聚羧酸减水剂在不同类型混凝土中的技术应用

吴昊，查炎鹏，贾方方，刘俊元，马强，吴敬朋（北京市功能性高分子建筑材料工程技术研究中心，北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京　100039）

聚羧酸减水剂在不同类型混凝土中的技术应用

吴昊，查炎鹏，贾方方，刘俊元，马强，吴敬朋
（北京市功能性高分子建筑材料工程技术研究中心，北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京100039）

介绍了聚羧酸减水剂在普通预拌混凝土、自密实混凝土及预制构件中的应用。在预拌混凝土中，抗泥缓凝剂PR可以减轻泥对聚羧酸减水剂的影响；在自密实混凝土中，使用减水剂PC3600、PC9096、PC8000和PC4000，以及状态调节剂PM-1、PM-6，并将含气量控制在4.5%时，可以得到性能较优异的混凝土。在混凝土预制构件中，合理使用增稠剂和引气剂可以改善构件的表面质量。在活性粉末混凝土中试配表明，聚羧酸减水剂比氨基磺酸盐减水剂表现出更好的早期强度发展。

聚羧酸减水剂；预拌混凝土；自密实混凝土；预制构件；应用

0　引言

聚羧酸减水剂（PCE）在我国的快速推广应用时间已超过10余年。PCE的高减水率使混凝土的水胶比大大降低，为混凝土材料进一步高性能化提供了可能性。PCE具备不同于传统木质素磺酸盐（LS）和萘系减水剂（BNS）的立体梳形结构，致其分散能力显著增强，减水率大幅提高，同时可以根据需要在其分子主链上引入不同的官能团，以起到减水、分散、引气、保坍及缓释等不同作用，分子可设计性强。目前，PCE的应用领域已经从国家各级工程项目全面延伸到民用建筑预拌混凝土市场，应用类型也逐渐由高标号混凝土、特殊种类混凝土向普通低标号混凝土过渡［1-2］。

现代混凝土体系是一个多因素、共协同的综合体系，然而由于PCE自身敏感性高以及混凝土原材料质量变差等客观原因的影响，传统粗放的外加剂使用方式已经很难满足日趋复杂的混凝土技术要求，PCE的精细化应用迫在眉睫。PCE的功能化开发同样也推动着复配技术的发展，以多类型母液及各类功能性组分复配形成功能各异、性能优良的混凝土外加剂产品，已经能够满足不同类型混凝土的配制要求。在普通预拌混凝土中，要以具体应用要求为依据，设计与复杂混凝土原材料及其变化具有良好适应性的PCE产品。在自密实混凝土（SCC）中，要注意PCE与各项混凝土性能指标的匹配性，往往需要多种PCE及功能小料复合使用，以形成综合作用。对混凝土预制构件用PCE产品而言，要同时满足低掺量、高减水、低流动性、低引气性、早强和不延缓凝结时间的技术要求［3-5］。笔者结合近几年来的工作实践，阐述了PCE在不同混凝土中的应用情况，旨在为PCE的进一步应用提供借鉴。

1　试验

1.1试验材料

水泥：金隅P·O42.5、P·O42.5R水泥；粉煤灰：Ⅰ级和Ⅱ级，河北唐山粉煤灰；矿粉：S95级，河北三河矿粉；硅灰：SiO2含量95%，河北产半加密硅灰；微珠：Ⅰ级粉煤灰提取物，河北唐山；细骨料：Ⅱ区中砂，细度模数2.6，以及粒径范围0.16～1.25 mm的粗、中、细三级石英砂；粗骨料：5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm三级级配碎石，以及5～31.5 mm连续级配卵石；聚羧酸减水剂：均为自制，分别为聚醚类减水型母液PC3600，聚醚类保坍型母液PC9096，聚醚类降粘型母液PC8000及聚酯类减水型母液PC4000，固体含量均为40%；氨基磺酸盐高效减水剂（AS）：自制；抗泥缓凝剂PR：自制；引气剂AV601及消泡剂DFC：德固赛公司产品；状态调节剂：降黏剂PM-1、增稠剂PM-6，均为自制。

1.2主要试验仪器设备

混凝土搅拌机；坍落度筒；混凝土含气量测定仪；混凝土蒸汽养护箱；压力试验机；V型漏斗测定仪等。

1.3试验方法

砂中含泥量按照JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》进行测试；

混凝土含气量，混凝土坍落度、坍落扩展度及其经时变化按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；

倒置坍落度筒排空试验（简称倒置时间）按照JGJ/T 281—2012《高强混凝土应用技术工程》进行；

V漏斗时间按照CECS 203：2006《自密实混凝土应用技术规程》进行测试；

混凝土试件制作与养护、抗压强度测试按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

2　应用及讨论

2.1在普通预拌混凝土中的应用

普通预拌混凝土一般指混凝土搅拌站生产的C40及以下标号的混凝土，在建筑混凝土中所占的比重很大。普通混凝土通常具有较大的水胶比（W/B），低胶凝材料用量和相对高矿物掺合料用量等特征，砂石骨料质量波动以及级配差异也较明显，加之PCE自身敏感性强，致使其与原材料相容性差的缺点被放大，导致PCE在普通混凝土中的应用情况比较复杂。以北京某搅拌站C30混凝土配比为例，分析PCE在低标号混凝土中的技术应用情况。C30混凝土的配合比（kg/m3）为：m（P·O42.5R水泥）∶m（Ⅱ级粉煤灰）∶m（矿粉）∶m（中砂）∶m（卵石）∶m（水）∶m（外加剂）=215∶81∶71∶881∶954∶170∶适量。该C30混凝土技术要求为初始坍落度＞220 mm，1 h坍落度≥200 mm，硬化后混凝土表面不能存在大孔径气孔，含气量≤3%，无泌水抓底现象。通过试验得知，中砂含泥量达10%，此时若只复配使用减水型与保坍型母液并提高掺量，可以减少混凝土坍损，但混凝土初始状态泌浆严重，且原料成本过高。复配一种抗泥缓凝剂PR，在同等PCE掺量条件下可以提高混凝土的保塑能力，同时通过适当降低引气剂的用量，并加入一定量的消泡剂，以起到消除大泡，保留小泡的细化气泡结构作用，在保持良好的混凝土和易性的同时显著降低了硬化混凝土表面气孔量。不同外加剂在不同掺量下混凝土性能见表1。

表1　不同外加剂在不同掺量下的混凝土性能

由表1可见，通过复配PR，在相同2.0%掺量下，混凝土的2 h经时坍落度损失改善效果明显。同时，PR的使用降低了减水剂的掺量，综合计算节省了外加剂的复配成本，更易于被搅拌站接受。

2.2在自密实混凝土中的应用

SCC是指在自身重力作用下，能够流动、密实，即使存在致密钢筋也能完全填充模板，同时获得很好匀质性，并且不需要附加振捣的混凝土。如今根据实际用途，SCC主要以具有大流态、自填充功能的强度等级为C60及以上的高强混凝土为主。SCC的出现极大地推动了混凝土技术和建筑技术的发展，由于不需振捣，混凝土的浇筑时间大为缩短，施工效率大幅提高。同时依靠自身大流动性的特点，一系列设计复杂、不便施工的异形建筑结构的浇筑得以实现，同时表面不会出现大孔隙及蜂窝麻面等缺陷，节省了后期修补的工序，也避免了振捣对混凝土表面质量的影响［6-7］。

配制高强混凝土除了要遵循配制普通混凝土的一般原则外，还有着更为严格的要求。例如应选用质量稳定、需水量低、与外加剂相容性好且强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；对于强度等级为C60的混凝土，其粗骨料的最大粒径应≤31.5 mm，对于强度等级高于C60的混凝土，其粗骨料的最大粒径应≤25 mm，细骨料则以细度模数适中的中河砂或含泥含粉量较低的机制砂为宜。

以某项目C70高强自密实混凝土试配为例，技术要求为：初始扩展度≤800 mm，3 h扩展度≥650 mm，且拌和物无明显离析泌浆和抓底现象，初凝时间小于8 h，7 d抗压强度不小于设计强度的80%。要求混凝土的流动性、保塑性和自流平能力均极强，对外加剂产品提出了非常高的要求。C70自密实混凝土的配合比（kg/m3）为：m（P·O42.5水泥）∶m（Ⅰ级粉煤灰）∶m（硅灰）∶m（微珠）∶m（中砂）∶m（5～10 mm碎石）∶m（水）∶m（外加剂）=385∶152∶31∶38∶686∶945∶160∶适量。

SCC的胶材用量大，水胶比低，导致混凝土体系的整体黏度大，虽然加入微珠等矿物减水剂可以显著降低泵压，但SCC本身的高粘聚态与良好和易性之间的矛盾仍需通过调整PCE及其它复配组分和用量来加以解决。降黏剂PM-1及增稠剂PM-6可以改善混凝土的黏度特性及包裹性，使SCC在不泌浆离析的状态下尽可能具备最大的流动性。未使用PM-1和PM-6的新拌混凝土状态如图1所示，复配减水剂总母液质量1%的PM-1及0.2%PM-6的混凝土的状态如图2所示。

图1　未使用PM-1和PM-6的混凝土状态

图2　使用PM-1和PM-6的混凝土状态

由图1可见，混凝土的泌浆较为明显，且在翻动时明显费力，有抓底的现象产生。

由图2可见，通过复配减水剂总母液质量1%的PM-1及0.2%的PM-6，混凝土的和易性显著改善，浆体与石子均匀包裹分布，泌浆抓底现象消失，混凝土翻动起来较为轻松。可见，加入状态调节剂PM-1及PM-6可以改善浆体黏度特性，改善混凝土和易性。PM-6本身并不具备保塑作用，但其可以通过分子交联增加浆体的黏稠度，来达到调和浆体的流变形态，防止浆体外溢的作用效果，从而体现出一定的“保塑”效果。PM-1用于高标号混凝土的浆体降黏。SCC高胶材、低水胶比，浆体黏度大的特点极易导致混凝土变硬，流速减慢，并导致堵泵。以本配合比为例，其胶材用量为606 kg/m3，W/B= 0.26，要求初始倒置时间t≤15 s，V型漏斗初始时间t0≤30 s。高胶材用量会保证浆体的充盈度，但同时低水胶比也会增大浆体黏度，如不降低浆体黏度，就很难保证上述流出性指标的要求。在本试验中，使用了多种母液进行复合，试验结果表明可以满足混凝土流动性、保坍性及和易性的各方面要求，具体试验方案及结果见表2。

表2　使用不同聚羧酸减水剂母液的混凝土坍落度及扩展度

由表2可见，1#混凝土的流动性最好，但是其和易性状态较差，静置后会泌浆和抓底，3 h损失不明显。2#和3#混凝土分别用PC4000和PC8000替代1#中的聚羧酸减水剂母液PC3600及PC9096各10%，其性能呈现不同变化。PC4000的减水率不如PC3600高，但优点是混凝土状态好，柔软及包裹性好，主要问题是保坍性差。PC8000可降低高标号混凝土黏度，一定程度上作用近似于PC4000，但减水率更高，其混凝土状态仍不够理想，主要问题是包裹差。4#集合了上述各聚羧酸减水剂母液的优势，使之发挥各自特点，整体上形成功能互补。总体而言，3#和4#混凝土状态较接近，4#稍优于3#。要想达到SCC所要求的理想状态，还需要复配功能性小料，其中加入引气剂被认为是降低浆体黏度的有效措施之一。图3为相同条件下含气量对SCC倒置时间的影响，图4为相同条件下含气量对SCC的V型漏斗时间的影响。

图3　含气量对SCC的倒置时间的影响

图4　含气量对SCC的V型漏斗时间的影响

由图3、图4可见，SCC含气量在4.5%左右时，混凝土的流动性能最优，表明SCC的黏度适中。

2.3在预制构件中的应用

近年来，住宅产业化发展势头迅猛，也进一步推动了混凝土预制构件产品的发展。用于生产预制构件的混凝土的特点为小坍落度、流变性好、凝结时间短、早期强度发展快。预制构件混凝土一般情况较少使用引气剂，同时消泡剂的用量可适当提高，这样不但可以提高混凝土的强度，也可以使构件的表面更为光洁，减少气孔、蜂窝、水纹等缺陷。图5、图6分别为某住宅产业化中心预制楼梯板先期生产过程中出现的水纹及气孔缺陷。

图5　预制楼梯板的水纹缺陷

图6　预制楼梯板的气孔缺陷

由图5可见，构件表面出现明显水纹，说明浇筑时存在混凝土泌水现象，振捣后就会在表面留下此缺陷。图6说明使用外加剂产品有可能存在含气量过高的问题。因此可考虑采取以下措施进行调整：首先降低外加剂掺量，如需要可掺入一定量的生物胶或纤维素醚，起到增稠作用，减少脱模后水纹现象发生的可能性；其次，降低引气剂用量，同时尽量不要使用三乙醇胺等在蒸养下易产生挥发的早强剂，可以避免有害气孔的出现。此外，还需要生产厂注意模具的清理以及脱模剂的选用和涂刷，并且尽量在灌注纵向尺寸较大的构件时要分3层以上进行振捣，充分排除气泡。经过以上措施的改进，构件表观质量有了非常明显的改善，见图7。

图7　改进后的构件表面质量

对于早期强度要求比较高的混凝土产品，可以从多方面入手加以解决。首先，可使用细度更小的水泥品种。水泥细度越小，比表面积就越大，相应的水化速率和水化进程就越快，早期强度发展的也越快。使用早强型水泥可大大促进混凝土早期强度的发展。其次，使用早强剂或具有早强功能的高性能减水剂以提高制品的早期强度。第三，采取蒸养等措施可大幅促进混凝土早期强度的发展［8-9］。结合PCE在活性粉末混凝土（RPC）配比试验为例，说明PCE对预制构件强度的影响。

某素RPC（无粗骨料）的配合比（kg/m3）为：m（P·O42.5水泥）∶m（硅灰）∶m（细砂）∶m（石英砂）∶m（粗砂）∶m（水）∶m（外加剂）＝706∶160∶179∶714∶357∶144∶适量。分别使用氨基磺酸盐高效减水剂（AS）和聚羧酸高性能减水剂（PCE）配制素RPC，以坍落度达到200 mm时确定其各自掺量，装模后分别测试不同龄期及蒸养条件下的抗压强度，结果如表3所示。

表3　不同养护条件下使用AS和PCE配制的素RPC各龄期的抗压强度　MPa

由表3可见，使用PCE的试块抗压强度在各龄期均大于使用AS试块抗压强度，尤其是早期抗压强度的对比。使用AS在自然养护条件下1 d试块仍不能拆模，而此时使用PCE的试块抗压强度已经达到41.5 MPa。随着龄期的发展，两组试块的抗压强度差逐渐减小，自然养护28 d强度与自然养护1 d+蒸养72 h强度趋近相同。由此可见，PCE在早期表现出更好的抗压强度发展，蒸养后抗压强度与最终抗压强度也基本吻合，更适合于构件生产的要求。

蒸养可以加速水泥的水化活性，同时矿物掺合料的活性也得以活化，如石英之类的惰性物质在常温下不可能与水泥中的Ca（OH）2起反应，但在150℃以上时，SiO2能与Ca（OH）2可起化学反应，生成强度很高的托勃莫来石，使得混凝土中较薄弱的集料界面得到很大的改善。此外，水泥中的C3S和C2S组分的水化物C-S-H也能在蒸压条件下与SiO2起反应，生成高强度的托勃莫来石，填充在水泥石孔结构中，起到提高密实度的作用［10］。

3　结语

（1）在低标号预拌混凝土中，PCE的应用受原材料质量波动的影响较明显，尤其是骨料含泥量对PCE的影响。目前混凝土搅拌站在应对高含泥量问题时的对策不多，基本上都是通过提高外加剂掺量来控制损失，甚至不惜通过初期离析产生过剩浆体的方法保塑，这不但无益于控制混凝土性能及质量的稳定，而且高昂的成本也令搅拌站望而怯步。通过复配具有抗泥作用的调节剂可以在不增加减水剂掺量的情况下一定程度的解决含泥问题，成本优势明显。

（2）PCE在SCC中应用，通过复配减水剂总母液质量1% 的PM-1及0.2%的PM-6，可以起到改善混凝土泌浆，降低浆体黏度的效果，同时确定各聚羧酸减水剂母液在m（PC3600）∶m（PC4000）∶m（PC8000）∶m（PC9096）=4∶2∶1∶3条件下达到混凝土和易性及保塑性的要求。含气量与混凝土倒置时间和V型漏斗时间存在一个最佳值，即在含气量达到4.5%时混凝土的流出性能最优。

（3）PCE应用于预制构件中，要着重注意构件表面的质量，减水剂掺量以及引气剂的用量都不宜过大，以免产生水纹和气孔缺陷。在RPC中，PCE表现出明显好于AS的抗压强度发展趋势，早期及最终抗压强度均要好于后者。

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Technology application of polycarboxylate superplasticizer in different types of concrete

WU Hao，ZHA Yanpeng，JIA Fangfang，LIU Junyuan，MA Qiang，WU Jingpeng
（Beijing Engineering Research Center of Architectural Functional Macromolecular Materials，Beijing Building Construction Research Institute，Co.Ltd.，Beijing 100039，China）

The paper introduced the application of polycarboxylate superplasticizer in common ready-mixed concrete，selfconsolidatingconcreteandprecastelement.Themud-resistandsetretarderPRcouldreducetheinfluenceofclayto polycarboxylate superplasticizer in common ready-mixed concrete.When controlled the gas content in 4.5%，there was a better concrete state and performance under using superplasticizers PC3600，PC9096，PC8000，PC4000，and state-modifiers PM-1，PM-6 in self-consolidating concrete.The surface quality could be improved with using the viscosity enhancing agent and the air entraining admixturereasonablyinprecastelement.Thepolycarboxylatesuperplasticizerhadthebetterearlystrengththanaminosuperplasticizer in test of reactive powder concrete.

polycarboxylate superplasticizer，ready-mixed concrete，self-consolidating concrete，precast element，application

TU528.042.2

A

1001-702X（2016）04-0088-05

2015-09-14；

2015-10-22

吴昊，男，1985年生，吉林通化人，硕士，工程师，主要从事混凝土及混凝土外加剂技术及研究工作。地址：北京市海淀区复兴路34号，E-mail：easy_8581@126.com。