聚羧酸减水剂的减水率检测标准适应性探讨

王险峰,李天胜,赵年全,裴继凯,张宝川,黄直久,王自为,任建国*

(1.山西大学 混凝土外加剂技术研究中心，山西 太原 030006；2.山西大学 化学化工学院，山西 太原 030006；3.山西山大合盛新材料股份有限公司，山西 太原 030006；4.中铁十二局集团有限公司，山西 太原 030024)

1 聚羧酸减水剂的发展及工程应用

混凝土减水剂已经成为现代混凝土中必不可少的重要组分,减水剂的质量也成为影响混凝土质量的关键因素之一,而减水率是混凝土减水剂最关键的技术参数,也是评价减水剂产品性能和质量的关键指标。

混凝土技术的发展催生了混凝土外加剂技术,外加剂技术的发展又反过来促进了混凝土技术的进步和生产效率的提高。2005年以后我国高铁建设逐渐进入高潮,高铁建设对高性能减水剂——聚羧酸减水剂的推广应用起了至关重要的作用。由于铁路项目大部分为野外暴露工程,对混凝土耐久性要求很高,而使用聚羧酸减水剂是保障混凝土耐久性的有效技术手段。在这种情况下,铁路建设率先推广使用了聚羧酸减水剂,催生了我国聚羧酸减水剂整个行业[1]。

我国的聚羧酸减水剂产品技术在2002年以前均停留在实验室小试阶段,重大工程主要依靠进口产品。之后由于中国高铁建设的推进发展,先后出现了MPEG(甲氧基聚乙二醇)酯类聚羧酸减水剂(减水率为25%～35%),APEG(烯丙基聚乙二醇)醚类聚羧酸减水剂(减水率为20%～30%),IPEG(异戊二烯基聚乙二醇)和HPEG(异丁烯基聚乙二醇)聚醚类聚羧酸减水剂(减水率高达35%～45%),聚羧酸减水剂的减水率大幅提高,其性能也十分优异[2]。虽然国内聚羧酸减水剂技术得到了很大的发展与提高,但是在这些年聚羧酸减水剂使用过程中也暴露出许多问题,如何全面反映减水剂在当今混凝土中的性能,准确反映减水剂在混凝土中的表现,为混凝土减水剂技术发展指出正确的方向,是检测工作亟待解决的重大问题。2000年王宇等做了萘系减水剂与聚羧酸减水剂减水率测试的对比,强调减水率测定时混凝土必须要具备好的和易性,在(80±10) mm坍落度下通过外掺粉煤灰改善混凝土和易性，得出了比较合适的聚羧酸减水剂减水率[3]。2006年芮君渭做了萘系减水剂在不同水泥用量下的减水率测定,发现不同水泥用量对萘系减水剂的减水率影响很大[4]。目前用量最大的商品混凝土均为大流动性(坍落度(210±10) mm)、高性能混凝土(大量使用矿物掺合料),胶凝材料使用量一般都大于400 kg/m3,而现行的检测标准与实际应用情况存在明显差距,无法准确反映聚羧酸减水剂的减水率真实情况,因此,制定合适的检测标准就变得十分迫切。

2 国家及行业标准中关于减水率检测标准的讨论及试验验证

2.1 国家标准中减水率的检测方法

我国现行国家标准GB 8076—2008《混凝土外加剂》的6.2配合比一节中,规定了减水率的检测方法为:基准混凝土配合比按JGJ 55进行设计;掺非引气型外加剂的受检混凝土和其对应的基准混凝土的水泥、砂、石的比例相同;配合比设计应符合以下规定[5-6]:

(1)水泥用量:掺高性能减水剂或泵送剂的基准混凝土和受检混凝土的单位水泥用量为360 kg/m3;掺其他外加剂的基准混凝土和受检混凝土单位水泥用量为330 kg/m3。

(2)砂率:掺高性能减水剂或泵送剂的基准混凝土和受检混凝土的砂率均为43%～47%;掺其他外加剂的基准混凝土和受检混凝土的砂率为36%～40%;但掺引气减水剂或引气剂的受检混凝土的砂率应比基准混凝土的砂率低1%～3%。

(3)外加剂掺量:按生产厂家指定掺量。

(4)用水量:掺高性能减水剂或泵送剂的基准混凝土和受检混凝土的坍落度控制在(210±10) mm,用水量为坍落度在(210±10) mm时的最小用水量;掺其他外加剂的基准混凝土和受检混凝土的坍落度控制在(80±10) mm。

在国标中还是考虑到了使用大流动性混凝土来检测聚羧酸高性能减水剂的减水率的,在2012年实施的JG/T 377—2012《混凝土防冻泵送剂》中,减水率检测也采用了GB 8076—2008《混凝土外加剂》中的试验方法[7]。但行业中对这种测试减水率的方法是有不同观点的,比如:这种试验方法使用水泥用量为360 kg/m3,而现在混凝土发展方向是高性能混凝土,一般情况下其胶凝材料用量超过400 kg/m3，甚至超过500 kg/m3。在这种情况下,应该采用胶凝材料用量大的混凝土配合比来检测减水剂的性能,而采用现行标准的胶凝材料用量无法体现减水剂在胶凝材料用量大的混凝土配合比中的性能优劣。考虑到全国经济技术发展的不平衡问题,以后修订标准再做考虑也不失为一种办法。

2.2 铁路标准中聚羧酸减水剂减水率的检测标准

聚羧酸减水剂最早是在高铁建设中大量使用的,所以非常有必要详细说明铁路标准中的减水率测定要求[8],在TB 10424—2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》中,聚羧酸系高性能减水剂的性能要求如表1所示。

从表1中可以看出,铁路混凝土中对高性能减水剂——聚羧酸减水剂的减水率检测规定了最好使用(80±10) mm的坍落度,这显然是与GB8076-2008 《混凝土外加剂》中不一致的地方。以下我们进行试验，探讨哪种指标更适于聚羧酸系高性能减水剂的检测与应用。

表1 聚羧酸系高性能减水剂的性能

3 试验与讨论

针对以上标准,设计了几组试验,结合试验数据提出以下几点讨论及建议。

(1)在TB 10424中“抽检试验用水泥宜为工程用水泥”这个提法非常合理,因为水泥和混凝土外加剂存在适应性问题,而且这个问题越来越突出,所以使用工程水泥既可以对实际应用有指导意义,又可以同时考察外加剂和水泥适应性问题。

(2)在TB 10424中的表6.2.5-2中规定,减水率的检测方法是按GB 8076规定来检验,那么按GB 8076中规定:“掺高性能减水剂或泵送剂的基准混凝土和受检混凝土的坍落度控制在(210±10) mm,用水量为坍落度在(210±10) mm时的最小用水量”,而这时就不应该是“混凝土坍落度宜为(80±10) mm”了。

受人口持续增加、经济高速发展的影响，流域排污量大，水体污染严重。全流域开展监测的48条河道（段）824km河长中，165km水质基本好于V类，其余河道（段）基本为劣V类，流域水质状况远远不能满足水体功能要求。

(3)关于减水剂减水率的检测方法,基准混凝土和受检混凝土的坍落度选择越大越有利于高性能减水剂发挥其减水效果,其试验结果如表2和图1所示。

表2 不同稠度的混凝土的减水效果

Fig.1 Change of water consumption图1 用水量变化比较

由表2和图1可以看出,高性能减水剂的作用在大流动性混凝土中表现尤为明显,在塑性混凝土中较差,在干硬性混凝土中减水效果最差;掺外加剂的混凝土中即使增加少量的用水量就可以大幅提高混凝土坍落度,而不掺外加剂的混凝土没有这种现象。

(4)现在在全国范围内泵送混凝土也是普遍使用的,目前泵送混凝土已经普遍使用坍落度为(180±30) mm(混凝土现场施工实际情况一般比较偏向大坍落度,基本都在200 mm以上)[10]。混凝土生产主要是大流动性混凝土,因此选择“基准混凝土和受检混凝土的坍落度控制在(210±10) mm”这一标准明显更为贴近工程实际。考察减水剂的减水效果,应该更重视减水剂在大流动性混凝土中的表现。

(5)按“基准混凝土和受检混凝土的坍落度控制在(80±10) mm”来试验,得出的减水率较低,而这样的减水剂使用在大流动性混凝土中通常表现出极高的减水率,会造成混凝土离析、泌水,对用水量十分敏感,不易控制(用水量稍有波动就会出现流动度过小或者离析)等问题。这种情况下即使通过减少混凝土用水量也难以调整,用水量减少到一定程度会出现坍落度很大但混凝土流动速率很慢,混凝土发黏、“抓底”的现象,造成泵送和浇筑困难,并且混凝土成型后出现“蜂窝、麻面”等质量问题。

(6)在铁路混凝土中由于这样的减水剂不适合工地现场使用,就出现了送检样和实际使用产品不符的情况,这样反而是实际使用的外加剂处在不受控状态。

(7)在试验操作中掺有高性能减水剂的混凝土在小坍落度范围不易控制,坍落度控制在(80±10) mm是非常困难的,一般需要多次的试验尝试,给试验的可操作性带来困难,也使试验数据的再现性降低。

(8)铁路混凝土用聚羧酸减水剂要通过TB 10424的检验,就要使用高浓度的聚羧酸减水剂,由于减水剂为高分子表面活性剂,引气一般较多,这时含气量就很容易超标(含气量>3%),需要使用大剂量的消泡剂进行消泡处理。符合铁路混凝土标准的减水剂在实际工程中应用效果较差,与工程中使用的大流动性泵送混凝土的适应性问题突出。

表3 聚羧酸减水剂在不同水泥用量下的减水率

由表3可以看出,聚羧酸减水剂在不同水泥用量下测定的减水率是有很大区别的,同一聚羧酸减水剂在不同水泥用量的配合比下测试其减水率,其减水效果差异很大,减水率最大差值为12%。

4 结论

减水率的检测方法应该准确反映减水剂的使用性能和效果,应该针对目前使用广泛的混凝土进行,应科学的将检测工作与工程实践相结合,以有效的指导工程实践。聚羧酸高性能减水剂是随着高性能混凝土发展起来的,高性能混凝土其中最基本的一项性能就是高流动性,应该使高性能减水剂的检测工作也统一到高流动性上面来。

(1)对高性能减水剂检测来说,掺高性能减水剂或泵送剂的基准混凝土和受检混凝土的坍落度控制在(210±10) mm,用水量为坍落度在(210±10) mm时的最小用水量,才能最大限度发挥高性能减水剂的优势和特点;

(2)减水率的大小与减水剂种类、水泥用量和混凝土坍落度有密切关系;

(3)聚羧酸减水剂减水率检测标准的制定,应该结合实际使用情况,采用更加规范、合理的检测方法,为聚羧酸减水剂的推广应用提供支持。

[1] 中国铁道部科学技术司.客运专线高性能混凝土暂行技术条件(科技基[2005] 101号)[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2] Plank J,Sakai E,Miao C W,etal.Chemical Admixtures—Chemistry,Applications and Their Impact on Concrete Microstructure and Durability[J].Cement&ConcreteResearch,2015,78:81-99.

[3] 王宇,伏文勇.丙烯酸基高效减水剂减水率的检验[J].混凝土与水泥制品,2000(3):19-20.

[4] 芮君渭.不同水泥用量对减水剂在混凝土中减水率的影响[J].江苏建材,2006(3):17-19.

[5] GB 8076—2008《混凝土外加剂》[S].北京:中国标准出版社,2009.

[6] JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[7] JG/T 377—2012《混凝土防冻泵送剂》[S].北京:中国标准出版社,2012.

[8] TB 10424—2010 《铁路混凝土工程施工质量验收标准》[S].北京:中国铁道出版社,2011.

[9] TB/T 3275—2011 《铁路混凝土》[S].北京:中国铁道出版社,2012.

[10] JGJ/T 10—2011 《混凝土泵送施工技术规程》[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.