聚羧酸高性能减水剂在高速铁路工程中的应用实践

黄勇,毛永琳,陈亮,艾宾强,张立华,张伟南

（1.甘肃第七建设集团股份有限公司混凝土构件公司，兰州 730000；2.江苏博特新材料有限公司，江苏南京210008）

1 前言

聚羧酸高性能减水剂以其高减水、高保坍、低收缩、分子结构可调性强而成为第三代混凝土减水剂[1～5]。聚羧酸高性能减水剂的市场应用正逐年增加，2011 年全年用量超过了160万吨左右。按聚羧酸减水剂掺量为总胶材的1%计算，则采用聚羧酸减水剂生产的混凝土达到2 亿m3以上。随着我国客运专线建设速度的加快，对聚羧酸高性能减水剂的需求量越来越大。虽然聚羧酸高性能减水剂为加速高速铁路工程建设和保证工程质量发挥了积极的作用，但聚羧酸高性能减水剂在工程应用过程中依然出现一系列的问题，这充分说明了聚羧酸高性能减水剂的应用技术的研究远不及产品的推广应用速度。因此，有针对性的开发聚羧酸高性能减水剂的应用技术，加强聚羧酸高性能减水剂工程应用的关键技术总结，对高速铁路建设将具有一定的指导作用。

2 聚羧酸高性能减水剂的种类及性能特点

聚羧酸系减水剂的优势之一是其分子结构和性能的可设计性好[1～5]，通过原材料的组合和分子结构的调整可以合成出系列性能特点不同的高性能减水剂产品，这些性能特点不同的减水剂之间可以通过复配实现性能互补。从目前的研究进展情况来看，聚羧酸高性能减水剂按应用功能大体上可以分成四大类：（1）通用型聚羧酸减水剂，该类减水剂具有高减水、保坍能力好、收缩低的特点，可以满足大部分混凝土工程应用需要，占市场应用的主体；（2）保坍型聚羧酸减水剂，该类产品减水能力有限，但却有较高的坍落度保持能力，可以与通用型聚羧酸减水剂复合应用解决其在工程应用中的坍落度损失问题，也可单独应用解决中、低流动性混凝土流动性保持难题；（3）早强型聚羧酸减水剂，该类产品能够促进水泥早期水化进程，使混凝土的凝结时间提前，从而获得较高的早期力学强度，主要适用于预制构件工程和部分冬季低温施工工程中，但该类产品的保坍能力有限；（4）减缩抗裂型聚羧酸减水剂，该类产品具有较通用型聚羧酸减水剂更好的减少混凝土收缩的能力。表1中列出了江苏博特新材料有限公司系列聚羧酸高性能减水剂的检测指标。

表1 不同种类聚羧酸高性能减水剂样品的基本性能比较

3 高速铁路工程施工用混凝土外加剂的选用

高速铁路工程建设用混凝土为高性能混凝土，混凝土原材料的品质要求比现行相关行业标准有所提高，对处于不同环境的混凝土以抗氯离子渗透性、抗冻性、耐蚀性、抗碱－骨料反应性等多种耐久性要求进行性能设计。矿物掺合料和聚羧酸系外加剂的使用纳入技术标准要求。高速铁路工程主体结构分为桩基、承台、墩身、箱梁、轨道板等几部分，不同部位施工工艺、性能要求差异较大，表2 给出了高速铁路工程不同结构部位混凝土的典型配合比。如何选用适合的聚羧酸高性能减水剂配制相应混凝土，是聚羧酸高性能减水剂在客运专线混凝土施工中的关键。

3.1 灌注桩混凝土用聚羧酸高性能减水剂优选

灌注桩混凝土浇筑施工采用导管灌注施工，属于中低强、大流态混凝土，要求混凝土具有良好的流动性和和易性，保证灌注施工的连续性，以防断桩等工程事故发生。配制灌注桩混凝土的外加剂应具备如下特点：（1）适中的减水率（大于25%）：灌注桩混凝土水胶比一般控制在0.38～0.42，一般聚羧酸减水剂的减水能力均能满足要求；（2）良好的坍落度保持能力：灌注施工要求混凝土在入导管时扩展度大于450mm，混凝土流动度损失控制成为灌注桩混凝土施工成败的关键，当混凝土原材料质量较差导致混凝土损失过大时，应采用缓凝剂或保坍型聚羧酸外加剂与通用型聚羧酸产品复合应用的方式加以调控；（3）一定的引气能力：浆集比达到0.35∶0.65 才能实现大流态高性能混凝土新拌性能、力学性能和体积稳定性之间的相互统一。从表2 中C30 灌注桩的典型配合比可见，水泥浆体含量达到0.293，必须通过控制混凝土含气量达到3%～5%加以调整，使其水泥浆体含量提高到0.33～0.35，才能满足施工性能与硬化性能的统一。

表2 高速铁路工程不同部位混凝土典型配合比

表3 粘土对掺聚羧酸减水剂水泥净浆流动度的影响

3.2 承台、墩身混凝土用聚羧酸高性能减水剂优选

承台、墩身混凝土一般采取泵送施工，属于中低强、高流动度混凝土范畴。应用于灌注桩混凝土施工的聚羧酸高性能减水剂可满足承台、墩身混凝土施工要求。但由于承台、墩身混凝土对坍落度的要求有所降低（14～18cm），所以应在外加剂掺量上做适当调整。由于承台、墩身混凝土属于地上结构，因此应控制混凝土含气量2%～4%，以保证混凝土外观质量。

3.3 箱梁混凝土用聚羧酸高性能减水剂优选

箱梁混凝土一般采取泵送施工，属于中高强度、大流态混凝土范畴。配制箱梁混凝土的外加剂应具备如下特点：（1）较高的减水率（大于27%）：箱梁混凝土强度等级为C50，水胶比一般控制在0.31～0.33，需要聚羧酸减水剂有较高的减水能力；（2）良好的坍落度保持能力：箱梁混凝土一般需要连续施工8～10h，所以需要混凝土性能稳定，流动度损失小。缓凝剂或保坍型聚羧酸外加剂与通用型聚羧酸产品复合应用可以调控箱梁混凝土的流动度损失；（3）有一定的降粘能力：C50 箱梁混凝土经常出现过粘现象，导致混凝土难以泵送施工，造成堵泵事故。在聚羧酸减水剂优选时应该选择饱和掺量高、饱和掺量时减水率高的减水剂，这可以减少聚羧酸减水剂过饱和导致的混凝土粘度显著增加。另外，适当提高聚羧酸减水剂的引气能力也是改善混凝土粘度的措施，应通过调整聚羧酸结构达到控制混凝土含气量2%～4%。

3.4 轨道板混凝土性能要求及聚羧酸高性能减水剂

轨道板混凝土采用中温蒸汽养护生产，属于高强、中等流动、预制混凝土范畴。配制轨道板混凝土的外加剂应具备如下特点：（1）较高的减水率（大于30%）：轨道板混凝土强度等级为C55～C60，水胶比一般控制在0.28～0.30，需要聚羧酸减水剂有较高的减水能力；（2）良好早强效果：轨道板混凝土属于预制构件，为了加快生产进度和模板周转，要求混凝土16h抗压强度大于48MPa。在选择聚羧酸减水剂时应考察其凝结时间差，选择凝结时间小于60min 的聚羧酸减水剂，缩短养护周期。

4 聚羧酸高性能减水剂应用注意事项

聚羧酸减水剂在高速铁路工程中应用除了要满足特定结构部位的施工工艺、性能要求外，还要注意一些应用过程中的共性问题。

4.1 聚羧酸减水剂与水泥的相容性

由于我国水泥产品矿物成分较为复杂，加之掺合料的大量应用，聚羧酸类减水剂对不同水泥仍存在适应性问题。聚羧酸减水剂与水泥的相容性差，主要是由于聚羧酸减水剂在水泥颗粒上的吸附异常。水泥中的碱式硫酸盐过多会造成聚羧酸减水剂吸附困难[6]，只能通过提高聚羧酸掺量改善混凝土流动性。而比表面积大或C3A 含量较高将导致聚羧酸减水剂吸附过多，加剧了新拌混凝土的流动度损失。另外煤矸石、萘系助磨剂等掺入水泥也会造成混凝土流动度降低。当遇到上述问题时除了更换水泥外，也可以通过调控聚羧酸减水剂的分子结构从而改变其吸附行为来解决相容性问题。

4.2 聚羧酸高性能减水剂对含泥量的敏感性

砂石中粘土对聚羧酸系减水剂应用的负面影响已经为大家公知[7]，但尚无很好的解决措施。粘土层间结构能够大量吸附聚羧酸系减水剂分子，降低了用于分散水泥颗粒的聚羧酸减水剂含量，分散性变差，混凝土流动度保持能力降低，见表3。

由表3 可见，抗粘土型聚羧酸减水剂对骨料含泥量较高的混凝土流动度影响相对较小，这得益于该类减水剂在粘土颗粒上的吸附较少。还有报道介绍，小分子阳离子聚合物更易于吸附在粘土颗粒表面，当其与聚羧酸减水剂混合应用时，可以与聚羧酸减水剂在混凝土颗粒上竞争吸附，降低聚羧酸减水剂在粘土颗粒表面的吸附，提高混凝土的流动性。

4.3 聚羧酸高性能减水剂的温度敏感性

环境温度的变化对聚羧酸减水剂的应用性能影响较大，当聚羧酸减水剂在高温环境下应用时坍落度损失增大，而当环境温度低于15℃时坍落度会出现反增长现象，这使施工人员很难控制混凝土的流动度，从而影响了混凝土的质量。

聚羧酸减水剂结构可调控性强，通过调整吸附基团含量可以控制其在不同温度环境下的吸附行为，进而改善流动度变化幅度，达到在不同温度环境下应用都能保证混凝土流动度的稳定，保证施工正常进行。图1中高温型产品在温度达到30℃时，坍落度基本保持稳定，适合于夏季施工应用；而低温型产品可以保证环境温度降低至5℃时，混凝土坍落度不出现增加现象，适合于冬季混凝土施工。

图1 不同种类聚羧酸减水剂在不同温度环境下的应用性能

5 结论

聚羧酸系减水剂作为第三代混凝土减水剂已经广泛应用于高速铁路工程建设混凝土施工中。如何根据混凝土施工工艺要求及性能要求选择适合的聚羧酸减水剂是应用技术的关键。聚羧酸产品的系列化使其更适合配制高性能混凝土，可以满足高性能混凝土的特殊功能要求。聚羧酸减水剂在应用过程中还存在水泥适应性、骨料含泥量影响和温度敏感性等应用问题，在应用过程中应加以注意。当施工过程中发生类似问题时应结合混凝土原材料及聚羧酸减水剂两方面综合考虑，提出最佳解决方案。

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[7]肖怀芬，刘国栋，肖金芳.聚羧酸减水剂抑制混凝土中泥含量的新措施[J].中国建材科技，2008(2)：26-30