脂肪族系和聚羧酸系高效减水剂合理掺量在高性能混凝土中的应用

王 兴 康其熙 林乙玄

（福建林业职业技术学院，福建 南平 353000）

高性能混凝土在现代工程中的快速发展促使了高效减水剂的诞生。大批大型建筑、桥梁、隧道工程的建设与开发，工程师们迫切需求高效的减水剂能够适应高性能混凝土工程。因此，例如脂肪族系、氨基磺酸系和聚羧酸系等高性能减水剂逐渐被研制开发，它们出色的性能使其在高性能混凝土工程中大显身手。其中，脂肪族高效减水剂是由丙酮通过磺化作用合成的，最早出现在我国南方地区。脂肪族高效减水剂对水泥的适用性广，对混凝土增强效果明显，坍落度损失小，低温无硫酸钠结晶现象，因此，被广泛应用于配制泵送剂、缓凝、早强、防冻、引气等各类个性化减水剂，但由于丙酮属于易燃易爆危险品，且甲醛危险性更持久，因此，脂肪族减水剂和萘系减水剂逐渐被淘汰。

目前，在世界各国应用最为广泛的是科技含量高的高效减水剂——聚羧酸系高性能减水剂，基于萘系和脂肪族的合成技术，被称为第三代高性能减水剂。其性能稳定可靠，发展前景巨大，在各种混凝土工程实践中表现出色，应用范围最为广泛。

1 聚羧酸系高效减水剂的性能特点

减水剂，在混凝土生产制作过程中能极大减少水资源的使用，是最为常用的混凝土添加剂。减水剂通过降低混凝土水含量，促进水化作用的进行，从而提高混凝土的强度与和易性，减少水资源的利用，同时也可节省水泥的用量。此外，减水剂的功能还包括减少混凝土凝固的收缩率，防止混凝土构件产生裂纹，提高抗冻性等。

聚羧酸系减水剂性能包含以下几点：

（1）减水率效果更好。根据试验测试，聚羧酸系高性能减水剂极限减水率可达45%，高于一般的萘系或密胺树脂系减水剂。

（2）同等试验条件下的坍落度损失小。预拌的混凝土坍落度会随时间增加而降低，而聚羧酸系高性能减水剂能够控制2 h坍落度损失低于15%，因此，采用这种减水剂的混凝土在泵送与运输方面的优势较大。

（3）混凝土性能更高。聚羧酸系高性能减水剂出色的减水性能使混凝土发生离析或者泌水的概率大大降低，这得益于其在高坍落度下的表现尤为出色。

此外，聚羧酸系减水剂的作用还包括降低混凝土的收缩性和碱骨料反应较低。减水剂本身绿色环保，生产成本较低，工程应用的经济效益较好等。

聚羧酸高效减水剂在生产与工程使用时更为方便、安全、高效，然而这种减水剂也存在一定的局限性，例如减水剂的掺量难以把握；减水剂掺量过大导致的混凝土凝固硬化慢等等。大量的实验表明，混凝土自身的材料性能也是高效减水剂能否发挥自身性能的重要影响因素。因此，必须充分了解混凝土不利因素的影响与制约，才能更好地掌握高效减水剂的特性。

2 脂肪族系、聚羧酸系高效减水剂工程应用现状

2.1 混凝土集料与级配对减水剂的影响

风化砂是我国北方地区应用最为广泛的一种骨料，它是岩层长期风化侵蚀的结果。由于风化砂的颗粒棱角较多，表面粗糙且坚固性差，导致在使用聚羧酸系高性能减水剂时，混凝土拌和物的流动性和黏聚性变差，同时造成聚羧酸减水剂产品中的引气剂效能降低。此时，必须加大引气剂掺量才能符合混凝土含气量的要求。此外，混凝土的级配与粗细骨料的作用也会在一定程度上影响聚羧酸系高性能减水剂的性能，使减水剂的掺量难以控制，不同级配下的差异较大。因此，必须注意混凝土骨料级配对高效减水剂发挥性能的影响。

2.2 混凝土砂率、含泥量对减水剂的影响

砂率是影响混凝土用水量的因素之一。在混凝土制备过程中，用水量随着砂率的增加而变大，而砂率又一定程度上影响混凝土的强度与耐久性，砂率增大，含水量减小，混凝土强度降低。此时如果加入一定量的聚羧酸系高性能减水剂，可改变砂率过高造成的影响，从而提高混凝土的强度与黏聚性。

2.3 聚羧酸系减水剂的引气性影响

混凝土的汽泡结构是直接影响高性能混凝土耐久性的重要因素。含气量又可决定混凝土汽泡结构。在混凝土工程中，合理的含气量可以影响混凝土的性能，提高混凝土的和易性，增强混凝土的体积稳定性；合理的孔结构可以改善混凝土的抗泌水能力，提高混凝土的早期塑性收缩能力和抗冻性、抗渗性等耐久性能。因此，在配制高性能混凝土时，需控制混凝土的含气量和孔结构；在使用减水剂时，需特别注意减水剂带来的引气性问题。

刘俊元、苏波等对JG-2H聚羧酸系高性能减水剂进行了对比试验，对于两种不同等级的混凝土：C30和C50，分别进行消泡剂引气剂添加试验，测定其28 d混凝土强度与电通量，并测定了300次冻融后的弹模损伤百分比，探究含气量对混凝土强度与耐久性的影响。

通过测定混凝土含气量，发现掺入聚羧酸系高效减水剂后，混凝土中的含气量大概为3%～8%，这是因为聚羧酸系高效减水剂的合成原材料本身具有降低表面张力的作用，这种作用在掺入混凝土后无法完全消除，使得混凝土本身具有含气量。

2.4 聚羧酸系减水剂应用的敏感性问题

敏感性问题是高效减水剂在工程使用中最常遇到的，即减水剂的掺量较难确定，一旦环境条件发生变化，就会出现混凝土泌水或是混凝土减水率不足的情况出现，所以，使用减水剂时需要提前确认减水剂的正确掺量。由JG-2H聚羧酸系高性能减水剂在不同掺量和用水量下的减水率对比试验可知，在一定程度下，减水率越高，强度越大。

3 脂肪族系和聚羧酸系高效减水剂的工程应用

3.1 桥梁隧道工程混凝土的应用

随着我国基建工程投入与重视，各种桥梁隧道（地铁）工程建设的脚步逐渐加快。桥梁隧道工程混凝土由于受周围环境的影响比较大，包括温度、湿度、周围地质条件以及水文条件，不同于一般的工程混凝土，其受力特性复杂。水下混凝土对耐久性和抗腐蚀性的要求更高。当混凝土进行水下作业时，水下（特别是海水）的盐性物质、二氧化碳等会对混凝土的耐久性造成巨大的影响，而且这种影响是漫长而持续的，难以修复。此外，对于隧道工程而言，混凝土面临的地质工程条件同样复杂，地下混凝土易遭受氯盐和硫酸盐的侵蚀，极大影响混凝土的耐久性，一旦发生长期侵蚀造成的隧道开裂、海水渗漏，会造成巨大损失。

脂肪族系和聚羧酸系高效减水剂的使用可以很大程度上避免混凝土在恶劣环境下的损害，提高隧道混凝土的力学性能，使其在复杂环境下依然能够保持较好的力学性能。隧道工程混凝土中掺入一定量的脂肪族系和聚羧酸系高效减水剂可以：

（1）提高混凝土的流变性能，使其免受有害物质的侵蚀，较大程度避免了混凝土长期使用后的开裂，提高隧道混凝土的强度。

（2）掺入一定量的聚羧酸系减水剂能够较大程度上优化混凝土的气泡结构，使混凝土内部变得更为密实。

（3）聚羧酸系减水剂能进一步降低隧道混凝土的水化热，促使砂浆的水化放热曲线更合理，进一步降低隧道混凝土中由于水化反应造成的温度应力增大效应。

（4）聚羧酸系减水剂的性能不受环境的影响，性状稳定，可用于制备高稳定性、低收缩性的隧道混凝土，进一步提高混凝土的性能。

目前，聚羧酸系高效减水剂在一些大型桥梁工程中得到了广泛应用。青岛海湾大桥于2010年底通车，全长26 000.7 m，宽35 m，是山东省“五纵四横一环”公路网主框架的重要组成部分，其对混凝土抗收缩性、抗渗性、抗冻融等耐久性指标有着极高的要求，新型（ZMX）聚羧酸系高效减水剂得以广泛应用。

此外，温福铁路白马河特大桥上C25-C45HPC中应用了KJ-JS聚羧酸系高效减水剂，拌制出的混凝土在各方面的性能表现良好，特别是混凝土强度，能够达到设计强度的132%～176%，结果如下：

从表1中我们可以看出，随着混凝土等级的提高，KJ-JS聚羧酸系高效减水剂对强度提高的程度略有降低，这可能是由于高等级混凝土本身的含水量较低，掺入一定量的高效减水剂后虽然能提高混凝土强度，但也使混凝土水化反应的效率降低，混凝土强度的提升效果并没有特别明显，只达到了设计强度的135%左右。

表1 KJ-JS聚羧酸系高效减水剂对多等级混凝土强度的影响

3.2 铁路轨道工程混凝土的应用

减水剂在铁路建设中的应用由来已久，随着铁路建设的发展，铁路混凝土用减水剂大概经历了三个阶段：

第一阶段：1949～1980年，此时高性能减水剂尚未得到重视与发展，常用有三乙渣早强减水剂、木质磺酸钙减水剂等，这些减水剂的性能一般，减水效果较差，但仍能一定程度上提高混凝土的性能，减少混凝土的用量。

第二阶段：1980～1990年，随着国民经济的不断发展，混凝土工程的建设要求越来越高，特别是铁路工程的快速发展使高性能混凝土得以广泛应用。为了进一步满足铁路工程发展需求，高性能的减水剂得以成功研发，其中以铁科院铁建所为主导研发的萘系高效减水剂为主，这种减水剂能够显著提高混凝土的强度和受力性能，性状稳定高效，因此，被广泛应用铁路工程，特别是大跨度、高桥梁的铁路工程高强混凝土中。萘系减水剂的研发与应用大大减少了铁路建设的施工与维护成本，提高了经济效益。

第三阶段：1990年至今，随着社会经济与科技的不断发展，混凝土技术水平越来越高，超高层、大跨度混凝土工程飞速发展，对减水剂的性能需求也越来越高，聚羧酸系高性能减水剂随之产生。不同于一般的萘系减水剂，聚羧酸系高性能减水剂具有高减水率、高耐久性与稳定性的特点。

4 总结

随着社会经济的快速发展，高效减水剂被广泛应用于各种大型工程混凝土中。在众多高效减水剂中，脂肪族系与聚羧酸系高性能减水剂表现出出色的性能与适用性，是目前应用最为广泛、效果最明显的高效减水剂之一。我国在高效减水剂的研究尚处于初步阶段，缺少相应的技术与研发经验，尤其是对脂肪族系和聚羧酸系减水剂的研究较为缺乏，其减水性能的探究还不全面。因此，必须进一步学习国外的先进技术与研发经验，加大步伐研发新一代的高效减水剂，减小与发达国家在这方面的差距。