聚羧酸系减水剂在预拌混凝土中的应用
混凝土 散装水泥双周刊 2010-08-16
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近年来，我国的建设规模越来越大，各种重点、重大基础设施，超高层建筑，高速公路，地铁车站，核电站等工程，对混凝土的施工性能和综合性能的要求越来越高，传统的木质素磺酸盐、萘系、蒽系等减水剂由于本身性能的局限性已不能满足现代工程的需要。同时，绿色环保是国际化的一个大趋势，绿色混凝土作为新型的建筑材料，也受到越来越多的关注，聚羧酸系减水剂是一种环保、节能、降耗的新理念高性能减水剂，其生产过程无废弃物，对周边环境无危害，其出色的施工和易性、良好的强度发展和优异的耐久性等性能是配制绿色环保混凝土的首选外加剂。
从国外聚羧酸系减水剂的发展来看，聚羧酸高性能减水剂已经是国外高效减水剂的主要品种。在日本和韩国，聚羧酸系减水剂的使用率高达90%左右，在美国也达60%~70%。在预拌混凝土中，除了低标号采用木质素磺酸盐减水剂外，其余极大部分采用聚羧酸高性能减水剂与木质素磺酸盐的复合产品，既环保又节能。在国内，聚羧酸高性能减水剂主要应用在如高铁、桥梁等重点工程中。而在我国巨大的预拌混凝土市场中（2009年我国预拌混凝土产量约70000万立方米，上海市产量6000万立方米）聚羧酸系减水剂的使用率很低，萘系减水剂占据预拌混凝土减水剂市场的绝大部分。因此，如何使聚羧酸减水剂广泛应用到预拌混凝土中，是我国混凝土外加剂行业迫切研究的课题。
聚羧酸系减水剂在上海地区应用概况
2000年，上海市建筑科学研究院在国内率先研制成功聚羧酸系高性能减水剂，投入工业化生产，产品在上海磁悬浮轨道、东海大桥等工程中试验应用。2002年~2005年，上海生产的聚羧酸系高性能减水剂开始应用在如杭州湾大桥等国家重点工程中。其后，随着国家高速铁路网的兴建，上海产品广泛应用在如京沪高铁、武广客运专线、合武高铁、各个省际高铁等工程中；2006年以来，随着聚羧酸系高性能减水剂在上海预拌混凝土中研究工作与应用实践，使聚羧酸系这一类型减水剂在预拌混凝土中应用技术有了进一步的发展。至今上海有些搅拌站已在混凝土强度等级高于c35（含等级不低于c30的水下灌注桩）的预拌混凝土工程中，全部采用聚羧酸系高性能减水剂，取代萘系等减水剂，其效果不但能提高混凝土性能，还可降低混凝土的综合成本。在强度等级低于c35的预拌混凝土，采用改性的聚羧酸系减水剂取代传统减水剂，同样取得良好的技术经济效果。
近几年来，由上海市混凝土搅拌站供应的预拌混凝土中，使用聚羧酸系减水剂的工程实例主要有：
（1）上海环球金融中心全部采用聚羧酸高性能减水剂，在第三层28000立方米基础混凝土施工中，40小时一次性连续浇筑，由8个预拌混凝土站、19部混凝土泵、350辆搅拌车同时供应；上海中心，拟采用聚羧酸高性能减水剂配制c100的混凝土。
（2）市政、港口等基础设施，如沪崇苏越江通道（总长25.497公里）、洋山国际深水港、上海浦东机场二期等。
（3）上海轨道交通工程，上海将新建10条城市快速轨道交通线路（总长389公里），在《上海地铁车站结构混凝土的配制要求和混凝土结构耐久性设计与施工指南》中，规定了分布在上海各处的预拌混凝土公司为轨道交通工程一地下车站、盾构管片、高架轻轨等工程提供的预拌混凝土均须采用聚羧酸系减水剂。
（4）工业、民用与公共建筑，如上海世博会中国馆，上海世纪花园秋菊坊，鸿益千秋三期等工程，这些工程的混凝土施工质量良好，深得客户的好评。
聚羧酸系减水剂应用技术难点与解决方法
聚羧酸系减水剂理论上可以广泛应用在各种强度要求的预拌混凝土中，但要更普遍在预拌混凝土中应用聚羧酸系减水剂，还存在一些有待解决的技术难点。
1.材料多变的适应性
由于我国预拌混凝土中使用的水泥品种比较复杂、多变，加上混凝土砂、石料、矿物掺合料等受市场资源影响具有很大波动性，影响预拌混凝土性能，保坍性这一性能尤其明显，在这一方面，萘系等传统减水剂通过复合、改性途径，我们已摸索出一些影响混凝土坍落度保留值的改进措施。而聚羧酸系减水剂是新型的外加剂，尽管保坍性优于传统减水剂，还存在对各种水泥等材料适应性的摸索过程。
解决预拌混凝土材料波动大的适应性这一难题的对策：
（1）可通过对聚羧酸系减水剂生产工艺方面的改进，如采用优质的原料，更合理的分子结构设计、嫁接合成等工艺来制备出满足要求的水泥等材料适应性广、掺量低而坍损小的的聚羧酸系减水剂品种。
（2）不同聚羧酸母料混合。现在市场上的聚羧酸系高性能减水剂种类繁多，每一类母料的具体性能不同，有的体现在减水率方面，有的在凝结时间方面，有的在保坍性能方面，有选择的将两种或两种以上的聚羧酸减水剂复合，使之优缺点相互互补，可得到性能较全面的聚羧酸高性能减水剂。在保坍性能方面也这样，表1为两种聚羧酸高性能减水剂复合后的性能对比。
从表1中的数据可以看出，随着水泥比表面积的增大，单一聚羧酸减水剂a的坍损逐渐增大，复合聚羧酸减水剂b后的ab产品，坍损可明显减小。
（3）添加聚羧酸型保坍剂。随着聚羧酸系高性能减水剂的大量应用，专门用于聚羧酸系减水剂的聚羧酸型保坍剂也开发出来，此类保坍剂对有些水泥应用效果尚可，见表2。
从表2中的数据可以看出，不添加保坍剂，1小时坍损为130毫米，添加2%（以减水剂质量计）保坍剂后，1小时坍损为32毫米，2小时坍损为128毫米；添加8%后，1小时坍损为15毫米，2小时坍损为25毫米，保坍性能得到大大提高，并且添加保坍剂第2、3组的抗压强度均得到了提高。
（4）添加非聚羧酸型保坍剂（改良剂）。萘系减水剂外加剂厂常用的保坍剂为葡萄糖酸钠，应用在聚羧酸高性能减水剂中，除在有限的几个水泥品种中有些效果外，在许多水泥中其保坍性能并没有很大的提高，因此必须添加特种的非聚羧酸型改良剂，如上海华联建筑外加剂厂有限公司研发的tk-502改良剂等，经大量试验研究得出：此类改良剂效果已能够满足一般工程中的需要，如表3所示。
从表3中的数据可以看出，不同的水泥，聚羧酸减水剂的适应性不同，在联合po42.5水泥中，不添加任何保坍剂，混凝土的保坍性能非常好，在海门海螺水泥中，添加常规的改良剂葡萄糖酸钠，效果不明显，添加特种的非聚羧酸型改良剂后，初始坍落度变大，且1小时坍损为30毫米，完全可以满足一般性施工需求。
2.在中、低标号混凝土中的适用性
从近年来上海市混凝土标号的分布情况来看，c35以上的混凝土只占30%多，c30及c30以下的中、低标号混凝土，约占65%多。聚羧酸系减水剂在中、低标号预拌混凝土中得以应用，可分为以下2种情况：
（1）调节混凝土级配，直接使用聚羧酸高性能减水剂。
在中、低标号预拌混凝土中直接使用时，应注意到聚羧酸系高性能减水剂高减水率的特点，应用时需调节混凝土配合比。在应用中即使降低聚羧酸系减水剂掺量，也可得到比萘系更高的减水率。减水率的增大，混凝土用水量可减少，根据水胶比的关系，配合比中的水泥用量理论上可大大减少。但混凝土总浆量太少，影响混凝土的工作性。因此直接使用聚羧酸减水剂时，应调节混凝土配合比，适当调整粉煤灰等矿物掺合料和砂率大小，控制浆体总量，可得到流动性和强度较好的混凝土。表4为江都市钱江混凝土制品有限公司在中、低标号混凝土中应用聚羧酸系减水剂与萘系减水剂的对比情况。
从表4中的数据来看，在中、低标号混凝土中应用聚羧酸系减水剂，与萘系减水剂相比，其原来配合比中的水泥用量可大大减少，同时增加粉煤灰的用量，使混凝土中浆体总量基本不变，混凝土的工作性能可大大提高，并且其后期抗压强度均比用萘系减水剂的高，混凝土综合成本不会提高。
（2）合成或复配成中效减水剂
对于有些水泥，在中、低标号混凝土中直接使用聚羧酸系减水剂时，如果把掺量调低来满足低减水率的要求，会出现混凝土保坍性不能满足要求。因此，必须另行合成适应中、低标号混凝土（满足保坍性外，使用价格较低）的聚羧酸中效减水剂。同时也可将聚羧酸系减水剂复配成中效型外加剂。上海华联建筑外加剂厂有限公司根据现在的市场需求，已成功开发了hl-ii（j）型聚羧酸系中效减水剂，在实验室中与萘系中效hl-ii相比数据如表5所示。
在上海市几家搅拌站也进行了初步的与常规萘系的对比试验，试验结果如表6所示。
从实验室试验（表5）及搅拌站试验（表6）的数据可以看出：聚羧酸系中效减水剂hl-ii（j）比萘系中效减水剂，无论在工作性能、坍落度保持还是后期抗压强度方面，都有着较大的优势。在聚羧酸系中效外加剂开发方面，上海某外资企业也有相同的产品，并已在工程中应用。
聚羧酸系减水剂的发展前景
（1）聚羧酸系减水剂具有环保、节能、降耗的优势，是绿色混凝土的首选外加剂，但在我国巨大的预拌混凝土市场中使用率很低，萘系减水剂仍占据预拌混凝土减水剂市场的绝大部分。如何使聚羧酸减水剂更广泛应用在各种标号的预拌混凝土中，是混凝土外加剂行业值得研究的课题。
（2）预拌混凝土具有材料波动性大的特点，为了使预拌混凝土具有良好保坍性，尚需对现有的聚羧酸系减水剂从分子结构设计、合成工艺等方面进行改进，制备出对水泥等材料适应性更广的聚羧酸系减水剂。除此之外，可用不同母料复合、掺保坍剂、改良剂等几个方法来解决保坍性问题。
（3）在中、低标号预拌混凝土中，可直接使用聚羧酸系高性能减水剂，但更合适的是采用合成或复配成中效型聚羧酸系外加剂，能与中、低标号预拌混凝土的用水量相匹配。
（4）随着聚羧酸系减水剂预拌混凝土中应用技术的进一步发展和完善。一旦聚羧酸系减水剂优良性能被设计、施工、管理部门的认可，能在工程技术要求或行业规范中对减水剂品种进行规定，这种绿色环保的外加剂将在我国预拌混凝土巨大市场中得到更加广泛的应用。
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