聚羧酸系减水剂在预拌混凝土中的应用

王骁敏，陆继光，谢雯, 郭执宝

（1.上海市建筑科学研究院，上海 200032；2.上海华联建筑外加剂厂有限公司，上海 200131）

近年来，中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，高速铁路，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。况且当今世界，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”新理念的高性能减水剂，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，聚羧酸系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，低强度等级采用木质素磺酸盐减水剂来做，其他强度等级全部采用聚羧酸系减水剂或木质素磺酸盐与聚羧酸系减水剂复合的产品，做到了既环保又节能。在国内，聚羧酸系减水剂主要应用在如高铁、桥梁等国家重点工程中。而在我国巨大的预拌混凝土市场(2009年我国预拌混凝土产量约70000万m3，上海市产量6000万m3) 中，萘系减水剂占据预拌混凝土减水剂市场的绝大部分，聚羧酸系减水剂的使用率很低。因此, 如何使聚羧酸系减水剂广泛应用在各种强度等级的预拌混凝土中,是我国混凝土外加剂行业迫切研究的课题。

1 上海预拌混凝土中的应用概况

2000年上海市建筑科学研究院率先在国内研制成功聚羧酸系减水剂，投入工业化生产，并开始在上海磁悬浮轨道、东海大桥等工程中应用。2002年～2005年，聚羧酸系减水剂开始在国家重点工程中集中应用，如杭州湾大桥，南水北调中线总干渠漕河渡槽段工程等；其后，随着国家高速铁路网的兴建，聚羧酸系减水剂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，聚羧酸系减水剂开始在预拌混凝土中大量应用，随之，聚羧酸系减水剂在预拌混凝土中应用技术的研究与开发也迅猛发展。

通过在预拌混凝土中的试验和应用实践，上海有一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，全部采用聚羧酸系减水剂取代萘系等减水剂，其应用不但提高了混凝土性能，还降低了混凝土的综合成本。在强度等级低于C35的预拌混凝土中，可采用聚羧酸系减水剂或改性的聚羧酸系减水剂取代传统减水剂。在上海已有不少中、低强度等级预拌混凝土中应用聚羧酸系减水剂的工程。

近几年来，上海市由搅拌站供应预拌混凝土中使用聚羧酸系减水剂的工程实例主要有：

（1）标志性建筑，如上海环球金融中心（高492m，101层，2008年竣工），全部采用聚羧酸高性能减水剂，在第三层28000m3基础混凝土施工中，40小时一次性连续浇注，由8个预拌混凝土站、19部混凝土泵、350辆搅拌车同时供应；上海中心大厦（高632m，127层），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），在发布的《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—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，聚羧酸系减水剂在预拌混凝土中的应用取得了搅拌站和施工单位的认可，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。

2 在预拌混凝土中应用的技术难点与对策

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，但想要取代传统减水剂还存在一些有待解决的技术难点。

2.1 混凝土保坍性

由于国内的水泥品种比较复杂，加上混凝土砂、石料、矿物掺合料等受市场资源影响具有不确定的因素，我国预拌混凝土性能波动性很大，混凝土的保坍性能这一方面尤其明显，萘系等传统减水剂通过复合、改性途径，已摸索出一些由材料波动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，尽管在保坍性方面优于传统减水剂，但同样存在着对水泥等各种材料的适应性摸索进而适应性阶段。

解决由混凝土材料波动大引起的的保坍性这一难题的对策主要有：

(1)可通过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系减水剂复合，使之优缺点相互互补，可得到性能较全面的聚羧酸系减水剂。在保坍性能方面也这样，如下表1为两种聚羧酸系减水剂复合后的性能对比：

从表1看出，随着水泥比表面积（m2/kg）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，但价格昂贵。如表2为添加聚羧酸型保坍剂后的混凝土性能表现。

从表2中数据看出，不添加保坍剂，1h坍损为130mm，添加2.0%(以减水剂质量计)保坍剂后，1h坍损为35mm，2h坍损为130mm；添加8.0%(以减水剂质量计)保坍剂后，1 h坍损为15mm，2h坍损为25mm，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—葡萄糖酸钠，应用在聚羧酸系减水剂中，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：此类的改良剂效果已能够满足一般工程中的需要。试验数据如表3所示。

从表3中数据看出，不同的水泥，聚羧酸减水剂的适应性不同，在联合P.O42.5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保坍剂（改良剂）后，初始坍落度变大且1 h坍损为30mm，完全可以满足一般性施工需求。

2.2 在中、低强度等级混凝土中的适用性

从这几年上海市混凝土强度等级的分布情况来看，C35以上的混凝土只占30%多，C30及 C30以下的中、低强度等级混凝土，约占65%多。聚羧酸系减水剂在中、低强度等级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、直接使用聚羧酸系减水剂

在中、低强度等级预拌混凝土中直接使用时，应注意到聚羧酸系减水剂高减水率的特点，应用时需调节混凝土配合比，即使降低了聚羧酸系减水剂掺量，也可得到比萘系减水剂更高的减水率。减水率提高，混凝土中用水量可减少，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，影响混凝土的工作和易性，因此直接使用聚羧酸系减水剂时，应调节混凝土配合比,适当调整粉煤灰等矿物掺合料掺量和砂率大小，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、低强度等级混凝土中应用聚羧酸系减水剂与萘系减水剂的对比情况：

表1 两种聚羧酸高效减水剂复合效果

表2 添加聚羧酸型保坍剂效果（试验水泥：海门海螺P.O52.5水泥）

表3 添加非聚羧酸型改良剂效果（试验水泥：联合P.O42.5水泥，海门海螺P.O42.5水泥）

表4 聚羧酸系减水剂与萘系减水剂的对比试验（试验水泥：铜陵海螺P.O42.5水泥）

表5 实验室聚羧酸系中效减水剂试验(C30,试验水泥：编号1、2为联合P.O42.5，编号3、4为海门海螺P.O42.5)

表6 搅拌站聚羧酸中效减水剂试验（C25、C30常规配比,编号1-4为海螺水泥，编号5-8为金峰水泥）

从表4中数据来看，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，现在聚羧酸系减水剂经过长时间的技术开发和应用，价格越来越低，综合考虑和计算，混凝土成本不仅不会提高，还有可能大大降低，体现出应用聚羧酸系减水剂良好的经济效益前景。

(2)合成或复配成中效减水剂

在中、低强度等级混凝土中直接使用聚羧酸系减水剂时，对于有些水泥, 可把掺量调低来满足其对最低减水率的要求，但混凝土保坍性不能满足要求。因此，必须另行合成适应中、低强度等级混凝土(满足保坍性外，使用价格较低)的聚羧酸中效减水剂，或者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。

从实验室表5及搅拌站表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，几家外资企业也有不同的产品，如西卡ViscoCrete1245系列聚羧酸系改性减水剂，格雷斯公司(Grace)聚羧酸中效减水剂MIRA-P80，已在工程中大量应用。

3 结束语

（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，萘系减水剂仍占据此减水剂市场的绝大部分，如何使聚羧酸减水剂更加广泛地应用在各种强度等级的预拌混凝土中,是我国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及中、低强度等级混凝土比例大的特点，在应用聚羧酸系减水剂时，保证混凝土保坍性的方法主要可从分子结构设计、合成工艺等方面进行改进，制备出对水泥等材料适应广的减水剂，除此之外，可用不同母料复合、掺保坍剂、改良剂等几个方法解决保坍性问题。

（3）预拌混凝土中可直接使用聚羧酸系减水剂或复配成中效外加剂，降低使用掺量或复配成价格低廉的中效聚羧酸系外加剂是拓宽聚羧酸系减水剂在中、低强度等级混凝土中应用的途径。

（4）随着聚羧酸系减水剂在预拌混凝土中应用技术的进一步发展和完善，聚羧酸系减水剂优良性能逐渐被设计、施工和管理部门认可，在其工程技术要求或行业规范中如被采纳，这种绿色环保的外加剂必将在我国预拌混凝土巨大市场中得到更加广泛的应用。