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［摘要］外加剂与水泥胶凝材料之间有时出现的不相适应性(泌水多、坍落度损失快、局部骨料分离等)问题长期以来影响着实际工程对外加剂的应用，聚羧酸类高效减水剂是近几年研究开发的非萘系高效减水剂产品。通过对聚羧酸类减水剂与萘系减水剂进行试验比较得出，采用聚羧酸系列减水剂拌制的混凝土具有减水率高，粘聚性好，流动性好，在水泥中的分散能力强，混凝土坍落度损失小等特点，能有效提高混凝土的抗拉防裂性能，适用于泵送及高强度等级的混凝土中，具有良好的应用前景。
1 前言
我国自20世纪70年代初期开始萘系高效减水剂合成与应用性能的研究，并在建筑、水电、交通、煤矿等行业广泛应用。80年代开始，外加剂的复配技术和应用技术研究成为本行业的发展趋势，90年代开始，我国开始研究新型高效减水剂，相继开发了聚苯乙烯磺酸盐、氨基磺酸盐等新型高效减水剂。聚羧酸类高效减水剂是近几年研究开发的非萘系高效减水剂产品。
外加剂是现代混凝土中不可缺少的组分，掺入适当外加剂可以明显地改善混凝土拌和物及混凝土性能，减少用水量，延缓混凝土凝结时间，降低水化热，提高混凝土的抗冻性、抗渗性等。但掺外加剂的混凝土有时会出现拌和物流动性差、泌水多、减水率低，或拌和物板结、流动性损失过快、不正常凝结等现象。外加剂和水泥的相容性是必须考虑的影响因素，几乎所有的外加剂与水泥之间都存在着适应性问题，目前商品混凝土中几乎全部使用减水型外加剂，减水型外加剂与水泥不相适应能够直接快速地反应出来。随着现代商品混凝土的发展，工程需求粘聚性好，流动性能好且保坍增塑性能好的外加剂，能满足水下混凝土及泵送混凝土施工的需要。聚羧酸类外加剂与萘系高效减水剂相比具有减水率高、分散能力强、粘聚性好、坍落度损失小等特性，满足混凝土施工要求。
2 聚羧酸高效减水剂性能
为了解聚羧酸外加剂的基本性能，依据标准JC473-2001、GB8076-1997对几种聚羧酸减水剂和萘系减水剂的性能进行检测。试验结果见表1。
表1 掺聚羧酸减水剂混凝土基本性能试验结果 | 试验项目 |
| 单位 | 减水剂种类 | | 聚羧酸减水剂A | 聚羧酸减水剂B | 聚羧酸减水剂C | 萘系减水剂D | | 掺量 | % | 0.6 | 0.8 | 0.5 | 0.6 | | 坍落度增加值 | mm | 121 | 115 | 144 | / | | 减水率 | % | 23.1 | 23.6 | 22.8 | 18.8 | | 常压泌水率比 | % | 20.8 | 19.4 | 42.1 | 22.1 | | 含气量 | % | 2.7 | 1.6 | 2.0 | 1.5 | | 坍落度保留值 | 30min | mm | 208 | 189 | 188 | / | | 60min | mm | 185 | 176 | 174 | / | | 抗压强度比(与未掺减水剂混凝土相比) | 3d | % | 169 | 160 | 176 | 142 | | 7d | % | 163 | 157 | 155 | 135 | | 28d | % | 145 | 136 | 139 | 125 |
从表1试验结果看，聚羧酸类减水剂具有减水率高、增强、坍落度损失小的特性，普通萘系减水剂的减水率为18%左右，而聚羧酸类的减水剂可达到23%左右，大大降低了单位用水量及胶凝材料的用量。聚羧酸类减水剂可以在较低掺量条件下比掺萘系减水剂混凝土用水量还低，体现出其低掺量高减水的特点，大大降低了单位用水量及胶凝材料用量。经室内试拌研究，通过优化二级配泵送混凝土配合比(见表2-2)，单位用水量由原来的147kg/m3 下降到135kg/m3，胶凝材料用量降低约30kg/m3，节约了成本，并有效降低了混凝土的温升，从而可减少温差收缩，保证施工质量。经试验研究，掺聚羧酸减水剂的常态混凝土用水量比萘系减水剂低5～10kg/m3，泵送混凝土则比萘系减水剂低10～15kg/m3，尤其适用于原来胶凝材料用量高的混凝土。
3 掺减水剂混凝土减水率、抗压强度与掺量关系
按照GB8076-1997混凝土外加剂试验方法，选用上述聚羧酸减水剂A时测定其减水率，减水剂选择掺量由低到高进行试拌，直到混凝土拌和物出现板结、泌浆为止，以混凝土拌和物不板结、不泌浆时的最大掺量确定为减水剂的最佳掺量。从表3看，该品种减水剂的最佳掺量为0.6%。由图1可见随着该类减水剂掺量的增加，减水率表现出成正比例增加的趋势，而且在最佳掺量0.6%时具有较强的减水分散效果。在混凝土坍落度保持不变的条件下，强度增长明显。由图2可见抗压强度比随聚羧酸减水剂掺量呈现出线性的增长规律，呈现出减水剂掺量与减水率关系相同趋势。从图1、图2得出在相同掺量情况下，与常规减水剂比，聚羧酸减水剂减水效果好，同样其抗压强度比高，说明聚羧酸高效减水剂减水和增强效果显著。
表2 掺萘系与聚羧酸减水剂泵送混凝土配合比参数对比 | 设计等级 | 配合比参数 | 混凝土材料用量(kg/m3) | 备注 | | 级配 | 水胶比 | 单位用水量(kg) | 砂率(%) | 粉煤灰掺量(%) | 泵送剂掺量(%) | 减水剂掺量(1/万) | 水 | 水泥 | 粉煤灰 | 胶凝材料总量 | C25
F250Ｗ10 | 二 | 0.43 | 147 | 43 | 20 | 0.6 | 0.5 | 147 | 273 | 68 | 342 | 优化前掺萘系减水剂 | | 0.43 | 135 | 43 | 25 | 0.8 | 0.5 | 135 | 235 | 78 | 314 | 优化后掺聚羧酸减水剂 |
图1 减水剂掺量与减水率比关系
图2 减水剂掺量与抗压强度比关系
表3 聚羧酸减水剂最佳掺量选定试验结果
| 减水剂名称 | 掺量(%) | 减水率(%) | 泌水率比(%) | 外观描述 | | 聚羧酸类减水剂A | 0.4 | 16.5 | 85.3 | 较好 | | 0.6 | 23.1 | 20.8 | 较好 | | 0.8 | 28.6 | 44.7 | 泌浆、轻微板结 | | 1.0 | 30.1 | 57.1 | 泌浆、板结 |
4 掺聚羧酸与萘系高效减水剂的混凝土性能(强度、极限拉伸)比较
在相同配合比参数的条件下采用两类外加剂拌制混凝土，并进行混凝土性能比对，其试验结果见表4、表5。
4.1 掺两种外加剂的混凝土劈拉强度、极限拉伸比较
表4 掺两类外加剂混凝土性能试验结果 | 外加剂种类 | 混凝土设计等级 | 水胶比 | 粉煤灰掺量(%) | 抗拉强度(MPa)28d | 极限拉伸(×10-4)28d | 抗渗等级28d | 抗冻等级28d | | 聚羧酸1 | C25(泵送) | 0.45 | 20 | 3.18 | 1.27 | ＞Ｗ10 | ＞F250 | | 聚羧酸2 | 3.09 | 1.32 | ＞Ｗ10 | ＞F250 | | 萘系1 | 2.86 | 1.08 | ＞Ｗ10 | ＞F250 | | 萘系2 | 2.87 | 1.10 | ＞Ｗ10 | ＞F250 | | 聚羧酸3 | C20(常态) | 0.48 | 3.08 | 1.25 | ＞Ｗ10 | ＞F250 | | 萘系3 | 2.76 | 1.04 | ＞Ｗ10 | ＞F250 |
表5 掺两类外加剂混凝土抗压性能试验结果 | 外加剂种类 | 混凝土设计等级 | 水胶比 | 粉煤灰掺量(%) | 抗压强度(MPa) | | 7d | 28d | | 聚羧酸1 | C25(泵送) | 0.45 | 20 | 24.9 | 38.4 | | 聚羧酸2 | 23.5 | 37.8 | | 萘系1 | 21.9 | 35.1 | | 聚羧酸1 | C20(常态) | 0.48 | 16.6 | 26.9 | | 聚羧酸2 | 16.7 | 26.8 | | 萘系2 | 17.9 | 28.8 |
试验结果表明，无论泵送还是常态混凝土，掺聚羧酸系列减水剂的抗拉强度和极限拉伸值均明显高于掺萘系减水剂，抗拉强度平均提高13.3%，极限拉伸值平均提高19.3%。抗拉强度和极限拉伸值的提高对提高混凝土抗裂性是有利的。而且掺聚羧酸系列减水剂混凝土与萘系减水剂一样具有优良的抗冻、抗渗性能。
4.2 掺两种外加剂混凝土的抗压强度比较
从表5可以看出，掺聚羧酸系列减水剂的泵送混凝土抗压强度比掺萘系减水剂的要高，而在常态混凝土中的抗压强度则比萘系的略低。由此可见，聚羧酸类减水剂在低强度等级及胶凝材料用量少的混凝土中有时不能充分发挥其优势，不太适用于大体积的贫混凝土中。
5 掺聚羧酸与萘系高效减水剂的混凝土坍落度损失比对
采用相同的泵送混凝土和常态混凝土配合比，在控制同样的环境条件下测定了萘系和聚羧酸系减水剂的混凝土拌和物的坍落度损失试验，其结果见表6、图3。
表6 聚羧酸与萘系减水剂拌制混凝土坍落度损失结果表 | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 备注 | | 聚羧酸减水剂A | 0 | 0 | 12.3 | 25.8 | 33.9 | 泵送 | | 聚羧酸减水剂B | 0 | 9.8 | 23.2 | 33.6 | 45.8 | 常态 | | 萘系减水剂A | 0 | 30.5 | 56.8 | 80.3 | 91.3 | 泵送 | | 萘系减水剂B | 0 | 25.6 | 44.5 | 66.7 | 88.9 | 常态 |
图3 两种外加剂坍落度损失比对
在室内拌和中，掺聚羧酸减水剂混凝土拌和物流动性较好，与水泥的适应性好。从以上比对图表看，无论常态混凝土及泵送混凝土，掺聚羧酸类减水剂拌制的混凝土坍落度损失都较萘系减水剂小。但聚羧酸减水剂在常态混凝土中的坍落度损失大于泵送混凝土，在泵送混凝土中的适应性较好，工作优异性发挥充分。
6 掺聚羧酸减水剂混凝土的凝结时间与泌水
掺加聚羧酸减水剂的混凝土凝结时间比萘系减水剂略有缩短，但符合高效减水剂的标准中的要求。掺加聚羧酸减水剂的混凝土不能有效减少混凝土泌水，因为混凝土泌水率随胶凝材料的增加而减小，由于掺加聚羧酸减水剂能够大幅度降低用水量及胶凝材料，新拌混凝土水灰比较大时容易出现泌水。
7 结语
(1)聚羧酸系列减水剂具有减水率高、粘聚性好，流动性能好，更强的塑化和分散水泥颗粒等作用，能提高混凝土拌和物的工作性能。
(2)聚羧酸系列减水剂的混凝土坍落度损失明显小于萘系减水剂，坍落度损失率随胶凝材料的增加而减小，能更好地满足水下混凝土及泵送混凝土施工的需要。
(3)掺聚羧酸系列减水剂混凝土抗压强度，在胶凝材料用量低的混凝土中比掺萘系减水剂的略低，而在胶凝材料用量高及泵送混凝土中则比掺萘系的减水剂高。聚羧酸系列减水剂在高强度等级的混凝土中的优势发挥明显。
(4)掺聚羧酸系列减水剂混凝土无论在常态及泵送混凝土中的劈拉强度、极限拉伸值均比萘系减水剂有不同程度的提高，这对提高混凝土的抗裂性有利。
(5)掺聚羧酸系列减水剂混凝土与萘系一样具有优良的抗冻、抗渗性能。
(6)聚羧酸系列减水剂不能有效减少混凝土泌水，凝结时间比萘系减水剂要短。
总之，聚羧酸类高效减水剂是一种分子中含有羧基亲水基团的新型高效减水剂。与萘系减水剂相比，减水剂在水泥中的分散能力强，减水率高，混凝土流动性及粘聚性好，坍落度损失小；但在低强度等级及胶凝材料少的混凝土中有时不能充分发挥其高减水、高塑化、增强等优势特点，不太适用于大体积的贫混凝土中。聚羧酸类高效减水剂在胶凝材料高的富混凝土中能充分发挥其优势，特别适用于泵送及高强度等级混凝土中，能改善混凝土工作性，良好的和易性、泵送性能，具有很好的推广应用前景。
作者：朱圣敏，简宜端
信息来源：道客巴巴
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