張　　波

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責任公司，陜西西安 710018）

    混凝土廣泛應(yīng)用于建筑工程以來，混凝土技術(shù)的進步與外加劑的不斷更新密不可分。從歷史上講，外加劑的使用幾乎和混凝土本身一樣長久，古羅馬人使用動物油脂、牛乳和血液來改善混凝土的性能，20世紀30年代開始系統(tǒng)的研究外加劑，發(fā)明了引氣劑以及以木質(zhì)素類外加劑為代表的普通減水劑，減水率在10％左右，并廣泛用于混凝土中^[1]；70年代又發(fā)明了以萘系、密胺系為代表的高效減水劑，但是仍然存在著缺陷,一定程度的制約它的推廣和使用。

    

    80年代日本首次研發(fā)了新型聚羧酸系高性能減水劑后，引發(fā)了第三代高效減水劑的研發(fā)和使用，聚羧酸系減水劑作為第三代新型混凝土高效減水劑，其性能和質(zhì)量均有了大幅提高，它是一類分子結(jié)構(gòu)為含羧基接枝共聚物，表面活性分子結(jié)構(gòu)呈梳形，主要通過不飽和單體在引發(fā)劑作用下共聚而獲得，主鏈系由含羧基的活性單體聚合而成、側(cè)鏈由含功能性官能團的活性單體與主鏈接枝共聚而成，具有高減水率并使拌合物具有良好的流動性保持效果的減水劑。

    

    推廣應(yīng)用聚羧酸系高效減水劑是混凝土質(zhì)量向高性能化方向發(fā)展的必然要求。吳中偉院士提出“高性能混凝土”是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，它以耐久性作為設(shè)計的主要指標。為此，高性能混凝土在配置上的特點是低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，并必須摻加一定數(shù)量的礦物細摻料和高效減水劑。關(guān)于聚羧酸高效減水劑，國外在這方面的研究和應(yīng)用已經(jīng)相當成熟。而國內(nèi)雖然也進行了大量的室內(nèi)研究，但是應(yīng)用經(jīng)驗很不足，只是在近幾年才得到推廣，客運專線時速350Km/h的高速鐵路，提出了使用壽命100年高標準的高性能混凝土要求，第二代高效減水劑已經(jīng)難以滿足客運專線混凝土工程對減水劑的性能要求，聚羧酸高效減水劑登上了這個時代的舞臺。

 

    鄭西鐵路客運專線工程施工使用的高性能混凝土強度等級小于C60，采用聚羧酸外加劑改善性能，筆者對C50預(yù)制梁混凝土配合比設(shè)計進行試驗和研究。

 

    0.1  研究目標

    A、配合比減水效果良好，坍落度保證的情況下水膠比最小（密實度）

    B、混凝土坍落度200mm±20mm、1小時損失小于20mm（泵送）

    C、混凝土緩凝效果適當（大體積混凝土防裂）

    D、抗壓強度及耐久性指標滿足要求，

    E、滿足上述條件基礎(chǔ)上成本最低。

 

    0.2  原材料

    水泥：陜西社會 P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；其基本性能檢驗結(jié)果見表1; 各項檢驗指標均滿足規(guī)范要求。

 

                             水泥基本性能檢驗結(jié)果                       表1    

    摻合料：三門峽唐潤資源綜合利用有限公司產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰，其性能檢驗結(jié)果見表2；S95級臨汾三泰高新材料有限公司產(chǎn)礦渣粉，其性能檢驗結(jié)果見表3；各項檢驗指標均滿足規(guī)范要求。

 

                            粉煤灰基本性能檢驗結(jié)果                            表2

 

                      礦渣粉基本性能檢驗結(jié)果                           表3

 

    砂：渭河魏莊中砂，細度模數(shù)2.9，其性能檢驗結(jié)果見表4；各項檢驗指標均滿足規(guī)范要求。

 

                                      細骨料基本性能檢驗結(jié)果                            表4

 

    碎石：5-10mm；10-20mm連續(xù)級配碎石，其性能檢驗結(jié)果見表5；各項檢驗指標均滿足規(guī)范要求。

 

                             粗骨料基本性能檢驗結(jié)果                           表5

 

    減水劑：山西黃騰聚羧酸高效減水劑，其性能檢驗結(jié)果見表6；各項檢驗指標均滿足規(guī)范要求。

 

                           減水劑基本性能檢驗結(jié)果                          表6

 

    0.3 試驗方法

    混凝土配合比設(shè)計參照JGJ55-2000《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》、《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補充標準》《客運專線高性能混凝土暫行技術(shù)條件》、《客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件》、混凝土性能指標檢測參照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》、GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》、ASTM C1202-1997等相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

 

    隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，配合比原材料越來越多，因此影響因素也多了起來，要想找到最優(yōu)配合比，進行大量的正交試驗研究是非常必要的。因素與水平列表見表7所示，正交試驗配合比設(shè)計見表8所示，在這里主要選取水膠比、60min坍落度保留值、28天抗壓強度為指標進行正交試驗研究。

 

                        因素與水平列表                              表7

注：外加劑摻量相對于膠凝材料用量。

 

                      正交試驗配合比設(shè)計                              表8

    注：水泥用量330kg/m3不變；假設(shè)容重2400 kg/ m3 設(shè)計配比，為了方便比較，骨料總量也不變；用水量均是坍落度為200mm±20mm時的用水量。

 

    0.4 水膠比因素極差水平分析

    根據(jù)表8數(shù)據(jù)可以得出水膠比因素極差分析數(shù)據(jù)見表9及圖1所示，從表9數(shù)據(jù)可以得出，礦粉、粉煤灰因素極差最大，說明外加劑對水膠比影響因素最為顯著，依次是砂率、外加劑。通過圖1可見，隨著外加劑摻量提高，呈線性增長，增長速度相對平緩。

 

 

    0.5  60min坍落度保留值因素極差水平分析

    根據(jù)表8數(shù)據(jù)得出60min坍落度保留值都年滿足施工現(xiàn)場拌合、運輸、泵送、澆筑、密實的需要。但是當粉為80 kg/m³，粉煤灰為85 kg/m³，砂率為39%，外加劑摻量為1.0% 時，表8中第5中試驗方法影響最為顯著，

 

    2.3  28天抗壓強度因素極差水平分析

    28天抗壓強度因素極差分析數(shù)據(jù)如表10和圖2所示，由表10可知，外加劑極差值最大，表明四個因素中外加劑對28天抗壓強度影響最為顯著，后面依次是砂率、礦渣粉、粉煤灰。從圖4可見，外加劑對28天抗壓強度增長效果更為明顯；隨著的外加劑摻量的增加，其混凝土28天抗壓強度先增大后減小，則說明外加劑摻量為1.0%時為最適宜量，這主要是因為早期時水膠比大的混凝土密實度稍微低，而后期低水膠比的膠凝材料比高水膠比時的水化程度要低，所以28天時混凝土的密實度基本相當，因此對混凝土28天抗壓強度最有利的復(fù)合型配方為：礦粉：80 kg/m³，粉煤灰85 kg/m³， 砂率為39%，外加劑摻量為1.0% ，即表8中第5種試驗方法。                                                                           

                                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    通過前面正交試驗分析，綜合考慮水膠比、60min坍落度保留值、28天抗壓強度及經(jīng)濟成本等因素，最終選定配合比組合為礦粉：80 kg/m³，粉煤灰85 kg/m³， 砂率為39%，外加劑摻量為1.0% ，即表8中第5種試驗方法。見下表11。

 

    3.1 選定配合比的拌合物性能

    選定配合比的和易性良好，凝結(jié)時間適中，坍落度損失也非常小，這對工地現(xiàn)場混凝土泵送澆筑非常有利。具體指標值見下表12。

    3.2 選定配合比的強度及耐久性指標

    選定配合比的強度及耐久性能非常優(yōu)異，混凝土抗裂效果好主要原因是復(fù)合型聚羧酸外加劑引起了混凝土毛細管表面張力的下降，從而引起混凝土收縮的宏觀應(yīng)力下降，收縮降低。混凝土抗氯離子滲透能力良好的主要原因表現(xiàn)在兩個方面，一方面是復(fù)合型聚羧酸系具有高分散性的作用使得混凝土水膠比大大降低，這就意味著提高了混凝土的密實性從而達到提高抗氯離子滲透能力；另一方面是磨細礦渣的填充和水化雙重作用同樣起到了密實性效果。，具體指標值見下表13。

    0.6  目前,該配合比在鄭西鐵路客運專線已經(jīng)使用了2年之久，通過使用我們認為該配合比存在以下優(yōu)勢：

    復(fù)合型聚羧酸外加劑較高的減水作用（減水率26-33%)引起了低水膠比；粉煤灰和礦粉又對混凝土微觀空隙進行了填充水化，從而達到了最佳的致密效果，因此使得混凝土強度增加，抗裂、抗凍、抗氯離子侵蝕等各項耐久性指標優(yōu)異，混凝土外觀質(zhì)量也得到了非常大的改善。復(fù)合型聚羧酸鹽外加劑改善了混凝土的工作性、和易性及泵送能力。復(fù)合型聚羧酸鹽外加劑保證了混凝土良好的坍落度保持能力。配合比綜合成本降低。

 

    0.7 配合比使用時應(yīng)注意的問題：

    聚羧酸鹽外加劑顯效時間較萘系外加劑較長，因此拌合時間要加長。聚羧酸鹽外加劑不能長時間使用金屬容器裝載，可用PE、PVC、FRP等容器。聚羧酸鹽外加劑對原材料敏感性特別強，水泥、水中成分有變化時，混凝土立刻不適應(yīng)，產(chǎn)生離析、泌水等很大的變化，當砂的含泥量超過3%時減水效果明顯降低，甚至不如萘系外加劑（客專要求C50混凝土砂含泥量不得超過2%）。聚羧酸鹽外加劑對摻量有要求，當小于0.8%后，減水效果明顯降低，過摻后又會出現(xiàn)凝結(jié)時間過長或假凝現(xiàn)象。聚羧酸鹽外加劑一般都是復(fù)合型的,若需要防凍、緩凝等新要求時,應(yīng)該通知廠家調(diào)整，自己調(diào)整時應(yīng)該搞清楚其組分，不能與松香皂類組分同時使用。

 

（1）Sidney Mindess等. 混凝土〔M〕化學工業(yè)出版社，2005年版.

（2）吳中偉，廉慧珍. 高性能混凝土〔M〕北京：中國鐵道出版社，1999

（3）Kazoo Yamada Tomo Takahashi. Shunsuke Hanehara Makoto Matsuhisa Effects of the chemical structre on the properties of polycarbosy latetype superplasticizer〔J〕, Cement and concrete research，2000，（30）：197-207

（4）V.Morin F.Cohen Tenoudji. A.Feylessoufi P.Richard Super plasticizer effects on setting and structuration mechan isms of ultrah igh-performance concrete〔J〕, Crmrnt and concrete，2001，（31）：63-71

（5）王子明，張瑞艷，王志宏. 聚羧酸系高性能減水劑的合成技術(shù)〔J〕材料導(dǎo)報，2005，19（9）：44-46