高性能混凝土中聚羧酸系高性能减水剂的应用

王鹏程 胡胜根

1 概述

高性能混凝土是20世纪80年代末90年代初，日本及欧美一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土。高性能混凝土名词出现至今，各个国家的学者依照各自的认识、实践、应用范围和目的要求的差异，对高性能混凝土有不同的定义和解释。吴中伟院士对高性能混凝土提出的定义是:高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能有重点地予以保证:耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性及经济性。为此，高性能混凝土在配料上的特点是:低水胶比、选用优质原料，除水泥、水、集料外，还必须掺加足够数量的矿物细粉掺合料和高效减水剂。

聚羧酸系高性能减水剂作为第三代减水剂，减水率高，掺量低，保坍性能好，对环境不造成污染，在高性能混凝土中发挥了不可替代的作用。近几年来聚羧酸系高性能减水剂在铁路、桥梁、水利水电等混凝土工程建设领域得到了快速发展并成功推广应用，并且在自密实混凝土、高强混凝土、高耐久性混凝土、海工混凝土等工程中也开始得到应用。

2 聚羧酸高性能减水剂的性能优点

聚羧酸高性能减水剂与其他高效减水剂相比，有许多突出的性能优点:

1)掺量低、减水率高。掺量通常为胶凝材料的0.5%～1.2%，减水率一般在25%～30%。

2)混凝土拌和物流动性好，坍落度损失小，60 min内坍落度基本无损失，且受温度变化的影响小。

3)具有微引气作用，拌制的混凝土含气量一般在2%～4%，可有效提高混凝土的耐久性。

4)总碱含量低，降低了发生碱骨料反应的可能性，提高混凝土的耐久性。

5)具有一定的缩减作用，28 d收缩率较萘系减水剂降低20%以上。

6)由于合成中不使用甲醛，在生产和使用过程中对人体健康无危害，对环境也不造成污染。

3 工程应用实例

1)河南宝泉抽水蓄能电站上水库副坝工程自密实混凝土。

在河南宝泉抽水蓄能电站上水库副坝工程混凝土施工过程中，我部采用清华大学研究的自密实堆石混凝土施工技术，就是先采用初步筛选的块石直接入仓，然后浇筑自密实混凝土，利用自密实混凝土的高流动性能，使其填充到堆石的空隙中，形成完整、密实有较高强度的混凝土砌石体。

自密实混凝土具有流动性能好并且不离析的特点，是无需振捣，依靠自重填充密实的一种新型建筑材料。在混凝土坍落度试验中，自密实混凝土坍落度能够达到260 mm以上，坍落扩展度能够达到600 mm以上。当然，要达到上述性能指标，聚羧酸系高性能减水剂起到了重要作用。

河南宝泉抽水蓄能电站上水库副坝工程C20自密实混凝土配合比设计中，采用一级配骨料，粗骨料为5 mm～20 mm粒径的碎石，细骨料是细度模数为2.9±0.3的河砂，水泥采用P.O32.5水泥，粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，减水剂使用天津西卡公司生产的Sika Viscocrete TH3410聚羧酸系高性能减水剂。配合比见表1。

表1 C20自密实混凝土理论配合比 kg

自密实混凝土工作性能的检测方法与常态混凝土不同，主要采用坍落度、坍落扩展度试验和V形漏斗试验进行检测。通过试验得到的坍落度、坍落扩展度、V形漏斗通过时间以及28 d强度见表2。

表2 C20自密实混凝土性能检测结果

根据施工配合比拌制的自密实混凝土，流动性能好，结合自密实堆石混凝土施工技术，有效提高了施工效率，降低了施工综合单价。因为掺加了大量的粉煤灰，使自密实混凝土水化温升大为降低，确保了大体积混凝土施工质量。

2)厦深铁路广东段7标连续梁C50高性能混凝土。

厦深铁路是国家《中长期铁路网规划》“四纵四横”快速铁路通道中杭州—深圳沿海快速铁路通道的重要组成部分。建设厦门—深圳铁路，将贯通整个沿海快速铁路通道，形成我国东南沿海地区的骨干铁路线。

厦深铁路设计方对连续梁C50混凝土设计要求及指标:设计强调等级为C50，弹性模量大于40 GPa，抗渗等级大于P20。工作性能方面:混凝土坍落度能够达到(200±10)mm，和易性好，混凝土不分层离析，可泵性好，易于浇筑密实。

根据《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》《客运专线预应力混凝土梁暂行技术条件》《铁建设［2009］152号》等文件，我部进行了连续梁 C50高性能混凝土的配合比设计。水泥采用P.O42.5水泥，粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，磨细矿粉。粗骨料采用粒径5 mm～25 mm二级配碎石，细骨料细度模数为2.6～3.0的河砂，减水剂使用深圳迈地外加剂公司生产的聚羧酸系高性能减水剂。配合比见表3。

表3 C50高性能混凝土配合比 kg

根据配合比试拌的C50高性能混凝土，流动性能好，没有分层离析现象，混凝土初始坍落度为210 mm，含气量为2.8，停放1 h后的坍落度为190mm，损失20mm。28 d抗压强度为62.1 MPa，弹性模量为48.5 GPa，抗渗等级大于P22，均满足设计要求。

4 工程应用中存在的问题及应对措施

1)与胶凝材料的适应性问题。由于聚羧酸系高性能减水剂的高减水率和低掺量，导致其对胶凝材料的敏感性相对萘系减水剂大大增加。不同水泥、不同掺合料对聚羧酸系高性能减水剂都有适应性问题，尤其是掺合料中的粉煤灰显得更明显一些。众所周知，我国水泥品种繁多、质量复杂多变，掺合料等级差异大，当遇到相容性较差的胶凝材料时，聚羧酸系高性能减水剂拌制的混凝土就会出现流动性差及坍落度损失大的现象。

针对上述问题，聚羧酸系高性能减水剂厂家就要提供该类产品的现场技术支持，现场技术服务人员要根据施工现场所用的胶凝材料，在初步复配配方的基础上，经过现场试配、改进复配配方，再现场试配、再改进复配配方，反复多次，直至复配产品完全满足现场施工要求为止。

2)砂子的含泥量问题。当砂子的含泥量较高时，聚羧酸系减水剂的减水率会明显降低。使用萘系减水剂往往通过增加一些掺量来解决。聚羧酸系减水剂在增加掺量时变化不明显，很多的情况是当流动度还没有达到要求，混凝土已经开始泌水了，现场解决的最好办法是加强对砂子含泥量的控制，杜绝含泥量超标的砂子进入施工现场。

3)引气性问题。聚羧酸系减水剂在生产过程中往往会保留一些降低表面张力的表面活性成分，因此它具有一定的引气性。在试配或制备混凝土时，不能用聚羧酸混凝土含气量去套用萘系混凝土含气量，当聚羧酸系高性能减水剂混凝土具有较高含气量时(3%～5%)是可以安全使用的，且混凝土后期强度不会有下降趋势，而萘系含气量较高就会出现混凝土后期强度下降的趋势。

4)聚羧酸减水剂的掺量问题。掺量在水胶比小时十分敏感，且表现出有更高减水率，而在水胶比大时(一般大于0.4以上时)，减水率及其变化就不那么明显了。胶凝材料用量大时掺量影响更为明显，而胶凝材料总量小时差一些。

5 发展趋势

国内外大量的工程实践都证明，推广应用聚羧酸系高性能减水剂是混凝土质量向高性能化发展的必要要求。聚羧酸系高性能减水剂有较高的减水率和较好的坍落度保持性能，生产过程无污染，是环保性的外加剂。国外20世纪90年代开始使用，日本现在的使用量占高效减水剂的60%～70%，欧洲约占20%，而我国是在21世纪初才开始研究和应用的。基于我国经济持续、快速发展，以及各种基础设施建设规模的不断扩大，特别是高速铁路网、高速公路网、桥梁、隧道、机场、港口、大坝、高层建筑等建设项目正大规模开展，混凝土工程量巨大。聚羧酸系高性能减水剂将成为今后我国混凝土外加剂主流技术的发展方向，它的市场将面临一个极大的发展机遇，未来较长时间内，它的生产与应用仍将继续保持高速增长的趋势。

为促进我国聚羧酸系高性能减水剂行业整体水平的提高，不断发展混凝土技术，提高混凝土总体质量水平，我们还要加大对聚羧酸系高性能减水剂及其应用技术的研究力度。通过进一步优化产品配方、调整合成工艺、科学合理的对其进行分子结构设计与性能设计，有针对性地开发理想的聚羧酸系高性能减水剂系列产品和多功能产品，使其能够更好的满足工程的设计要求、环境要求、施工要求，从而取得预期的技术、经济及社会效益。

［1］ 吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

［2］ 郭延辉，郭京育.聚羧酸系高性能减水剂研究与工程应用［M］.北京:中国铁道出版社，2007.