應(yīng)用聚羧酸減水劑的免蒸壓管樁混凝土

戶廣旗，劉文狀

（威海中恒管樁有限公司，山東 威海 264207）

0 引言

PHC 管樁是采用先張法預(yù)應(yīng)力并經(jīng)過高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)制成的一種混凝土預(yù)制構(gòu)件[1-5]。PHC 管樁具有單樁承載力高、施工運(yùn)輸方便、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于建筑、港口碼頭、公路鐵路等工程中[6-7]。目前，PHC 管樁主要摻加磨細(xì)石英砂作為礦物摻合料[8]，并采用兩段式養(yǎng)護(hù)工藝，即常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)—高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)。在常壓蒸養(yǎng)過程中，蒸汽溫度達(dá)到 90℃ 左右，在高壓蒸養(yǎng)過程中，高壓釜內(nèi)溫度達(dá)到 200℃左右，壓力1MPa[9]。這種生產(chǎn)工藝可以快速提高混凝土強(qiáng)度，加快出廠速度，但也會(huì)產(chǎn)生一系列問題：（1）蒸汽用量大，消耗大量資源；（2）產(chǎn)生廢氣，造成環(huán)境污染；（3）混凝土耐久性差等。為滿足環(huán)保政策要求，對免蒸壓生產(chǎn)工藝的研究具有重大意義。

總結(jié)前人研究成果，我國免蒸壓技術(shù)主要通過以下三種途徑：（1）改善膠凝材料體系，提高水泥砂漿強(qiáng)度；（2）添加高效減水劑，降低水膠比；（3）添加高活性礦物摻合料。聚羧酸減水劑具有減水率高/節(jié)約水泥用量/抗凍抗?jié)B性好等優(yōu)點(diǎn)，可用來制備低水膠比混凝土。因此，實(shí)現(xiàn)免蒸壓生產(chǎn)工藝，摻加聚羧酸減水劑至關(guān)重要。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥：采用 P·I52.5 三菱水泥，其化學(xué)成分見表 1。

表1 水泥化學(xué)組成 wt%

（2）礦粉：山東本地 S95 級礦粉，比表面積453.48m2/kg，密度 2.85g/cm3，篩余量 1.3%。主要化學(xué)成分見表 2。

表2 礦粉主要化學(xué)成分 wt%

（3）摻合料：高摻 1#，主要成分為粉煤灰，密度2.4g/cm3，堆積密度 0.65g/cm3，主要化學(xué)成分見表 3。

表3 摻合料化學(xué)組成 wt%

（4）粗骨料：花崗巖碎石，壓碎指標(biāo)為 9.4%。顆徑 5～16mm 的小石和 16～25mm 的大石按比例混合后使用。

（5）細(xì)骨料：采用河砂，細(xì)度模數(shù) 3.2，含泥量0.8%。

（6）減水劑：聚羧酸減水劑。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土坍落度按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行；混凝土成型、養(yǎng)護(hù)、抗壓強(qiáng)度按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。具體養(yǎng)護(hù)制度見圖 1。

圖1 養(yǎng)護(hù)制度

2 聚羧酸減水劑特性及減水機(jī)理

與萘系減水劑相比，聚羧酸減水劑具有以下特性[10]：（1）減水率高。聚羧酸減水劑減水率在 25%～40% 之間，在保證混凝土和易性的情況下可以大幅度降低混凝土的水膠比，適合制備高強(qiáng)度混凝土。（2）混凝土和易性好、坍落度損失率小。由于聚羧酸減水劑具有優(yōu)異的分散穩(wěn)定性，因此制備的混凝土流動(dòng)性較好，坍落度損失率較小。普通聚羧酸減水劑可保證 1 小時(shí)內(nèi)坍落度不出現(xiàn)損失，聚羧酸減水劑和超細(xì)粉礦物摻合料共同使用效果會(huì)更好。（3）對環(huán)境溫度要求較低。聚羧酸減水劑可在北方大部分地區(qū)的冬季使用而不會(huì)對混凝土產(chǎn)生影響。

混凝土中摻入減水劑后，減水劑的憎水基團(tuán)定向吸附于水泥顆粒表面，而親水基團(tuán)指向水溶液，構(gòu)成單分子或多分子層吸附膜。由于表面活性劑的定向吸附，使水泥膠粒表面帶有相同符號的電荷，于是在同性相斥的作用下，不但能使水泥－水體系處于相對穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，而且，能使水泥在加水初期所形成的絮凝狀結(jié)構(gòu)分散解體，從而將絮凝結(jié)構(gòu)內(nèi)的水釋放出來，達(dá)到減水的目的[11]。減水劑加入后，不僅可以使新拌混凝土的和易性改善，而且由于混凝土中水灰比有較大幅度的下降，使水泥石內(nèi)部孔隙體積明顯減少，水泥石更為致密，混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著提高。

3 試驗(yàn)研究

3.1 不同減水劑性能比較

選取兩種聚羧酸減水劑：韓國 Silk Road 減水劑，固含量 50%，減水率 28%；山東本地減水劑，固含量40%，減水率 28.5%。為了摻加后攪拌更加均勻，兩種減水劑均稀釋至 10% 濃度。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，兩種減水劑摻量均設(shè)定為 14kg/m3，通過調(diào)整用水量調(diào)節(jié)混凝土的和易性。試驗(yàn)配比見表 4。

表4 不同廠家減水劑混凝土配比及強(qiáng)度

為了達(dá)到車間操作要求，兩種減水劑水膠比均控制在 0.25～0.28 之間?；炷翉?qiáng)度見圖 2。

圖2 不同廠家減水劑混凝土強(qiáng)度

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩種減水劑性能均滿足管樁混凝土要求。常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后脫模強(qiáng)度均在 75MPa 以上，3 天強(qiáng)度在 80MPa 以上。綜合考慮成本、運(yùn)輸?shù)纫蛩兀瑑?yōu)先選取山東本地減水劑使用。

3.2 減水劑摻量對混凝土性能的影響

受減水率限制，減水劑在混凝土中的摻量有一個(gè)特定的范圍。減水劑摻量超過這個(gè)范圍，混凝土和易性降低，新拌和的混凝土發(fā)硬、泌水；減水劑摻量低于這個(gè)范圍，為了滿足和易性要求就要適當(dāng)增加用水量，最終導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。在免蒸壓管樁混凝土中減水劑的摻量更要嚴(yán)格控制，否則會(huì)導(dǎo)致管樁混凝土離心不成形、管樁內(nèi)壁不光滑等。分別研究減水劑摻量為 9～15kg/m3時(shí)混凝土的和易性與強(qiáng)度。試驗(yàn)配比見表 5。

表5 不同減水劑摻量混凝土配比及強(qiáng)度

減水劑摻量 9～15kg/m3，在這個(gè)范圍內(nèi)混凝土沒有出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，且離心效果好，管樁內(nèi)壁光滑，混凝土強(qiáng)度見圖 3。

圖3 不同減水劑摻量混凝土強(qiáng)度

減水劑摻量為 9kg/m3時(shí)，為了達(dá)到生產(chǎn)操作要求，水的用量適當(dāng)增加，水膠比為 0.28，常壓蒸養(yǎng)后混凝土脫模強(qiáng)度為 65MPa，3 天強(qiáng)度 69MPa，前期強(qiáng)度太低，不符合工業(yè)化生產(chǎn)要求。為了提高混凝土早期強(qiáng)度，滿足 3 天達(dá)到 C80 的出廠要求，在滿足和易性的條件下適當(dāng)提高減水劑用量，降低水膠比。當(dāng)減水劑摻量為 14kg/m3時(shí)，混凝土水膠比 0.25，和易性滿足生產(chǎn)要求，常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后，脫模強(qiáng)度為 75.5MPa，3 天強(qiáng)度為 81.3MPa，滿足 3 天出廠即達(dá)到 100% 設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。繼續(xù)增加減水劑的用量，混凝土強(qiáng)度會(huì)略有增加，但此時(shí)混凝土對水的用量尤為敏感，在砂石骨料含水率不能精確控制的情況下，想要達(dá)到理想的和易性比較困難。綜合考慮，減水劑的摻量設(shè)定為 14kg/m3。

3.3 膠凝材料用量對混凝土性能的影響

隨著膠凝材料用量的增加，減水劑的用量相應(yīng)增加才能保證混凝土的和易性。不同膠凝材料用量混凝土試驗(yàn)配比見表 6，試驗(yàn)結(jié)果見圖 4。

圖4 不同膠凝材料用量對混凝土強(qiáng)度的影響

表6 不同膠凝材料用量混凝土配比及強(qiáng)度

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)膠凝材料用量為 400kg/m3時(shí)，減水劑用量為 13.5kg/m3，此時(shí)混凝土的和易性滿足生產(chǎn)要求，脫模強(qiáng)度為 68MPa，3 天強(qiáng)度為 70MPa，強(qiáng)度不滿足要求。膠凝材料用量增加至 410kg/m3時(shí)，減水劑用量為 14kg/m3，脫模強(qiáng)度為 75.7MPa，3 天強(qiáng)度為 81.3MPa，和易性、強(qiáng)度均滿足要求。繼續(xù)增加膠凝材料用量，混凝土各齡期強(qiáng)度均有不同程度的提高，強(qiáng)度富余較大。綜合考慮，膠凝材料用量為 410kg/m3時(shí)，性價(jià)比最優(yōu)。

4 結(jié)語

（1）聚羧酸減水劑在免蒸壓 PHC 管樁混凝土的制備中必不可少，且減水劑減水率不小于 25%。

（2）減水劑摻量應(yīng)嚴(yán)格控制，摻量高會(huì)導(dǎo)致混凝土的可操作性不好，離心效果差，摻量低會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降。本試驗(yàn)用減水劑減水率 28.5%，在摻量為 14kg/m3時(shí)效果最好。

（3）膠凝材量用量高，混凝土強(qiáng)度高，強(qiáng)度穩(wěn)定性好，但混凝土單方成本高，綜合考慮，本試驗(yàn)認(rèn)為，膠凝材量為 410kg/m3時(shí)性價(jià)比最高。