高性能混凝土中聚羧酸减水剂研究与应用
王彦鹏
（甘肃建投绿色建材产业发展集团有限公司，甘肃 兰州 730070）
近年来，聚羧酸高效外加剂的研究和应用促进了混凝土生产和施工工艺及新型混凝土品种的发展。随着混凝土向高工作性、高强度、高耐久性方向不断进步，对预拌混凝土企业及施工单位提出了更高的技术要求。为了满足混凝土的预拌及施工等各项性能指标，大多数混凝土掺加了矿物混合材料，因此需要减水剂对胶凝材料有良好的适应性。聚羧酸系高效减水剂的优良综合性能、与胶凝材料的良好适应性使其成为一个不错的选择[1-5]，对混凝土坍落度控制、后期强度增长及混凝土耐久性能提升都有帮助。
1.1 原材料的选用
1）水泥：试验所用水泥为祁连山普通硅酸盐42.5级水泥，相关性能指标如表1所示。
表1 P.O42.5普通硅酸盐水泥的各项性能指标
2）粉煤灰：采用性能良好的Ⅱ级粉煤灰，产自西固电厂。
3）细骨料：选用临洮洗砂，属中砂，细度模数为2.7，含泥量为2.5%。
4）粗骨料：使用粒径5-31.5mm的碎石，产自矿业公司。
5）外加剂：采用北京成城聚羧酸高效减水剂（CC-AI）、萘系高效减水剂（CC-3）。
6）水：使用符合JGJ 63-2006《混凝土拌合用水标准》要求的自来水。
1.2 设计配合比
设计过程中需重视外加剂的选择和使用，特别是聚羧酸高效减水剂[6]。设计配合比如表2所示。
表2 混凝土配合比
对不同外加剂（萘系高效减水剂和聚羧酸高效减水剂）和不同掺量、不同混凝土强度等级、不同细骨料含泥量进行了大量试验，通过力学性能指标检测和试配过程中混凝土状态、坍落度、扩展度测定，得出最优外加剂及最优掺量。
3.1 不同减水剂拌和各强度等级混凝土力学性能对比
由图1和图2可以看出，CC-AI聚羧酸高效减水剂拌和混凝土抗压强度优于CC-3萘系高效减水剂，且后期强度增幅较大，CC-AI聚羧酸高效减水剂掺量0.5%，CC-3萘系高效减水剂掺量0.6%。根据试配过程中混凝土状态及现场坍落度检测得出，聚羧酸系高效减水剂配制混凝土的整体流动性及经时损失优于传统萘系高效减水剂配制混凝土，1h检测时坍损基本为零，2h后经时损失在15%以内，解决了传统减水剂易泌水、坍损大等缺点，对解决实际生产及施工过程中离析、堵管等现象有较大帮助。
图1 不同类型减水剂C30混凝土抗压强度
图2 C30混凝土坍落度及经时损失
由图3与图4可以看出，在相同掺量下，CC-AI聚羧酸高效减水剂混凝土抗压强度优于CC-3萘系高效减水剂，且后期强度增幅较大，CC-AI聚羧酸高效减水剂掺量为0.65%，CC-3萘系高效减水剂掺量为0.8%。根据试配过程中混凝土状态及坍落度检测得出，掺加CC-AI高效聚羧酸外加剂的混凝土流动性大，和易性、保水性、粘聚性良好，坍落度经时损失小，减水率高于CC-3萘系高效减水剂，水泥需水量明显减少，提高了混凝土耐久性能。
图3 不同类型减水剂C40混凝土抗压强度
图4 C40混凝土坍落度及经时损失
由图5与图6可以看出，在相同掺量下，CC-AI聚羧酸高效减水剂混凝土抗压强度整体优于CC-3萘系高效减水剂，且后期强度增幅较大，CC-3 萘系高效减水剂掺量为1.0%，聚羧酸系高效减水剂掺量为0.90%。根据试配过程中混凝土状态及坍落度检测得出，因聚羧酸系高效减水剂含固量等指标优良，更适用于高强、高性能混凝土。
图5 不同类型减水剂C50混凝土抗压强度
图6 C50混凝土坍落度及经时损失
3.2 不同含泥量的细骨料拌合各强度等级混凝土力学性能对比
由图7可以看出，对CC-AI聚羧酸高效减水剂各含泥量下C30混凝土抗压强度而言，2%含泥量细骨料试配下混凝土抗压强度值明显高于其他含泥量细骨料拌和混凝土抗压强度，可见细骨料含泥量越低，混凝土性能越优良，随着龄期增长，混凝土后期强度涨幅明显，满足混凝土强度设计规范。
图7 CC-AI高效减水剂各含泥量下C30混凝土抗压强度
由图8可以看出，C40混凝土抗压强度在选用CC-AI聚羧酸高效减水剂后，所用细骨料含泥量在2%下混凝土抗压强度值明显高于其他含泥量的混凝土抗压强度，根据实际试配情况，当细骨料含泥量超过4.5%时，聚羧酸类减水剂的减水效果明显降低，且随着减水剂掺量提升，减水效果并无显著变化。
图8 CC-AI高效减水剂各含泥量下C40混凝土抗压强度
由图9可以看出，C50混凝土抗压强度在选用CC-AI聚羧酸高效减水剂后，所用细骨料含泥量在2%下混凝土抗压强度值明显高于其他含泥量的混凝土抗压强度，且细骨料含泥量过大时，混凝土会出现泌水现象。
图9 CC-AI高效减水剂各含泥量下C50混凝土抗压强度
按照试验和施工经验，总结聚羧酸系高效减水剂使用时的注意事项。
4.1 集料选择
集料选择需严格遵循规范要求，混凝土强度、工作性能等指标与集料选择密切相关。
1）细集料：根据试验数据可见，细集料含泥量对减水剂工作性能的影响较明显，需严格控制细集料含泥量，且由于山砂、机制砂需水量相比河砂较高，应尽可能选择河砂。
2）粗集料：混凝土需水量与粗集料的颗粒级配及最大粒径有直接联系，且粗集料粒径大小会影响细集料用量，因此需严格把控。
4.2 外加剂选择
预拌混凝土所用的减水剂主要有高效减水剂、高效缓凝减水剂、泵送剂、高效泵送剂等[7]。每种减水剂会根据厂家、用途进行掺量调整，调整的原则是：
1）根据混凝土所用工程要求进行选择。
2）根据混凝土原材料及配合比使用情况确定。
3）根据气温变化、泵送要求、坍落度及经时损失等进行调整。
4）根据其他特殊要求（如抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性等）确定外加剂配方。要注意的是，普通减水剂复配是使用叠加效果（如早强、缓凝、防冻、抗渗等），附加成分大都可以互溶，但聚羧酸减水剂与其他附加材料的互溶性较差，使得其混凝土拌合物坍落度损失比普通减水剂配置混凝土要快，泵送效果不好，操作性差，因此使用时需通过试验来确定。
4.3 混凝土施工注意事项
1）聚羧酸减水剂拌和混凝土流动性较好，现场易于振捣。现场施工应避免过振，对较大骨料混凝土、大功率强制振动器，应注意应用性试验。
2）聚羧酸减水剂拌和混凝土用水量减少，且使用一定量矿物掺合料，在大体积施工、高温或冬季施工等特殊环境下，浇筑后需注意早期养护及冬季养护。
总之，聚羧酸高效减水剂产品的使用需结合混凝土材料进行适应性选择、试验，聚羧酸高效外加剂的研究和应用使得混凝土在满足较高强度的同时也实现了高性能，其与胶凝材料较好的适应性及绿色环保无污染的优势有利于混凝土行业向高性能化和绿色化发展。
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2）聚羧酸减水剂对细骨料的含泥量要求较为严苛，应重点关注细骨料含泥量。当细骨料含泥量超过4.5%时，聚羧酸类减水剂减水效果明显降低，且无法通过提升减水剂掺量来解决问题，聚羧酸高效减水剂在增加掺量时，甚至出现混凝土坍落度和扩展度未达设计要求。
3）聚羧酸高效减水剂由于与胶凝材料有良好的适应性，且试验过程中掺合了一定量的粉煤灰，可改善混凝土的工作性，降低水化放热速度，避免温度应力裂缝产生，提高断裂韧性及耐久性。高效减水剂配制混凝土较好的流动性能满足可泵送性，保证了在实际工程中的应用。
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