張　　波

（北京鐵城建設監理有限責任公司，陜西西安 710018）

    混凝土廣泛應用于建筑工程以來，混凝土技術的進步與外加劑的不斷更新密不可分。從歷史上講，外加劑的使用幾乎和混凝土本身一樣長久，古羅馬人使用動物油脂、牛乳和血液來改善混凝土的性能，20世紀30年代開始系統的研究外加劑，發明了引氣劑以及以木質素類外加劑為代表的普通減水劑，減水率在10％左右，并廣泛用于混凝土中^[1]；70年代又發明了以萘系、密胺系為代表的高效減水劑，但是仍然存在著缺陷,一定程度的制約它的推廣和使用。

    

    80年代日本首次研發了新型聚羧酸系高性能減水劑后，引發了第三代高效減水劑的研發和使用，聚羧酸系減水劑作為第三代新型混凝土高效減水劑，其性能和質量均有了大幅提高，它是一類分子結構為含羧基接枝共聚物，表面活性分子結構呈梳形，主要通過不飽和單體在引發劑作用下共聚而獲得，主鏈系由含羧基的活性單體聚合而成、側鏈由含功能性官能團的活性單體與主鏈接枝共聚而成，具有高減水率并使拌合物具有良好的流動性保持效果的減水劑。

    

    推廣應用聚羧酸系高效減水劑是混凝土質量向高性能化方向發展的必然要求。吳中偉院士提出“高性能混凝土”是一種新型高技術混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土，它以耐久性作為設計的主要指標。為此，高性能混凝土在配置上的特點是低水膠比，選用優質原材料，并必須摻加一定數量的礦物細摻料和高效減水劑。關于聚羧酸高效減水劑，國外在這方面的研究和應用已經相當成熟。而國內雖然也進行了大量的室內研究，但是應用經驗很不足，只是在近幾年才得到推廣，客運專線時速350Km/h的高速鐵路，提出了使用壽命100年高標準的高性能混凝土要求，第二代高效減水劑已經難以滿足客運專線混凝土工程對減水劑的性能要求，聚羧酸高效減水劑登上了這個時代的舞臺。

 

    鄭西鐵路客運專線工程施工使用的高性能混凝土強度等級小于C60，采用聚羧酸外加劑改善性能，筆者對C50預制梁混凝土配合比設計進行試驗和研究。

 

    0.1  研究目標

    A、配合比減水效果良好，坍落度保證的情況下水膠比最小（密實度）

    B、混凝土坍落度200mm±20mm、1小時損失小于20mm（泵送）

    C、混凝土緩凝效果適當（大體積混凝土防裂）

    D、抗壓強度及耐久性指標滿足要求，

    E、滿足上述條件基礎上成本最低。

 

    0.2  原材料

    水泥：陜西社會 P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；其基本性能檢驗結果見表1; 各項檢驗指標均滿足規范要求。

 

                             水泥基本性能檢驗結果                       表1    

    摻合料：三門峽唐潤資源綜合利用有限公司產Ⅰ級粉煤灰，其性能檢驗結果見表2；S95級臨汾三泰高新材料有限公司產礦渣粉，其性能檢驗結果見表3；各項檢驗指標均滿足規范要求。

 

                            粉煤灰基本性能檢驗結果                            表2

 

                      礦渣粉基本性能檢驗結果                           表3

 

    砂：渭河魏莊中砂，細度模數2.9，其性能檢驗結果見表4；各項檢驗指標均滿足規范要求。

 

                                      細骨料基本性能檢驗結果                            表4

 

    碎石：5-10mm；10-20mm連續級配碎石，其性能檢驗結果見表5；各項檢驗指標均滿足規范要求。

 

                             粗骨料基本性能檢驗結果                           表5

 

    減水劑：山西黃騰聚羧酸高效減水劑，其性能檢驗結果見表6；各項檢驗指標均滿足規范要求。

 

                           減水劑基本性能檢驗結果                          表6

 

    0.3 試驗方法

    混凝土配合比設計參照JGJ55-2000《普通混凝土配合比設計規程》、《鐵路混凝土工程施工質量驗收補充標準》《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》、《客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件》、混凝土性能指標檢測參照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》、GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》、ASTM C1202-1997等相關規定執行。

 

    隨著混凝土技術的發展，配合比原材料越來越多，因此影響因素也多了起來，要想找到最優配合比，進行大量的正交試驗研究是非常必要的。因素與水平列表見表7所示，正交試驗配合比設計見表8所示，在這里主要選取水膠比、60min坍落度保留值、28天抗壓強度為指標進行正交試驗研究。

 

                        因素與水平列表                              表7

注：外加劑摻量相對于膠凝材料用量。

 

                      正交試驗配合比設計                              表8

    注：水泥用量330kg/m3不變；假設容重2400 kg/ m3 設計配比，為了方便比較，骨料總量也不變；用水量均是坍落度為200mm±20mm時的用水量。

 

    0.4 水膠比因素極差水平分析

    根據表8數據可以得出水膠比因素極差分析數據見表9及圖1所示，從表9數據可以得出，礦粉、粉煤灰因素極差最大，說明外加劑對水膠比影響因素最為顯著，依次是砂率、外加劑。通過圖1可見，隨著外加劑摻量提高，呈線性增長，增長速度相對平緩。

 

 

    0.5  60min坍落度保留值因素極差水平分析

    根據表8數據得出60min坍落度保留值都年滿足施工現場拌合、運輸、泵送、澆筑、密實的需要。但是當粉為80 kg/m³，粉煤灰為85 kg/m³，砂率為39%，外加劑摻量為1.0% 時，表8中第5中試驗方法影響最為顯著，

 

    2.3  28天抗壓強度因素極差水平分析

    28天抗壓強度因素極差分析數據如表10和圖2所示，由表10可知，外加劑極差值最大，表明四個因素中外加劑對28天抗壓強度影響最為顯著，后面依次是砂率、礦渣粉、粉煤灰。從圖4可見，外加劑對28天抗壓強度增長效果更為明顯；隨著的外加劑摻量的增加，其混凝土28天抗壓強度先增大后減小，則說明外加劑摻量為1.0%時為最適宜量，這主要是因為早期時水膠比大的混凝土密實度稍微低，而后期低水膠比的膠凝材料比高水膠比時的水化程度要低，所以28天時混凝土的密實度基本相當，因此對混凝土28天抗壓強度最有利的復合型配方為：礦粉：80 kg/m³，粉煤灰85 kg/m³， 砂率為39%，外加劑摻量為1.0% ，即表8中第5種試驗方法。                                                                           

                                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    通過前面正交試驗分析，綜合考慮水膠比、60min坍落度保留值、28天抗壓強度及經濟成本等因素，最終選定配合比組合為礦粉：80 kg/m³，粉煤灰85 kg/m³， 砂率為39%，外加劑摻量為1.0% ，即表8中第5種試驗方法。見下表11。

 

    3.1 選定配合比的拌合物性能

    選定配合比的和易性良好，凝結時間適中，坍落度損失也非常小，這對工地現場混凝土泵送澆筑非常有利。具體指標值見下表12。

    3.2 選定配合比的強度及耐久性指標

    選定配合比的強度及耐久性能非常優異，混凝土抗裂效果好主要原因是復合型聚羧酸外加劑引起了混凝土毛細管表面張力的下降，從而引起混凝土收縮的宏觀應力下降，收縮降低。混凝土抗氯離子滲透能力良好的主要原因表現在兩個方面，一方面是復合型聚羧酸系具有高分散性的作用使得混凝土水膠比大大降低，這就意味著提高了混凝土的密實性從而達到提高抗氯離子滲透能力；另一方面是磨細礦渣的填充和水化雙重作用同樣起到了密實性效果。，具體指標值見下表13。

    0.6  目前,該配合比在鄭西鐵路客運專線已經使用了2年之久，通過使用我們認為該配合比存在以下優勢：

    復合型聚羧酸外加劑較高的減水作用（減水率26-33%)引起了低水膠比；粉煤灰和礦粉又對混凝土微觀空隙進行了填充水化，從而達到了最佳的致密效果，因此使得混凝土強度增加，抗裂、抗凍、抗氯離子侵蝕等各項耐久性指標優異，混凝土外觀質量也得到了非常大的改善。復合型聚羧酸鹽外加劑改善了混凝土的工作性、和易性及泵送能力。復合型聚羧酸鹽外加劑保證了混凝土良好的坍落度保持能力。配合比綜合成本降低。

 

    0.7 配合比使用時應注意的問題：

    聚羧酸鹽外加劑顯效時間較萘系外加劑較長，因此拌合時間要加長。聚羧酸鹽外加劑不能長時間使用金屬容器裝載，可用PE、PVC、FRP等容器。聚羧酸鹽外加劑對原材料敏感性特別強，水泥、水中成分有變化時，混凝土立刻不適應，產生離析、泌水等很大的變化，當砂的含泥量超過3%時減水效果明顯降低，甚至不如萘系外加劑（客專要求C50混凝土砂含泥量不得超過2%）。聚羧酸鹽外加劑對摻量有要求，當小于0.8%后，減水效果明顯降低，過摻后又會出現凝結時間過長或假凝現象。聚羧酸鹽外加劑一般都是復合型的,若需要防凍、緩凝等新要求時,應該通知廠家調整，自己調整時應該搞清楚其組分，不能與松香皂類組分同時使用。

 

（1）Sidney Mindess等. 混凝土〔M〕化學工業出版社，2005年版.

（2）吳中偉，廉慧珍. 高性能混凝土〔M〕北京：中國鐵道出版社，1999

（3）Kazoo Yamada Tomo Takahashi. Shunsuke Hanehara Makoto Matsuhisa Effects of the chemical structre on the properties of polycarbosy latetype superplasticizer〔J〕, Cement and concrete research，2000，（30）：197-207

（4）V.Morin F.Cohen Tenoudji. A.Feylessoufi P.Richard Super plasticizer effects on setting and structuration mechan isms of ultrah igh-performance concrete〔J〕, Crmrnt and concrete，2001，（31）：63-71

（5）王子明，張瑞艷，王志宏. 聚羧酸系高性能減水劑的合成技術〔J〕材料導報，2005，19（9）：44-46