聚羧酸减水剂在商品混凝土中的应用

聚羧酸减水剂在商品混凝土中的应用
摘要：聚羧酸减水剂减水效果好且使混凝土坍落度损失小，能够有效改善混凝土的工作性能。

我公司从2008年10月份开始商品混凝土生产过程中全部使用聚羧酸减水剂。

本文在我公司使用聚羧酸减水剂的实际具体情况的基础上，研究聚羧酸减水剂对高强度混凝土性能的影响，并与萘系减水剂进行对比，找出其优势与不足。

1 引言
减水剂的出现是混凝土生产的一大进步，减水剂已经广泛应用于混凝土生产中，尤其在商品混凝土中几乎全部使用减水剂。

聚羧酸减水剂作为第三代减水剂代表了现阶段的最高水平，不仅减水效果好（减水率大大高于木钙减水剂和萘系减水剂），而且坍落度损失小、能够有效改善混凝土的工作性能，十分有利于商品混凝土的生产控制。

由于以上优势，其在商品混凝土中的使用得到迅速推广。

我公司（其中三个站）在2008年10月份开始在各等级混凝土中使用聚羧酸减水剂，到目前为止生产混凝土近200万方，本文将我公司在使用聚羧酸减水剂生产商品混凝土的实际情况，与萘系减水剂进行对比，加以总结，找出其优势与不足。

2 生产及试验原材
（1）水泥：琉璃河P.O42.5水泥，28d胶砂强度51Mpa；
（2）粉煤灰：京环粉煤灰，Ⅰ级，细度8％，需水量比93％；
（3）矿粉：唐山第三水泥厂,S95级；
（4）萘系减水剂：SA-1，北京金隅混凝土有限公司；
（5）聚羧酸减水剂：HL-1，浓度24％,国产；
（6）聚羧酸防冻减水剂HL-2，聚羧酸浓度12％，防冻组分按-
10℃配制。

（7）砂子：三河砂，Ⅱ级中砂，细度模数2.4；
（8）石子：三河，5－25mm碎石
3 试验过程、结果及分析
3.1聚羧酸减水剂在高强混凝土中的应用
高强混凝土目前尚无国家、地方和企业标准和规范，1994年中国土木工程学会高强混凝土委员会编制了“高强混凝土设计与施工指南”用以指导高强混凝土的研究开发与应用。

在原材料方面，应采用容易取得且资源丰富的原材料研制高强混凝土，使其具有良好的经济性及广泛的原材基础；在生产工艺方面，采用目前广泛使用的强制搅拌工艺、混凝土罐车运送、泵送浇筑或斗吊浇筑及振动捣实工艺，使高强混凝土与现有的混凝土制备与施工工艺相适应，为实现广泛的推广奠定可靠的基础。

高强度混凝土除强度要达到比较高的指标外，也应该在其它性能方面达到良好的技术指标：（1）具有良好的工作性能：拌合物具备高流态、均质性、填充性及良好的可泵性。

（2）耐久性：具有高密实度，能抵抗冻、渗以及二氧化碳的渗入。

（3）体积变形稳定：收缩值要低，弹性模量要尽量高。

（4）后期强度高：处于相对湿度不大的情况下，混凝土后期强度仍能较快增长。

3.1.1.制备高强高性能混凝土的技术路线：
采用目前国际上制备高强混凝土最为通用的技术路线：硅酸盐水泥+活性矿物掺合料+高效减水剂。

普通混凝土在其拌合过程中实际用水量比水泥水化所需用水量多很多，这些多余的水在水泥硬化后蒸发，在水泥石内部和水泥石--集料的界面区域形成大量各种孔径的空隙，同时由于混凝土的泌水作用、自收缩及温度应力而引起微管和微缝现象，使混凝土强度和其它性能指标降低。

因此，研制高强度混凝土的关键在于减少或消除上述缺陷、改善混凝土结构，通过掺入高效减水剂，在最小用水量的情况下，同时保证必要的拌合物流动性。

改善水泥石中水化物的相组成，是配置高强度高性能混凝土的另一关键，可以在混凝土中掺入超细活性矿物掺合料，如硅灰、磨细矿渣、磨细粉煤灰等，在这些矿物掺合料中，含有大量的活性SiO2，它能与游离石灰及高碱性水化硅酸钙产生火山灰反应（二次水化），生成低碱性水化硅酸钙，增加混凝土中的胶凝物质数量。

由于硅灰等超细掺合料还能发挥填充作用，大大增加混凝土结构密实性，大幅提高混凝土的强度，达到制备高强高性能混凝土的目标。

3.1.2.高强混凝土制备前对原材料的优选
高强混凝土对原材料没有特殊要求，但需要对当前使用的原材料进行优选和严格控制，除符合GB50204-2002规范要求外，还应符合下列条件：
(1)水泥：应使用≥42.5硅酸盐和普通硅酸盐水泥，28d强度≥50MPa，碱含量≤0.60%，比表面积320-350m2/kg，C3A≤8%
(2)细骨料：II区中砂，细度模数>2.4，含泥量≤2%
(3)粗骨料:最大粒径25mm，压碎指标值≤8%，针片状≤5%，含泥量≤1%，无风化石
(4)粉煤灰：I级粉煤灰
(5)磨细矿粉：S95级矿渣粉，比表面积 400m2/kg
(6)硅灰：氧化硅含量 90%，比表面积25000 m2/kg
(7)外加剂：聚羧酸高效减水剂，减水率≥25%
3.1.3.高强混凝土配合比设计
高强混凝土配合比设计按“高强混凝土设计与施工指南”和自己研究试验中取得的经验数据选定各项参数范围如下：
①试配强度平均值≥1.12倍
②水胶比：0.24-0.38
③水泥用量：300-380kg/m3，总胶材用量：550－600kg/m3
④粉煤灰掺量：10-15％
⑤矿粉掺量：20-25％
⑥硅灰掺量：5-10%
⑦砂率：32-40％
⑧外加剂掺量：0.5-1.8％
⑨总碱含量：≤ 3kg/m3
⑩氯离子含量：不得超过水泥重量的0.2％
C80高强混凝土尺寸效应为0.93
3.1.
4.C80高强混凝土的配置及其性能研究
经过很多次试拌调整后确定施工配合比，C80高强混凝土配合比、拌合物性能及其强度。

如表1所示：
表1 C80高强混凝土配合比参数及试验数据
水泥水砂
石
子
粉
煤
灰
矿
粉
硅
灰
外加剂
聚羧酸
水
灰
比
砂率
/％
坍
落
度mm
抗压强度（MPa）
3d 7d 28d 56d
300 140 677 1058 60 162 48 8.5
（1.5%）
0.25 39 220 45.5 75.4 84.8 93.3
330 140 694 1041 60 132 48 8.5
（1.5%）
0.25 40 230 46.8 77.0 85.8 94.0
(1)混凝土拌合物性能
表观密度：2430～2490（Kg/m3）
坍落度值：220～240mm
坍落度经时损失：120min损失值10～20mm
含气量：2.0%
压力泌水率：21%
(2)高强混凝土时间强度的尺寸效应
通过对C80混凝土28天边长分别为150mm和100mm立方体强度的对比试验。

如表2所示：
表2 C80混凝土28天尺寸效应试验数据
序号组数（n）强度平均值
（mfcu，
150）
组数（n）
强度平均值
（mfcu，
100）
mfcu,150/
mfcu,100
1 10 96.5 10 103.4 0.9332
2 10 95.8 10 102.8 0.9317
3 10 96.9 10 103.9 0.9325
总平均值30 96.4 30 103.4 0.9323 注：mfcu,150、mfcu,100分别为150mm和100mm立方体抗
压强度平均值。

(3)高强度混凝土的耐久性
碳化试验：按照国家标准《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法》GBJ82-85要求进行，共做2组试验，碳化深度为零，表明上述混凝土抗碳化性能良好。

抗渗性能：抗渗试验采用标准尺寸试件，标养28天后进行试验，试验水压从0.1MPa开始，每个8h加压0.1MPa，逐级加压至3.6MPa 时无渗透现象，劈检平均渗透高度为3mm，抗渗等级大于P35。

抗冻性能：抗冻试验采用慢冻法，将边长为100mm的立方体，标养28天后进行冻融试验。

试验前4天把冻融试件从标养室取出，放入15～20℃水中浸泡。

冻结温度为-15～-20℃，经过4小时后取出放入温水融化4小时为一个循环。

试验结果(表3)显示,高强度混凝土具有良好的抗冻性能。

表3 C80混凝土抗冻试验数据
试验项目200次(C80)
fco=84.5 fcn=83.7
强度损失率（%）0.8
重量损失率（%）无
外观完整
注: Fco、fcn-分别为同龄期对比试块抗压强度值和经过n次冻融循环的平均抗压强度值。

收缩性能：收缩试验采用100×100×515mm标准试件，按GBJ82-85国家标准规定的条件养护及检测。

试验结果(表4)显示，高强高性能混凝土的干燥收缩较小,满足相关要求。

表4 C80混凝土收缩试验数据
事件编号水胶比
收缩值（mm/m）
1d 3d 7d 14d 28d 45d 60d 90d
01 0.25 0.021 0.065 0.138 0.198 0.256 0.288 0.313 0.332
02 0.25 0.020 0.053 0.142 0.211 0.275 0.290 0.313 0.332
平均值0.25 0.020 0.059 0.140 0.204 0.266 0.289 0.313 0.332
3.1.5.高强混凝土生产过程质量控制
施工前，按要求对上述原材料进行审核，全部符合要求后方能开盘生产。

(1)准确测量砂含水率，从应用施工配合比总用水量中扣除砂子带入的水分。

(2)检查生产各计量称，确认计量精度符合误差要求范围。

(3)搅拌时间较普通混凝土增加一倍，60s/盘为宜。

(4)出机混凝土坍落度200-230mm，1小时坍落度损失＜20mm。

(5)拌合物出机温度夏季≤30℃，冬季≥10℃
(6)出机至入模时间不得超过1.5小时。

(7)工作性能不合格的混凝土运回搅拌站内，调整后降低标号用于其它部位。

(8)技术人员在现场负责质量监控，一旦有问题做到及时现场处理解决。

(9)搅拌站和施工单位现场见证取样各成型3组试块进行不同龄期强度试验。

3.1.6.对施工现场的要求
(1)混凝土施工前，应由施工单位组织设计、施工、监理和生产单位进行技术交底，制订生产与施工方案。

(2)混凝土胶凝材料用量大、混凝土较粘，振捣时间较普通混凝土增加一倍。

(3)混凝土做到及时抹面，注意经常观察初凝前一旦有细小裂缝迅速进行二次抹压。

(4)高强混凝土水灰比低，掺硅灰将促进水分快速消耗，易出现明显自干燥和自生收缩现象，因此抹面后应进行覆盖施水（喷雾或浇水）养护，可以以外部补充水分能有限的降低自干燥收缩减少早期裂缝。

(5)高强混凝土水化热高，为了控制温差裂缝，不能拆模太早，应该在浇注后24h松开模板，带模养护至混凝土表面温度接近环境温度时再拆除模板。

(6)浇注、振捣、抹面和养护应连续进行，不能脱节与耽搁。

需要有良好的施工组织管理，由熟练的班长亲自操作检查。

(7)高强混凝土做抗压强度试验时，试块从养护室取出后应停放24h后试块水分蒸发后再压，否则强度偏低，试块强度超过80MPa应
使用＞200吨的压力机进行试压，否则，测定数据偏差太大，也容易损坏压力机。

这一点应该注意。

3.1.7.解决问题
(1)通过现有原材料配制出C80高强混凝土，特别是突破C80的强度瓶颈；
(2)解决高强混凝土泵送施工难度大的问题。

由于高强度混凝土低水胶比的特点，使得混凝土拌合物粘度过大，给混凝土泵送施工带来很大难度。

通过掺入超细硅粉及使用聚羧酸高性能减水剂来降低混凝土粘度。

超细硅粉由于比表面积大，微观成球状颗粒，可在混凝土拌合物中起润滑作用，增加混凝土流动性。

通过外加剂中引气成分的加入，可向混凝土中引入均匀封闭气泡，有效降低了混凝土拌合物粘度，增加混凝土泵送性能。

3.1.8.取得成果
上述C80试验已在我公司负责生产供应的三里屯搜候中心工程地下结构C70墙柱部位实际应用，从实际效果来看，混凝土拌合物性能、现场施工泵送、力学及耐久性能均满足设计要求。

3.1.9.对比萘系减水剂与聚羧酸高效减水剂配制C80混凝土
试验选取配制C80混凝土基本配合比（表5），通过调整萘系减水剂与聚羧酸高效减水剂用量满足混凝土性能要求，试验结果如表6所示
表5 C80混凝土基本配合比
原材料种类水泥粉煤灰矿粉砂石水
每方用量（㎏）378 72 150 705 1050 150
表6 C80混凝土萘系减水剂与聚羧酸高效减水剂对比试验数据
种类用量
（㎏）
坍落度
（mm）
扩展度
（mm）
28d强度
（Mp）
60d强度
（Mp）
备注
SA-1 31 40 ——74.3 81.5 在合适掺量内，无法到达要求HL-1 11 235 600 82.6 94.2 拌合物粘度极大
上述试验结果可以看出，在C80高强混凝土的生产中SA-1萘系减水剂由于减水率较小不能满足混凝土性能要求；聚羧酸高效减水剂的减水率可以满足拌制C80高强混凝土的要求，能够满足混凝土的工作性能，混凝土60d强度到达设计强度的118％。

可见在生产高强混
凝土时宜使用聚羧酸减水剂。

3.2 气温对于混凝土拌合物终凝时间的敏感性
目前各工程一般对施工工期要求很高，因此对混凝土的凝结时间要求比较苛刻。

从我公司最近一段时间使用聚羧酸减水剂生产混凝土的实际情况来看，其混凝土凝结时间并不稳定，聚羧酸减水剂对温度较为敏感。

因此设计以下试验测定SA-1萘系减水剂和H-1聚羧酸减水剂对于温度的敏感性，选取测定C50混凝土（表7）在不同温度下的凝结时间。

表7 C50混凝土配合比
种类水泥
（㎏/m3）
粉煤灰
（㎏/m3）
矿粉
（㎏/m3）
砂
（㎏/m3）
石
（㎏/m3）
水
（㎏/m3）
外加剂
（㎏/m3）
SA-1 300 61 106 696 1082 160 21
HL-1 300 61 106 696 1082 160 6.8
通过选取试验环境Ⅰ：24小时环境平均气温25℃和试验环境Ⅱ：24小时环境平均气温15℃（试验温度采取每1h测温度一次取均值方式获得），对比试验结果如表8所示。

表8 SA-1与H-1凝结时间对比结果
种类Ⅰ终凝时间（小时）Ⅱ终凝时间（小时）
SA-1 811.5
HL-1 10.5 18.5
上述试验结果可以看出,在相同的温度下，聚羧酸外加剂的凝结时间较长；在温度变化的情况下，两种外加剂拌制的混凝土都会随着温度的降低凝结时间延长，掺加聚羧酸减水剂的混凝土凝结时间随着温度变化的幅度要大，可见聚羧酸减水剂对温度的敏感性较萘系减水剂要大。

3.3聚羧酸减水剂在普通混凝土的应用
在日常生产中,我们发现不同等级的混凝土SA-1和HL-1两种减水剂的效果不尽相同。

本次试验我们选取C30、C40、C50、C60四个不同等级的混凝土进行对比试验，固定外加剂以外的其它原材料用量（表9），通过调整外加剂用量满足混凝土性能要求。

试验结果如表10所示。

表9 C30-C60混凝土基本配合比
等级水泥
（㎏）
粉煤灰
（㎏）
矿粉
（㎏）
砂
（㎏）
石
（㎏）
水
（㎏）
C30 220 80 92 780 1058 180
C40 250 75 90 762 1051 170
C50 300 61 106 696 1082 165
C60 345 58 110 640 1094 165
表10 萘系减水剂与聚羧酸高效减水剂混凝土性能对比试验数据强度等级C30 C40 C50 C60
减水剂种类SA-1 H L-1 S A-1 H L-1 S A-1 H L-1 S A-1 H L-1
减水剂用量（㎏）13 4.1 16 4.8 21 6.8 23 8
坍落度（mm）220 200 220 220 200 230 190 220
状态描述良好较差良好良好较差良好差良好通过以上试验结果可以看出，在C50、C60等高标号混凝土的拌和过程中，聚羧酸减水剂由于减水率高、效果良好，相对于萘系减水剂具有绝对优势；在C40这一标号混凝土的试验过程中，聚羧酸减水剂和萘系减水剂都能够很好的达到良好效果；在C30的试拌过程中，萘系减水剂可以达到良好工作状态，而聚羧酸减水剂在较为合适的掺量下可以达到相应的坍落度(掺量过多泌水严重)，但是流动性并不是很好。

3.4有关聚羧酸减水剂复配防冻组分试验
我公司所购进的HL-1聚羧酸减水剂属于高效减水剂，不具备抗冻性能，不能用于冬季施工，将HL-1与防冻组分进行复配，复配之前将HL-1（浓度24％）浓度稀释为12％，复配后命名为HL-2。

试验以HL-2配制C50、C60冬施混凝土，检验其减水效果和抗冻性能，其配合比除HL-2以外，如表11所示。

表11 C50和C60配合比数据
种类水泥(㎏) 粉煤灰(㎏) 矿粉(㎏) 砂(㎏) 石(㎏) 水(㎏)
C50 300 61 106 696 1082 165
C60 345 58 110 640 1094 165 在试配过程中，调整HL-2用量，使混凝土到达生产对工作性能的要求，然后按照《混凝土防冻剂》（JC475）标准中关于-10℃用防冻剂相关规定进行抗冻性试验，试验结果如表12所示.
表12 HL-2抗冻性试验数据
等级H L-2(㎏) 坍落度(mm) 流动性-7d强度比(％) -7+28d强度比(％)
C50 13.6 220 良好15 123
C60 16 230 良好17 118
从以上试验结果我们可以看出，HL-2的减水效果与HL-1减水效果相当（HL-1聚羧酸浓度为24％而HL-2聚羧酸浓度为12％），即防冻组分的加入对聚羧酸的减水率几乎没有影响；HL-2拌制的两组混凝土的-7d强度比大于13％，-7+28d强度比大于100％均满足防冻剂相关标准。

从以上分析来看，聚羧酸外加剂与防冻组分复配后可以满足混凝土冬季施工的要求。

3.5用水量较小增量下对混凝土最终强度的影响
在混凝土实际生产过程中发现，使用HL-1的混凝土在用水量较小变动的情况下，实际最终强度变化不大，下面以C40混凝土配合比（表13）为例进行试验，试验结果见表14。

表13 C40混凝土系列配合比
编号水泥
（㎏）
粉煤灰
（㎏）
矿粉
（㎏）
砂
（㎏）
石
（㎏）
HL-1
（㎏）
水
（㎏）
W-1 250 75 90 762 1051 4.8 165
W-2 250 75 90 762 1051 4.8 170
W-3 250 75 90 762 1051 4.8 175
表14 C40混凝土试验数据
编号坍落度（mm）流动性28d强度（Mpa）
W－1 210 良好，较粘51.3
W－2 220 良好49.5
W－3 240 轻微泌浆48.9
以上试验结果可以看出，在用水量递增5㎏、10㎏的情况下，混凝土28d强度降低的量很小（分别为0.8Mpa和1.4Mpa）。

4 聚羧酸减水剂应用的一些其它问题
在使用聚羧酸减水剂生产混凝土的过程中，还应注意以下两个问题：
(1)HL-1在掺入SA-1以后减水效果锐减，因此在同时使用两种外加剂的生产时，要求在使用SA-1后，在使用HL-1前应该将搅拌设备和运输设备冲洗干净，不能将两种外加剂搅拌的混凝土用同一混凝土罐车运送。

(2)HL-1对混凝土中的泥土十分敏感，随着砂含泥量的增加，HL-1的掺量也随之增加，因此在实际生产过程中应加强对砂含泥量的控制，减少外加剂的浪费，避免因聚羧酸减水剂超量发生质量问题。

此外，机制砂中的石粉含量对聚羧酸减水剂的使用效果影响不是很大。

5 总结
(1)聚羧酸减水剂的减水率高，坍落度损失小适合生产高标号的混凝土，尤其是超高强混凝土。

(2)使用聚羧酸减水剂的混凝土终凝时间对温度敏感性很高，在实际生产中应结合实际情况加以注意。

(3)聚羧酸减水剂可以通过与防冻组分复配而用于冬季商品混凝土生产，但使用之前应进行严格的试验以保证其使用的性能。

(4)聚羧酸减水剂的一些特殊性质使其在生产中易出现事故，应该加强对员工的培训，加强生产控制，保证生产的顺利运行。

作者：张全贵王英伟万维福张亮黄艳平
信息来源：混凝土科技网。