基于普通混凝土高性能化的聚羧酸高效減水劑研究

基于普通混凝土高性能化的聚羧酸高效減水劑研究在普通水泥中摻入SPS—8P型聚羧酸高效減水劑及64％的礦粉和粉煤灰，配制出C30—C40的高流動(dòng)性、強(qiáng)度穩(wěn)定發(fā)展的高性能混凝土，而成本同比下降4．4～10．5元／m3，并探討聚羧酸高效減水劑在C30～C40普通混凝土中應(yīng)用的可行性。0引言聚羧酸高效減水劑的開(kāi)發(fā)，使高性能混凝土技術(shù)在工程實(shí)踐中得以廣泛應(yīng)用。北京電視中心、上海環(huán)球金融中心和蘇通大橋等工程先后將聚羧酸高效減水劑用于自密實(shí)免震搗混凝土、大體積混凝土和預(yù)制混凝土工藝[1]。此外，在東海大橋中，聚羧酸高效減水劑也取得了在海工耐腐蝕混凝土中應(yīng)用的成功范例[2]。作為第3代高效減水劑的杰出代表，聚羧酸高效減水劑在混凝土應(yīng)用中所具有的高減水率、高保坍性和體積穩(wěn)定性是前2代木質(zhì)素磺酸鹽普通減水劑和萘系高效減水劑無(wú)法比擬的。由于其應(yīng)用技術(shù)相對(duì)較高，大量的工程應(yīng)用僅局限于對(duì)耐久性有較高要求的水利交通等重點(diǎn)工程。參考大量聚羧酸高效減水劑應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道，均為坍落度經(jīng)時(shí)損失、硬化混凝土強(qiáng)度及收縮性能、氯離子滲透性和通電量下降的復(fù)演性試驗(yàn)，而對(duì)涉及這些高性能混凝土較為敏感的成本核算卻鮮有分析論證。對(duì)目前權(quán)重極大的以強(qiáng)度驗(yàn)收為主導(dǎo)的預(yù)拌混凝土企業(yè)，卻無(wú)法承受以超出自身的生產(chǎn)成本來(lái)追求與其質(zhì)量驗(yàn)收無(wú)關(guān)的耐久性，這也是聚羧酸高效減水劑始終無(wú)法在以強(qiáng)度驗(yàn)收占絕對(duì)地位的普通混凝土中推廣應(yīng)用的主要原因，從混凝土的性?xún)r(jià)比考慮，一般認(rèn)為只有C50以上的高強(qiáng)混凝土使用聚羧酸高效減水劑才有一定的優(yōu)勢(shì)，對(duì)常規(guī)的C30~C40普通混凝土，如何通過(guò)應(yīng)用聚羧酸高效減水劑在有效控制成本的前提下實(shí)現(xiàn)普通混凝土的高性能化，這也是對(duì)聚羧酸高效減水劑應(yīng)用技術(shù)瓶頸的一大突破。本文將對(duì)此作一定的嘗試，并探討聚羧酸高效減水劑在C30~C40普通混凝土中應(yīng)用的可行性。1聚羧酸高效減水劑對(duì)水泥的適應(yīng)性選擇在上海市場(chǎng)具有一定代表性，含固量20％左右且價(jià)格適中的3種聚羧酸高效減水劑，按GB／T8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》檢測(cè)砂漿減水率，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)，盡管3種聚羧酸鬲效減水劑的含固重基本接近，但在1．0％的相同摻量下，砂漿減水率差異懸殊，其中B廠(chǎng)產(chǎn)品的砂漿減水率高達(dá)28％，但其砂漿抗壓強(qiáng)度比甚至低于不摻外加劑的基準(zhǔn)強(qiáng)度，且從試件表面和破型斷面可見(jiàn)大量氣泡。這是由于產(chǎn)品的引氣量未能進(jìn)行有效控制，含氣量過(guò)高，導(dǎo)致強(qiáng)度的損失。文獻(xiàn)[3]中對(duì)國(guó)內(nèi)外5種聚羧酸減水劑樣品在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行了含氣量測(cè)定，其最大值為7．2％，最小值為2．3％，如此大的含氣量波動(dòng)，使其無(wú)法應(yīng)用于一些重要的工程。對(duì)聚羧酸高效減水劑的使用，為消化外加劑的成本，必須大摻量使用粉煤灰和礦粉等輔助膠凝材料。如果使用的外加劑對(duì)此無(wú)法提供適宜的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，再高的減水率也于事無(wú)補(bǔ)。所以，當(dāng)聚羧酸高效減水劑復(fù)合大摻量粉煤灰和礦粉配制高性能混凝土?xí)r，必須同時(shí)依據(jù)減水率和抗壓強(qiáng)度比作為外加劑選型的重要判據(jù)。而同一品種的聚羧酸高效減水劑，對(duì)不同廠(chǎng)家的普通水泥，其減水率又顯現(xiàn)較大的差異，表明聚羧酸高效減水劑對(duì)水泥品種仍有明顯的適應(yīng)性。據(jù)此，選擇了引氣量和減水率適中且抗壓強(qiáng)度較高的由上海申立建材有限公司生產(chǎn)的SPS～8P減水劑。該產(chǎn)品在生產(chǎn)控制中除規(guī)定了勻質(zhì)性指標(biāo)外，還增加了酸值和溴值檢測(cè)，保持了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。表2列出了該高效減水劑的實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)。2聚羧酸高效減水劑在普通混凝土中的應(yīng)用2．1原材料的選擇本研究立足于普通混凝土中常用的原材料，如水泥采用常規(guī)的P·O42．5，同時(shí)基于大摻量使用粉煤灰和礦粉，水泥自身必須保證足夠的富裕活性以及SPS-8P對(duì)水泥的適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果，確定選用江西亞?wèn)|水泥公司生產(chǎn)的P·O42．5水泥，其實(shí)測(cè)的28d強(qiáng)度均大于54MPa。外摻料采用活性相對(duì)較高、需水量比較小的Ⅱ級(jí)高鈣粉煤灰，質(zhì)量指標(biāo)符合GBl596—2005中C類(lèi)灰要求。礦粉為普通細(xì)度的S95級(jí)。中砂，細(xì)度模數(shù)2．3。5~25mm連續(xù)級(jí)碎石。2．2混凝土配比設(shè)計(jì)和性能鑒于目前上海市在普通商品混凝土中均采用了粉煤灰和礦粉的雙摻技術(shù)，且已超過(guò)了膠凝材料總量的40％，故聚羧酸高效減水劑在普通混凝土中的應(yīng)用，其雙摻總量必須保持在50％以上，同時(shí)還應(yīng)在兼顧混凝土和易性及強(qiáng)度穩(wěn)定性的前提下，配制成本應(yīng)有，一定幅度的下降。依據(jù)用水量最小化和水泥減量化的高性能混凝土設(shè)計(jì)原理，C30~C40高性能混凝土的配比和坍落度性指標(biāo)列于表3。由表3可見(jiàn)，以聚羧酸高效減水劑占膠凝材料總量1％的摻量，并復(fù)合總摻量達(dá)64％的礦粉和高鈣灰，配制的高性能混凝土的粘聚性、和易性、保水性俱佳，1h坍落度經(jīng)時(shí)損失為5-15mm，且觸變性良好，能滿(mǎn)足不同施工工藝要求。同時(shí)，初始坍落度越大，經(jīng)時(shí)損失越小。圖1為上述配比的強(qiáng)度發(fā)展曲線(xiàn)。從圖1可見(jiàn)，大摻量礦粉和高鈣灰在聚羧酸高效減水劑的激發(fā)下，混凝土強(qiáng)度發(fā)展的穩(wěn)定性較為理想：其中3d強(qiáng)度已達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值的47％~55％，完全能滿(mǎn)足正常施工所需的合理早強(qiáng)要求；而后期強(qiáng)度又能穩(wěn)步遞進(jìn)，120d強(qiáng)度較28d強(qiáng)度有40％~47％的增幅。由于大摻量使用礦粉和高鈣灰，與現(xiàn)行常規(guī)工藝配制的同等級(jí)普通混凝土相比，高性能化后的普通混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，其抗?jié)B透性在120ks／m3水泥用量下達(dá)到了P21以上，同時(shí)，抗化學(xué)侵蝕性和變形性能均明顯提高和改善，在先前的研究中已作了充分的論述凹。而聚羧酸高效減水劑的使用，更有利于減少混凝土的早期變形。由于聚羧酸高效減水劑降低表面張力的效果比其它外加劑更為顯著，較小的吸附量就能產(chǎn)生很好的分散效果，使較多的表面活性分子散布在混凝土液相表面，延緩了混凝土的失水速率，而在混凝土干縮過(guò)程中，又能減小毛細(xì)管腔的應(yīng)力集中田，所以用聚羧酸高效減水劑能明顯減小高性能混凝土早期的塑性收縮和自收縮。此外，聚羧酸高效減水劑的分子結(jié)構(gòu)中支鏈較多，表面張力小，在混凝土中較易形成3％—5％的含氣量，這對(duì)配制大摻量礦粉和高鈣灰混凝土是大有裨益的。適量的引氣，能阻止由水泥—礦粉—高鈣灰組成的三元復(fù)合膠凝體系中不同的顆粒密度造成的沉降，提高混凝土的勻質(zhì)性、和易性，減少泌水，進(jìn)而提高混凝土的抗?jié)B、抗凍性能。3普通混凝土高性能化的成本分析以目前常規(guī)的雙摻粉煤灰礦粉混凝土為基準(zhǔn)，其中減水率13％左右的泵送劑摻量為1．2％，粉煤灰內(nèi)摻20％，礦粉按30％的水泥取代率，結(jié)合表3的配比，得出C30-C40混凝土高性能化后的成本同比下降4．4-10．5元／m3(見(jiàn)表4)，并且經(jīng)濟(jì)效益明顯。此外，環(huán)保型的聚羧酸高效減水劑的使用，使外加劑占混凝土配比成本的比例由5％-6％上升至12％~14％，但卻吸納了占膠凝材料總量64％的粉煤灰、礦粉等工業(yè)廢棄物，減少了40％-46％的水泥用量，社會(huì)效益和環(huán)保價(jià)值顯著。4聚羧酸高性能混凝土的質(zhì)量控制及應(yīng)用4．1原材料質(zhì)量控制按目前外加劑標(biāo)準(zhǔn)的勻質(zhì)性檢驗(yàn)方法，無(wú)法揭示聚羧酸高效減水劑的引氣量與其減水率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但用戶(hù)對(duì)聚羧酸高效減水劑給混凝土帶來(lái)的含氣量與其減水率之間的因果關(guān)系應(yīng)有所甄別并加以重視。對(duì)聚羧酸高效減水劑在型式檢驗(yàn)中的混凝土抗壓強(qiáng)度比指標(biāo)應(yīng)定期檢驗(yàn)確認(rèn)，而對(duì)聚羧酸高性能混凝土的含氣量應(yīng)作為和混凝土坍落度(擴(kuò)展度)同等重要的常規(guī)指標(biāo)控制，對(duì)無(wú)抗凍要求的，其值應(yīng)不超過(guò)4．5％為宜。此外，鑒于粉煤灰、礦粉的大摻量使用，對(duì)水泥、礦粉及粉煤灰的活性應(yīng)嚴(yán)格控制。4．2大摻量高鈣灰混凝土的安定性控制由于在配比中使用了摻量達(dá)35％的高鈣灰，盡管其28d的活性指數(shù)一般大于80％，但必須從高鈣灰的應(yīng)用技術(shù)上對(duì)高鈣灰混凝土的安定性加以控制。由于上海市預(yù)拌混凝土使用的高鈣灰均為神木東勝煤與大同煤混燒所得的II級(jí)灰，f-CaO一般不超過(guò)5％。但在配制中，采用以m(礦粉)：m(高鈣灰)=0．8：1的配比，稀釋了復(fù)合膠凝體系中的f-CaO含量，使體系中的f-CaO值控制在3％以下。礦粉與高鈣灰的復(fù)合能使高鈣灰中的f-CaO加速水化，降低其膨脹性能凹。在生產(chǎn)控制時(shí)，應(yīng)以高性能化配比中實(shí)際使用的水泥—礦粉—高鈣灰的質(zhì)量比作安定性檢驗(yàn)，確保膨脹值小于5mm。4．3生產(chǎn)質(zhì)量控制和應(yīng)用聚羧酸高效減水劑的摻量超出一定范圍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的泌水離析現(xiàn)象，因此，減水劑的計(jì)量精度要求較高，同時(shí)，為避免與其它萘系產(chǎn)品相混，還必須配備單獨(dú)的上料管路。為使聚羧酸高效減水劑充分吸附，并獲得較好的塑化和引氣效果，聚羧酸高性能混凝土的攪拌時(shí)間應(yīng)比其它品種的混凝土延長(zhǎng)10s，本公司已將上述工藝在C30~C40的水下灌注樁中取得了成功的應(yīng)用。混凝土拌和物出廠(chǎng)坍落度控制在200-210mm，含氣量為3．0％-4．0％，在夏季高溫下，坍落度幾乎無(wú)損失，且無(wú)泌水離析現(xiàn)象，可灌性佳，工地試件強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。5結(jié)語(yǔ)聚羧酸高效減水劑仍存在對(duì)水泥的適應(yīng)性問(wèn)題，對(duì)其在應(yīng)用中產(chǎn)生的引氣現(xiàn)象及由此帶來(lái)的減水率，現(xiàn)行外加劑規(guī)范無(wú)法反映，用戶(hù)應(yīng)通過(guò)對(duì)混凝土拌和物含氣量的常規(guī)檢測(cè)加以控制。SPS-8P具有引氣、減水適中，抗壓強(qiáng)度比高，適于配制大摻量礦粉和粉煤灰的普通混凝土。采用預(yù)拌混凝土中常用的原材料，以占膠凝材總量64％的礦粉和高鈣灰，僅用120~140kg／m3P·O42．5的水泥用量，能分別配制出C30-C40且流動(dòng)性、強(qiáng)度穩(wěn)定性和耐久性俱佳的高性能混凝土，而配制成本同比下降4．4~10．5元／m3，并