高泵送混凝土工程。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料(見表1)

表1 試驗(yàn)原材料

1.2 超緩凝聚羧酸減水劑的復(fù)配

1.2.1 復(fù)配方案

試驗(yàn)所用超緩凝聚羧酸減水劑的編號及復(fù)配配方如表2所示。

表2 超緩凝聚羧酸減水劑的復(fù)配方案 kg

1.2.2 超緩凝聚羧酸減水劑的制備

向反應(yīng)釜中加入一定量的水，按表2 的配方加入緩凝劑H1、H2 或二者按一定質(zhì)量比的混合物，攪拌溶解，再緩慢加入所需用量的聚羧酸減水母液S04、保坍母液S10D，并同時(shí)加入所需的引氣劑Y39、消泡劑X1 和增稠劑B13，攪拌混合均勻，即制得超緩凝聚羧酸減水劑。

1.3 性能測試方法

(1)超緩凝聚羧酸減水劑的減水率

按照GB 8076—2008《混凝土外加劑》進(jìn)行測試，試驗(yàn)混凝土配合比見表3，減水劑折固摻量為2.0%。

表3 減水率測試混凝土配合比 kg/m3

(2)混凝土應(yīng)用性能

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50081—2019《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。采用強(qiáng)度等級C35、抗?jié)B等級P10 混凝土配合比。分別測試超緩凝聚羧酸減水劑對混凝土和易性、坍落度損失、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)混凝土配合比如表4 所示。

表4 混凝土性能測試配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同超緩凝聚酸減水劑對混凝土減水率的影響

為系統(tǒng)研究不同緩凝劑用量對超緩凝聚羧酸減水劑混凝土減水率的影響，將按表2 配方制備的超緩凝聚羧酸減水劑進(jìn)行混凝土減水率測試，結(jié)果如表5 所示。

表5 超緩凝聚羧酸減水劑的混凝土減水率

由表5 可知，加入6%緩凝劑H1 制備的超緩凝聚羧酸減水劑CHN-2，混凝土減水率為28%；加入6%緩凝劑H2 制備的CHN-3，混凝土減水率為33%；加入2 種緩凝劑H1 和H2各3.0%制備的CHN-4，混凝土減水率為31%；當(dāng)H1 和H2的用量均增加至3.5%時(shí)，所制備的CHN-5 的混凝土減水率為29%。表明加入相同用量緩凝劑時(shí)，白糖H1 的用量越多，減水劑的混凝土減水率越小，而葡萄糖酸鈉H2 的用量越多，則減水劑的減水率越大。

2.2 混凝土應(yīng)用性能

2.2.1 混凝土和易性和坍落度損失試驗(yàn)

混凝土和易性采用混凝土倒置坍落度筒排空時(shí)間(倒筒時(shí)間)來評價(jià)。摻不同配方超緩凝聚羧酸減水劑新拌混凝土的初始狀態(tài)如圖1 所示，性能測試結(jié)果如表6 所示。

圖1 摻不同配方超緩凝聚羧酸減水劑混凝土的初始狀態(tài)

由圖1 可知，摻加超緩凝聚羧酸減水劑會影響混凝土的和易性，其中摻白糖H1 用量最多的CHN-2 的混凝土和易性最差，摻白糖用量較少的CHN-3、CHN-4 和CHN-1 的混凝土狀態(tài)相差不大。

表6 新拌混凝土的性能測試結(jié)果

由表6 可知：

(1)對于初始狀態(tài)，相同摻量條件下，摻CHN-2 混凝土的倒筒排空時(shí)間比摻CHN-1 的混凝土延長1.20 s，摻CHN-3的與摻CHN-1 的相近。表明白糖H1 的加入會影響超緩凝聚羧酸減水劑的混凝土和易性，白糖用量越多，混凝土的和易性越差；同時(shí)隨著緩凝劑用量的增加，混凝土的初始坍落度、擴(kuò)展度都逐漸減小。

(2)混凝土經(jīng)時(shí)3 h 時(shí)，所有摻超緩凝聚羧酸減水劑的混凝土倒筒排空時(shí)間均比未摻緩凝劑的短，原因是不加緩凝劑的CHN-1 混凝土坍落度、擴(kuò)展度損失較大，流動性差。CHN-2 中含有6%的白糖，摻其拌制的混凝土坍落度、擴(kuò)展度均比初始大，出現(xiàn)緩釋放大現(xiàn)象，坍落度增大了10 mm，擴(kuò)展度增大40 mm；CHN-3 中含有6%的葡萄糖酸鈉H2，摻其拌制的混凝土初始坍落度、擴(kuò)展度較大，分別為240、640 mm，混凝土3 h坍落度、擴(kuò)展度損失分別為10、50 mm；摻3%白糖H1 和3%葡萄糖酸鈉H2 制備的超緩凝聚羧酸減水劑CHN-4 時(shí)，混凝土的初始擴(kuò)展度為630 mm，3 h 擴(kuò)展度損失為10 mm；摻3.5%用量白糖H1 和3.5%葡萄糖酸鈉H2 制備的超緩凝聚羧酸減水劑CHN-5 時(shí)，混凝土的初始擴(kuò)展度為610 mm，3 h 擴(kuò)展度增大了20 mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明，超緩凝聚羧酸減水劑的保坍性得到改善，尤其是摻3%白糖H1 和3%葡萄糖酸鈉H2 的復(fù)合緩凝劑時(shí)(A4)，混凝土3 h 坍落度及擴(kuò)展度基本無損失，繼續(xù)增加2 種緩凝劑用量至3.5%(A5)時(shí)，混凝土坍落度、擴(kuò)展度出現(xiàn)緩釋放大，實(shí)際施工中易造成混凝土離析堵泵現(xiàn)象。

2.2.2 混凝土凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)

分別在室溫(16 ℃、相對濕度70%)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)([20±2)℃、相對濕度≥95%]條件下進(jìn)行混凝土凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)，結(jié)果如表7 所示。

表7 混凝土凝結(jié)時(shí)間測試結(jié)果

由表7 可知：

(1)室溫條件下，CHN-1 中無緩凝劑，其拌制的混凝土初凝、終凝時(shí)間分別為7、10 h；摻入含不同緩凝劑的超緩凝聚羧酸減水劑 CHN-2、CHN-3、CHN-4、CHN-5，在相同摻量下拌制的混凝土初凝、終凝時(shí)間分別為 51、59 h，27、34 h，32、8 h，43、49 h。由此可見，白糖H1 用量太大易造成混凝土凝結(jié)時(shí)間過長。

(2)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室條件下，超緩凝聚羧酸減水劑對混凝土凝結(jié)時(shí)間影響關(guān)系與室溫條件下相同，但初凝、終凝時(shí)間均比室溫條件下短，說明溫度和濕度對混凝土凝結(jié)時(shí)間影響較大。

2.2.3 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土強(qiáng)度評定根據(jù)GB 50107—2010《混凝土強(qiáng)度評定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，分別在室溫(16 ℃、相對濕度70%)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)([20±2)℃、相對濕度≥95%]條件下進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，由于摻超緩凝聚羧酸減水劑CHN-2 混凝土的終凝結(jié)時(shí)間較長，室溫條件下將近60 h，所以將混凝土3、7 d 抗壓強(qiáng)度均向后延遲3 d，測試其6、10 d 的抗壓強(qiáng)度，成型試模尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，結(jié)果如圖 2 所示。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)條件下?lián)匠從埕人釡p水劑混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖2 可知：

(1)室溫條件下，相同摻量超緩凝聚羧酸減水劑中，以摻CHN-2 的混凝土早期抗壓強(qiáng)度最低，摻CHN-1 的早期抗壓強(qiáng)度最高；對于28 d 抗壓強(qiáng)度，摻 CHN-3、CHN-4、CHN-5 混凝土均達(dá)到設(shè)計(jì)要求的120%，與摻CHN-1 基本相同；而摻CHN-2 的混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度為36.5 MPa，只達(dá)到104%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求。說明摻適量緩凝劑的超緩凝聚羧酸減水劑不會影響混凝土的后期抗壓強(qiáng)度。

(2)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的前期抗壓強(qiáng)度均比室溫條件時(shí)高，其中以摻CHN-2 最為明顯，室溫條件下混凝土的6 d抗壓強(qiáng)度為21.2 MPa，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土6 d 抗壓強(qiáng)度為24.5 MPa，摻 CHN-3、CHN-4、CHN-5 的混凝土抗壓強(qiáng)度較摻CHN-2 的提高 1～2 MPa；摻 CHN-3、CHN-4、CHN-5 混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度與摻CHN-1 的基本相同，這與室溫條件下的試驗(yàn)結(jié)果相似，而摻CHN-2 的混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度比達(dá)到110%，比室溫條件下提高了6%，說明相同摻量超緩凝聚羧酸減水劑下，環(huán)境溫、濕度升高，可提高混凝土的前期抗壓強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果表明，超緩凝聚羧酸減水劑中的緩凝劑摻量越大，混凝土的早期抗壓強(qiáng)度越低，但對后期抗壓強(qiáng)度影響不大；當(dāng)緩凝劑H1、H2 的摻量達(dá)到3.5%時(shí)(CHN-2)，混凝土前期抗壓強(qiáng)度增長較慢，且會對后期抗壓強(qiáng)度造成影響，后期抗壓強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。所以實(shí)際施工時(shí)應(yīng)充分考慮混凝土后期抗壓強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，不能摻加過多H1，以免混凝土凝結(jié)時(shí)間過長。

3 工程應(yīng)用

該超緩凝聚羧酸減水劑能適應(yīng)C20～C60 不同強(qiáng)度等級的混凝土。在實(shí)際工程中，已將超緩凝聚羧酸減水劑CHN-4應(yīng)用于恒豐貴陽中心主塔C35 超高泵送混凝土，泵送高度達(dá)380 m。試驗(yàn)室測試混凝土的初、終凝時(shí)間分別為19、25 h，現(xiàn)場測試混凝土的初、終凝時(shí)間分別為16、20 h。恒豐貴陽中心主體核心筒C60 大體積混凝土的泵送高度達(dá)72 層，實(shí)驗(yàn)室測試的混凝土初、終凝結(jié)時(shí)間分別為24、30 h，現(xiàn)場測試的混凝土初、終凝結(jié)時(shí)間分別是20、25 h，拆模后未出現(xiàn)開裂、斷層現(xiàn)象，證明了摻加白糖H1 和葡萄糖酸鈉H2 復(fù)合的超緩凝聚羧酸減水劑用于大體積混凝土連續(xù)施工的可行性和安全性，且后期強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖3 所示為超緩凝聚羧酸減水劑CHN-4 在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

圖3 超緩凝聚羧酸減水劑CHN-4的工程應(yīng)用

4 結(jié) 論

(1)以白糖、葡萄糖酸鈉作為超緩凝聚羧酸減水劑中的緩凝組分，原因是白糖抗高溫效果好，葡萄糖酸鈉對超緩凝聚羧酸減水劑混凝土減水率影響較小，采用白糖、葡萄糖酸鈉按質(zhì)量比1∶1 復(fù)合可將混凝土的凝結(jié)時(shí)間控制在20～60 h，能應(yīng)用于不同強(qiáng)度等級大體積混凝土和咬合樁連續(xù)施工。

(2)混凝土試驗(yàn)表明，加入3%白糖和3%葡萄糖酸鈉復(fù)合的緩凝劑，對混凝土性能的負(fù)面影響最小。摻該緩凝劑復(fù)配的超緩凝聚羧酸減水劑，混凝土減水率與基準(zhǔn)相差不大，且混凝土初始和易性、施工性能良好，凝結(jié)時(shí)間可控制在30～40 h，混凝土3 h 坍落度、擴(kuò)展度基本無損失。

(3)在適宜摻量范圍內(nèi)，超緩凝聚羧酸減水劑中緩凝劑摻量越大，混凝土的早期抗壓強(qiáng)度越低，但對后期強(qiáng)度影響不大。當(dāng)摻入3%白糖和3%葡萄糖酸鈉的復(fù)合緩凝劑時(shí)，超緩凝聚羧酸減水劑降低混凝土前期抗壓強(qiáng)度，但對28 d 后期抗壓強(qiáng)度沒影響，且溫濕度越大，混凝土前期抗壓強(qiáng)度越高；當(dāng)白糖用量達(dá)6%時(shí)，混凝土前期抗壓強(qiáng)度不足，后期抗壓強(qiáng)度雖達(dá)到理論強(qiáng)度，但遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，影響工程質(zhì)量。