高性能混凝土及減水劑施工技術

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高性能混凝土及減水劑施工技術

　　高性能混凝土各種優良性能的實現需要高減水率的減水劑，且對減水劑中有害物質的含量限制提出更高要求，對減水劑控制混凝土的收縮亦提出很高要求。下面是小編為大家整理的高性能混凝土及減水劑施工技術，歡迎大家閱讀瀏覽。

高性能混凝土及減水劑施工技術

　　1 高性能混凝土的定義及技術措施

　　傳統的混凝土雖然已有近200年的歷史，經歷了鋼筋混凝土結構、預應力混凝土、高強混凝土和超高強混凝土等幾大飛躍。但今天的混凝土技術卻面臨著前所未有的嚴峻挑戰[1]：

　　(1)隨著現代科學技術和生產的發展，各種超長、超高、超大型混凝土構筑物，以及在嚴酷環境下使用的重大混凝土結構，如高層建筑、跨海大橋、海底隧道、海上采油平臺、核反應堆、有毒有害廢物處置工程等也在不斷增加。這些混凝土工程施工難度大，使用環境惡劣、維修困難，因此要求混凝土不但施工性能要好，在澆筑時不產生缺陷，而且更要耐久性好，使用壽命長。

　　(2)進入20世紀70年代以來，不少工業發達國家正面臨一些鋼筋混凝土結構，特別是早年修建的橋梁等基礎設施老化問題，需要投入巨資進行維修或更新。1991年在提交美國國會的報告“國家公路和橋梁現狀”中提到，為修復或更換現存有缺陷橋梁的費用需投資910億美元;如拖延修復進程，費用將增至1310億美元。美國現存的全部混凝土工程的價值約6萬億美元，每年用于維修的費用高達300億美元。我國結構工程中混凝土耐久性問題也非常嚴重。據2000年全國公路普查結果顯示，到2000年底我國已有各式公路橋梁278809座，公路危橋9597座，每年實際需要維修費用38億元，而實際到位僅8億元。港口、碼頭、閘門等工程因處于海洋環境，氯離子侵蝕引發鋼筋銹蝕，導致構件開裂、腐蝕情況最為嚴重。

　　(3)混凝土作為用量最大的人造材料，不能不考慮其的使用對生態環境的影響。傳統混凝土的原材料都來自天然資源。每用1t水泥，大概需要0.6t以上的潔凈水，2t砂、3t以上的石子。每生產1t硅酸鹽水泥約需1.5t石灰石和大量燃煤與電能，并排放1t CO2，而大氣中CO2濃度增加是造成地球溫室效應的原因之一。盡管與鋼材、鋁材、塑料等其他建筑材料相比，生產混凝土所消耗的能源和造成的污染相對較小或小得多，混凝土本身也是一種潔凈材料，但由于用量龐大，過度開采礦石和砂、石骨料已在不少地方造成資源破壞并嚴重影響環境和天然景觀。有些大城市現已難以獲得質量合格的砂石。另一方面，由于混凝土過早劣化，如何處置費舊工程拆除后的混凝土垃圾也給環境帶來考驗。

　　因此，未來的混凝土必須從根本上減少水泥用量，更多地利用各種工業廢渣作為其原材料;必須充分考慮廢棄混凝土的再生利用，未來的混凝土必須是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高強都意味著節約資源。“高性能混凝土”正是在這種背景下產生的。

　　1990年5月，在美國馬里蘭州的Gaithersburg城，由美國國家標準與技術研究所(NIST)和美國混凝土協會(ACI)主辦的研討會上，率先給出了高性能混凝土的定義：HPC是用優質水泥、集料、水和活性細摻和料與高效外加劑制成的，同時具有優良耐久性、工作性和強度的勻質混凝土。各國根據不同的工程需要提出了不盡相同的要求和涵義，大多數學者認為HPC的強度不應低于50MPa～60MPa。日本學者對HPC則更注重混凝土的耐久性和工作性：新拌混凝土不經振搗能夠填滿模板內所有空間;硬化前期混凝土內不存在因水化作用與干縮引起的初始裂縫;硬化后期具有足夠的強度等力學性能與抗滲性，更重視早期強度。歐洲的學者更重視HPC的強度與耐久性，常與高強混凝土并提(HSC/HPC)。

　　HPC在我國的研究雖然較晚，卻得到了高度重視，使該項工作取得較大進展。馮乃謙認為HPC應滿足以下幾點要求：水膠比要小于等于0.38，組成材料中必須含有高性能減水劑和礦物外加劑;56d混凝土按照ASTMCl202規范6h總導電量<1000C;凍害地區凍融300次相對動彈模>80%，抗壓強度≥60MPa，并具有滿足施工要求的流動性。吳中偉院士認為：HPC是一種新型高技術混凝土，是在大幅度提高混凝土性能的基礎上，采用現代混凝土施工技術，選用優質原材料，在嚴格的質量管理條件下制成的;除了水泥、集料、水以外，必須摻加足夠數量的礦物摻和料與高性能外加劑，并具有良好的耐久性、工作性、適用性、體積穩定性、經濟合理性和必備的各種力學性能;HPC應根據用途與經濟合理等條件對其性能有所側重，HPC可以向中低強度等級混凝土(30MPa)適當延伸，并指出HPC是一種可持續發展的綠色建筑材料。

　　從以上可見，盡管各國學者都十分關注HPC，也一直在對HPC的具體定義展開著熱烈討論，但至今似乎仍未達成一致，主要分歧在于所謂的高性能是否是一個十分全面的概念。縱觀各個國家及學者定義HPC時的背景，筆者認為，HPC應根據各個時代、地區和工程實際、科研水平來定義。對于混凝土這樣一個大系統，人們對它的研究或者說改性只能從某幾個方面入手;另外，全球各個國家地域不同，混凝土技術發展的歷史更不相同，工程上對混凝土各種性能的要求也不盡相同。基于這些原因，我們認為應把HPC的“高性能”理解為是“與一定歷史階段和工程實際最相適應的性能”。那么，可以定義高性能混凝土為: 凡具有人們所期望的但用傳統材料或傳統設計思想較難達到的性能的混凝土即為高性能混凝土。高性能混凝土具有相對性和時代性[2]。

　　因此，只要具有以下某些優良性能或全部性能的混凝土均可認為是高性能混凝土：

　　(1)優良的施工性。如高流動性、免振自密實性或者滿足某種特定工程的施工性(如滑模攤鋪路面混凝土、水下施工混凝土、快速注漿材料等);

　　(2)強度高。目的是盡量減少肥梁胖柱，但必須要同時考慮建筑的美學效果和結構撓度和功能等方面的要求，也即，并不是每項工程都需要高強混凝土;

　　(3)盡可能地提高耐久性，不管是中低強度混凝土還是高強度混凝土都必須十分注重耐久性;

　　(4)具有下列某些特殊功能，如超早強、低脆性、高耐磨性、吸聲、自呼吸性等。

　　高性能混凝土的技術措施除了高性能的減水劑、優質的摻和料以及現代化的設計理念外，各種使混凝土具備特殊性能的外加劑，如早強劑、緩凝劑、速凝劑、引氣劑、防凍劑、抗侵蝕劑、減縮劑和阻銹劑等，都是必不可少的。

　　2 綠色高性能混凝土的提出、定義及技術措施

　　混凝土盡管是一種相對節能的大宗的建筑工程材料，但隨著世界水泥年產量和混凝土澆筑量的不斷增加，其對資源、能源和環境產生了極大的影響。水泥混凝土能否長期作為最主要的建筑材料，不僅要求其具備在耐久性、施工性和強度等方面的高性能，而且最關鍵在于其綠色“含量”是否高。高性能混凝土的生產應用理應要對環境保護和環境治理方面起到積極作用，為此，“綠色高性能混凝土”的概念便由此產生。最早提出“綠色高性能混凝土”概念的是我國工程院院士吳中偉教授[3]。筆者闡述了綠色高性能混凝土的技術措施，具體如下[4]：

　　(1)最大限量地節約水泥用量，減少水泥生產中的“副產品”—CO2、SO2和NOx等氣體的排放，以保護環境;

　　(2)更多地摻加經加工處理的工農業廢渣如磨細礦渣、優質粉煤灰、硅灰、稻殼灰、活化煤矸石等作為活性摻和料，以節約水泥，保護環境，并改善混凝土耐久性;

　　(3)大量應用以工業廢液，尤其是黑色紙漿廢液為原料改性制造的減水劑，以及在此基礎上研制的其他復合外加劑，幫助工業消化處理難以處治的液體排放物;

　　(4)集中攪拌混凝土，消除現場攪拌混凝土所產生的廢料、粉塵和廢水，并加強對廢料、廢水的循環使用;

　　(5)發揮高性能混凝土的優勢，通過提高強度，減小結構截面積或結構體積，減少混凝土用量，從而節約水泥和砂、石的用量;通過改善施工性來減小澆筑密實能耗，降低噪音;通過大幅度提高混凝土耐久性，延長結構物的使用壽命，進一步節約維修和重建費用，減少對資源無節制的開挖使用;

　　(6)對大量拆除廢棄的混凝土進行循環利用，發展再生混凝土。

　　目前，我國混凝土已經邁向高性能混凝土和綠色高性能混凝土技術軌道，并取得驕人戰績。

　　3 高性能減水劑及其在高性能混凝土中的應用

　　實現高性能混凝土的技術措施之一是利用減水率高、坍落度保持性好、有害物質含量低、有助于保持混凝土體積穩定性的減水劑，即《聚羧酸系高性能減水劑》(JG/T223-2007)和《混凝土外加劑》(GB8076-2008)標準中所述的高性能減水劑。由于目前只有聚羧酸系減水劑能夠實現這里所說的“高性能”，所以高性能減水劑一般也就是聚羧酸系高性能減水劑。

　　聚羧酸系減水劑作為繼萘系、密胺系、脂肪族系和氨基磺酸鹽系減水劑之后研制生產成功的新型高效減水劑，以其在摻量較低時(固體摻量0.15%～0.25%)就能產生理想的減水和增強效果、對混凝土凝結時間影響較小、坍落度保持性較好、與水泥和摻和料適應性相對較好、對混凝土干縮性影響較小(指通常不過分增加干縮)、生產過程中不使用甲醛和不排放出廢液、SO42-和Cl-含量低等突出特點，從一開始就受到研究者和部分應用者的推崇。

　　屈指算來，聚羧酸系高性能減水劑在我國已有近20年的應用及13年的本土化生產和推廣歷史。任何混凝土外加劑都必須有相應的產品標準和應用技術規范。為規范、安全、高效地推廣聚羧酸系高性能減水劑，并鼓勵和指導聚羧酸系高性能減水劑的研發、生產和復配，業已頒布了《聚羧酸系高性能減水劑》(JG/T 223-2007)產品的建工部行業標準和《混凝土外加劑》(GB8076-2008)國家標準，在修訂版的《混凝土外加劑應用技術規程》(GB50119-2013)中也增加了“聚羧酸系高性能減水劑”內容。

　　早在20世紀90年代末上海磁懸浮高速列車軌道梁工程設計建設之時，聚羧酸系減水劑就在我國得到成功應用。當時，工程設計軌道梁呈“工”字型，頂寬1.78m，底寬3m，高2.2m，長度分別為12m，18m，21m、24m和50m，在預應力達1800t的臺座上，采用C60高強度混凝土和一次先張拉、兩次后張拉的預應力制作工藝。由于對軌道梁的收縮變形和徐變控制很嚴，加之重點工程對原材料的性能要求較高，最終決定采用聚羧酸系減水劑并摻加鋼纖維等措施。

　　三峽工程混凝土重力式大壩壩頂總長3035m，壩高185m，混凝土澆筑總量1600多萬m3。電站設有左、右兩組共26臺單機額定容量為70萬千瓦的大型水輪發電機組。通航建筑物包括雙線五級船閘和垂直升船機，分別可通過萬噸級船隊和3000t級客貨輪。為預防混凝土大壩的溫度裂縫，采用摻加聚羧酸系減水劑而大幅降低水泥用量、提高粉煤灰用量的措施[5,6]，2006年5月20日主體完工后，僅發現13條非貫穿性裂縫，保證了工程質量。

　　本世紀開工建設的洋山深水港工程東海大橋(2002年6月26日～2005年5月25日)，其混凝土采用摻聚羧酸系高性能減水劑而摻和料用量占膠凝材料總用量60%～70%的高耐久性混凝土[7,8]。東海大橋混凝土受海上風、浪、流、涌、霧、鹽等海洋性氣候因素影響，洋山港附近海域的海水Cl-含量平均為0.2%，是長江口含量的數倍。橋梁結構受到氯離子的腐蝕程度遠遠大于內河橋梁。

　　連接上海與寧波的杭州灣跨海大橋工程(2004年3月14日～2006年11月23日)全長36km，是目前世界上已建中最長的跨海大橋，也是國內特大型橋梁之最。該工程混凝土服務基準期100年的混凝土耐久性設計理念為聚羧酸系減水劑的推廣應用創造了良好的條件。

　　上海市申江路工程趙家溝主橋設計為單跨鋼管混凝土拱構造。針對其橋型特點、特殊的對腳倒灌頂升施工工藝和對混凝土性能的要求，利用經特殊改性的聚羧酸系減水劑，配制了坍落度可保持8h不損失的C40補償收縮自密實混凝土。該種摻聚羧酸系減水劑的高性能混凝土由于在流動性控制方面具有獨到之處，大大簡化了鋼管混凝土橋拱的澆注施工工藝，混凝土從橋拱腳倒灌頂升一次完成，提高了施工效率，降低了施工成本[9]。

　　上海環球金融中心大樓地下3層，地上101層，設計凈高為492m，其基礎底板混凝土和上部結構混凝土的施工澆注對高效減水劑性能提出更高的要求。該工程連續澆注了2.95萬m3混凝土。根據與上海金茂大廈和金茂大廈基礎底板澆注紀錄的對比，可見聚羧酸系高性能減水劑的使用為大體積混凝土施工效率創下了歷史新紀錄。

　　摻有萘系高效減水劑的C60混凝土在上海市一次泵送到“東方明珠”電視塔350m高的塔頂，而在金茂大廈建設中，摻有萘系高效減水劑的混凝土更是被一次泵送至420.5m的高度。20 07年12月10日下午，三一重工的HBT90CH超高壓拖泵，將摻加聚羧酸系高性能減水劑的C60混凝土一次泵送至上海環球金融中心492m的施工高度。

　　主體建筑結構高度為580m，總高度632m，地上121層的中國第一高樓—上海中心大廈于2008年11月29日正式動工，2013年8月3日實現結構封頂。上海中心大廈6.1萬m3的大底板混凝土澆筑于2010年3月28日晚順利完成，這是我國民用建筑領域一次性連續澆筑方量最大的基礎底板工程，也是澆筑速度最快的工程，6.1萬m3混凝土用時僅60h就全部澆筑完畢。該工程也成功地將C100超高強混凝土泵送至606m高度。

　　位于天津濱海高新技術產業開發區的117大廈結構高度達596.5m，擁有117個樓層。該工程于2008年9月10日開工建設，2015年9月8日成功實現結構封頂。該工程建成后，成為我國主體結構最高的建筑(僅次于601m的阿聯酋哈利法塔)。9月8日，伴隨整車混凝土泵送出管至621m，117大廈超越上海中心大廈606m的混凝土泵送高度，刷新了混凝土實際泵送高度吉尼斯世界紀錄。據報道，為確保天津117大廈混凝土泵送施工“上得去、不堵管”，中建三局聯合中建西部建設通過種種努力，建造了“中國建筑千米級摩天大樓”混凝土超高泵送盤管模擬試驗基地，其水平盤管全長超過800m。工程實踐表明，外加劑是超高層高性能混凝土核心技術之一，從2014年3月開始，項目聯合外加劑廠每天進行不少于8次的實驗，不斷調整外加劑組分，改善外加劑功效，自主研發了高性能聚羧酸外加劑，有效解決了117大廈混凝土泵送高度高、高強混凝土粘度高、低強混凝土易分散、高層泵送混凝土流動性損失大、冬季抗凍性能要求高等專業技術難題，填補了高性能混凝土超高層泵送與技術領域中的多項技術空白。

　　青島黃河大橋、浙江嘉紹跨海大橋(杭州灣跨海二橋)、上海長江橋隧工程等重點工程為提高混凝土耐久性，均設計采用了基準服務期為100年的耐久性混凝土。我國四橫四縱、3個城際快運共1.2萬km的快速客運網以及2.7萬km既有客運網線路的改造;已獲準的幾十個城市的地鐵軌道交通建設;正在建設和規劃建設的6條海底隧道項目;數十個城市的機場建設等，已為混凝土外加劑，尤其是聚羧酸系減水劑的生產和應用創造了絕佳的機會。

　　目前我國聚羧酸系減水劑的產量占減水劑總產量的比例已大幅增加。上海市作為國內最早生產和使用聚羧酸系減水劑的城市，2005年聚羧酸系減水劑的應用比例只有5.0%以上(2004年為2.0%)。據統計，2013年我國聚羧酸系減水劑產量為497.81萬噸，比2011年增加108.2%，在減水劑市場上所占份額首次超過萘系減水劑，達到52.17%。

　　但另一方面，聚羧酸系減水劑在實際工程應用中卻經常表現出某些難以想象的現象，這給聚羧酸系減水劑的應用帶來很大難題。下面針對聚羧酸系減水劑的研發、生產和應用提出一些建議。

　　4 聚羧酸系高性能減水劑在應用中的技術特點

　　4.1 混凝土減水率與凈漿流動度和砂漿減水率關系不密切

　　在《混凝土外加劑》(GB8076)標準修訂進行的試驗中發現，聚羧酸系減水劑在混凝土中的減水率與凈漿流動度、砂漿減水率之間的關系不密切。這一點對工程中常用凈漿流動度或/和砂漿減水率評價減水劑減水率的做法提出了挑戰。

　　4.2 混凝土坍落度保持性與凈漿流動度保持性關系不密切

　　試驗中經常發現，摻加某種聚羧酸系減水劑的凈漿流動度在1h～2h內可以保持得很好，而混凝土坍落度損失卻異常迅速，而有些聚羧酸系減水劑盡管在凈漿中表現不是很好，但在混凝土中卻有上佳表現。

　　4.3 混凝土抗壓強度比與減水劑減水率之間關系不甚密切

　　實際上，其他減水劑也如此，抗壓強度比與減水率之間的關系很復雜，這一方面在于不同減水劑的引氣性不同，另一方面可能是減水劑中活性基團、游離的離子不同，而這些對水泥水化進程均有不同程度的影響。

　　4.4 減水增強效果對混凝土原材料和配合比的依賴性大

　　聚羧酸系減水劑被證實在較低摻量情況下就具有較好的減水效果，其減水率比其他品種減水劑大得多。但必須注意的是，與其他減水劑相比，聚羧酸系減水劑的減水效果與試驗條件的關系更大。混凝土中集料的顆粒級配以及砂率，對聚羧酸系減水劑的塑化效果影響非常大。另外，聚羧酸系減水劑和其他減水劑一樣，“減水率”還取決于攪拌工藝，如果采用手工拌和，測得的“減水率”往往比機械攪拌低2～4個百分點。

　　4.5 減水效果對減水劑摻量的依賴性很大

　　聚羧酸系減水劑對于摻量十分敏感，只有達到它的飽和摻量，才能起到良好的減水效果;相反，摻量過大往往會引起離析、泌水而使減水、增強效果下降。

　　4.6 所配制的混凝土拌和物的性能對用水量十分敏感

　　反映混凝土拌和物性能的指標通常有流動性、粘聚性和保水性。使用聚羧酸系減水劑配制的混凝土并不總是完全滿足使用要求，經常會出現這樣或那樣的問題，所以目前在實際試驗時我們通常還用嚴重露石起堆、嚴重泌水和、發散和起堆扒底等概念來更形象地描述混凝土拌和物性能。

　　采用大多數聚羧酸系減水劑制備的混凝土拌和物，其性狀對用水量十分敏感。有時用水量只增加1kg/m3～3kg/m3，混凝土拌和物便立刻嚴重泌水，采用這種拌和物絕對無法保證澆注體的均勻性，而易導致結構物表面出現麻面、起砂、孔洞等難以接受的缺陷，且結構體強度和耐久性嚴重下降。

　　4.7 所配制混凝土的和易性同時依賴于減水劑摻量和用水量

　　現場試驗發現，采用聚羧酸系減水劑配制的混凝土，其和易性同時依賴于減水劑摻量和用水量，若減水劑摻量稍高，可能用水量減少了一些，就容易出現扒底、露石且坍落度損失迅速，此時只要稍減少減水劑用量而增加部分水就可以解決問題。

　　4.8 所配制的大流動性混凝土容易分層離析

　　大部分情況下，采用聚羧酸系減水劑配制的大流動性混凝土，即使減水劑摻量、用水量控制都是最佳的，混凝土拌和物也不泌水，但卻非常容易出現分層、離析現象，具體的表現是粗集料全部下沉，而砂漿或凈漿位于集料的上部。采用這種混凝土拌和物進行澆筑，即使不振動，分層、離析也明顯存在。

　　究其原因，主要是因為摻加這種聚羧酸系減水劑的混凝土在流動性較大時，漿體的粘度急劇減小所致。適當復配增稠組分只能在一定程度上解決此問題，而且復配增稠組分往往導致減水效果嚴重降低。

　　4.9 與其他品種減水劑的相溶性很差，甚至無疊加的作用效果

　　傳統的減水劑，如木質素磺酸鹽減水劑、萘系高效減水劑、密胺系高效減水劑、脂肪族系高效減水劑以及氨基磺酸鹽高效減水劑，完全可以任何比例復合摻加，以滿足不同工程的特殊配制要求，獲得更好的經濟性。這些減水劑復配使用都能得到疊加的(大多數情況下優于單摻)使用效果，且這些減水劑的溶液都可以互溶(除了木質素磺酸鹽減水劑與萘系減水劑互溶產生部分沉淀但并不影響使用效果外)。但聚羧酸系減水劑與其他品種減水劑復合使用，卻不易得到疊加的效果，且聚羧酸系減水劑溶液與其他品種減水劑溶液的互溶性本身就很差。下面是筆者針對該問題進行試驗的結果[10]：

　　(1)從溶液的互溶性來看，實際工程中聚羧酸系減水劑與密胺系減水劑或脂肪族系減水劑溶液不能復配在一起摻加，而不考慮復合使用效果的情況下，聚羧酸系減水劑存在與木質素磺酸鹽、萘系、氨基磺酸鹽系減水劑復配使用的可能。

　　(2)從復合摻加后的疊加效果來看，聚羧酸系減水劑與木質素磺酸鹽減水劑和脂肪族系減水劑存在復合摻加使用的可能性，但由于聚羧酸系減水劑與脂肪族系減水劑不互溶，實際上聚羧酸系減水劑只能與木質素磺酸鹽減水劑進行復配。

　　這兩點告訴我們：首先，如果要復配在一起使用，聚羧酸系減水劑只能與木質素磺酸鹽減水劑復配;此外，聚羧酸系減水劑對其他物質十分敏感，如果摻加聚羧酸系減水劑的混凝土碰到哪怕一丁點萘系、密胺系或氨基磺酸鹽減水劑或者是它們的復配產品，都可能出現流動性變差、用水量急劇增加、流動性損失嚴重，混凝土拌和物十分干澀甚至難以卸料等現象，其最終的強度、耐久性將受到影響。

　　4.10 與常用改性組分的相容性較差

　　由于目前對聚羧酸系減水劑科研方面的投入較少，大部分情況下，科研工作的目標只在于進一步提高其塑化減水效果方面，很難做到按照不同工程需要，通過分子結構設計合成出分別具有不同緩凝/促凝效果、不引氣或不同引氣性、不同粘度的聚羧酸系減水劑系列產品，再加上工程中水泥、摻和料、集料的多樣性和不穩定性，外加劑生產供應者根據工程需要對自身聚羧酸系減水劑產品進行復配是在所難免的。目前關于對減水劑的復配改性技術措施，基本上都是建立在對木質素磺酸鹽系、萘系高效減水劑等傳統減水劑改性措施的基礎上。試驗證明，過去的改性技術措施并不一定適合于聚羧酸系減水劑，如對萘系減水劑進行改性的緩凝成分中，檸檬酸鈉就不適合聚羧酸系減水劑，它不僅起不到緩凝作用，反而有可能促凝，且檸檬酸鈉溶液和聚羧酸系減水劑的互溶性也很差。再者，許多品種的消泡劑、引氣劑和增稠劑也不適合于聚羧酸系減水劑。

　　4.11 通過其他組分進行改性的手段不多

　　通過上面的試驗及分析，我們不難看出，因為聚羧酸系減水劑分子結構的特殊性，就現階段的科研深度和工程應用經驗的積累來說，通過其他化學組分對聚羧酸系減水劑進行改性的手段并不多，而且由于過去針對其他品種減水劑改性所建立起的理論和標準規范，對于聚羧酸系減水劑來說，可能需要更深層次的探索研究進行修正和補充。

　　4.12 近期出現的新問題

　　隨著我國粉煤灰、水泥生產中煙氣脫硫、脫氮工藝裝置的采用，聚羧酸系減水劑應用中出現了一些新問題，如混凝土凝結時間異常、混凝土拌和物長時間冒泡等。初步分析認為，脫硫石膏硫化不完全、水泥或粉煤灰中殘留氮化合物等可能是主要原因，其機理尚需要通過大量的調查、取樣和試驗分析后才能進行準確解釋。

　　5 聚羧酸系高性能減水劑研發、生產和應用中的注意事項

　　5.1 研發和生產

　　5.1.1 產品的功能化

　　聚羧酸分子呈梳形結構，具有自由度大、分子結構可設計性強的優點。通過改變單體原料種類，可使聚羧酸分子中接入不同的基團。由于聚羧酸中各基團對水泥水化的影響有差異，從而可根據實際用途，制備具有特定功能的。即使使用相同的原料單體，亦可通過改變聚醚單體分子量，單體比例和合成溫度等手段對聚合產物的分子結構進行適當調整，使其適應不同的使用環境或具有不同的功能。未來幾年，將從普適型產品向功能型產品方向發展，這些功能型產品可能會具有保坍、早強、減縮、抗黏土吸附、引氣和消泡等中的一種或一種以上特殊功能。

　　(1)保坍型聚羧酸

　　混凝土坍落度損失過快，是預拌混凝土長期面臨的重大難題之一。目前，行業內主要通過聚羧酸后摻法、與緩凝組分復合使用等途徑來解決混凝土的坍損問題，但是技術上和實際應用中均存在一定困難。而開發保坍型聚羧酸來解決預拌混凝土長距離運輸和在較高氣溫下施工的難題具有重要的現實意義。

　　(2)早強型聚羧酸

　　常用的聚羧酸普遍有一定緩凝作用，導致混凝土早期強度發展緩慢，一般1d抗壓強度僅能達到設計強度的15%～25%，在低溫或摻加大量礦物摻和料的情況下，早期強度更低，限制了聚羧酸的應用范圍。因此，研究適用于預制鋼筋混凝土構件，能夠明顯提高混凝土早期強度，加快施工進度，將預制鋼筋混凝土構件的生產期延長至深秋甚至冬季的早強型聚羧酸具有重大的經濟價值和社會意義。

　　(3)減縮型聚羧酸

　　混凝土因收縮而引起的開裂會導致混凝土的強度和耐久性大大降低，從而縮短混凝土的使用壽命。混凝土尤其是高性能混凝土的收縮開裂問題已經引起了工程界的高度重視，聚羧酸雖在一定程度上降低了混凝土的收縮，但仍不能滿足工程的需求。減縮型聚羧酸是指既具有較高的減水率，同時又可減少硬化混凝土干燥收縮的聚羧酸，這種功能型聚羧酸已成為外加劑研究的熱點之一。

　　(4)低引氣緩凝型聚羧酸

　　有些工程需要低引氣和緩凝效果較好的聚羧酸，但常用的聚羧酸無法滿足這一需求。因而需要開發低引氣緩凝型聚羧酸。低引氣緩凝型聚羧酸除了具有普通聚羧酸的性能外，還特別具有緩凝和低引氣作用，因而可用于大體積混凝土、炎熱氣候條件施工的混凝土和長時間停放或遠距離運輸的混凝土等許多混凝土工程中。前已述及，低引氣緩凝型聚羧酸應該含有羥基、羧基、磺酸基、酰胺基和醚基等功能性官能團。

　　(5)抗黏土吸附型聚羧酸

　　集料含泥量大時聚羧酸系減水劑應用效果非常差，究其原因，主要在于集料中的泥若以高嶺土或膨潤土為主，則對聚羧酸系減水劑吸附能力特別強，導致真正發揮分散作用的減水劑分子量減少，因而混凝土坍落度小、坍落度損失快[11]。因此，研制抗黏土吸附聚羧酸，提高聚羧酸在含泥量較高的集料所配制混凝土中的應用效益，是非常必要的。

　　5.1.2 常溫合成

　　在聚羧酸系減水劑的生產方面，如何進一步通過原材料的選用和工藝改進，降低其生產能耗和三廢物排放量，也是工業界所普遍關注的熱點問題。區別于通常的加熱合成工藝(合成溫度在60℃～90℃之間)的常溫合成工藝及因其合成的聚羧酸系減水劑成本較低而開始受到關注。常溫合成工藝生產的建廠成本比加熱合成工藝生產的低，所得聚羧酸系減水劑產品卻更能適應減水劑市場需求的變化，更好地服務于偏遠地區的混凝土工程。但應注意的是，加熱合成工藝生產的優勢在于產品合成的路線方法較多，通過對聚羧酸系減水劑母液官能團的精準設計能獲得具有不同性能特點的產品。

　　根據筆者的取樣試驗研究發現：常溫合成的聚羧酸系減水劑在初始分散性方面，與加熱合成產品處于同一技術水平;在保坍性方面，常溫合成工藝生產的聚羧酸系減水劑與加熱合成產品相比，仍有一定差距，這也限制了常溫合成產品在某些特殊場合下混凝土配制中的應用[12]。因此尚需進一步的研究工作來解決該技術難題。

　　5.1.3 原位合成

　　目前關于聚羧酸系減水劑的研究工作包括新產品開發、工藝改進和應用技術研究三個方面。針對聚羧酸系減水劑合成工藝的創新研究，通過合成工藝的改革，將現有的聚羧酸系減水劑進行性能優化或者達到某種特殊的性能要求是聚羧酸系減水劑性能改進的另一個主要方向，也是目前聚羧酸系減水劑研究的核心內容之一。現有的聚羧酸系減水劑合成工藝均為水溶液聚合，所得產品的含固量一般為20%～40%。在建筑材料市場領域，聚羧酸系減水劑經常需要遠距離運輸，如果在合成時能提高產品含固量，或者直接合成粉體產品，則能大幅度降低產品的運輸成本，提高其市場競爭力。再者，干混砂漿、壓漿料等砂漿產品中所使用的聚羧酸系減水劑產品必須是干粉狀的，國內外針對干混砂漿、壓漿料等砂漿產品的應用，均是將液體聚羧酸系減水劑通過噴霧或離心霧化成粉體，這需消耗大量能源。因此，通過合成工藝的創新和改進，直接合成性能可靠的粉體聚羧酸系減水劑，已成為國內外減水劑行業的一大研究熱點。

　　根據本體聚合反應引發速度快、引發能力強的特點，將自阻聚作用較強的APEG單體在油溶性引發劑的作用下可以大幅提高單體的轉化率，提高有效分子含量。同時本體聚合反應將聚合反應濃度提升到峰值，所得到的產物純凈無水，為聚羧酸系減水劑通過切片粉體化打下基礎。切片粉體化的安全性和所得產品性能優勢遠高于傳統的噴霧或離心霧化成粉工藝。筆者選用APEG及自制具有減縮功能的單體二乙二醇單丁醚單馬來酸酯為聚合反應單體，通過本體聚合反應制備聚羧酸系減水劑，研究了單體摩爾比、聚合溫度以及引發劑的投料方式對產物保塑性能的影響，最后通過混凝土收縮率試驗檢驗了產物的減縮特性[13]。

　　5.2 復配和應用

　　由于聚羧酸系減水劑存在以上技術特點，工程中應嚴格參照《混凝土外加劑應用技術規程》(GB50119-2013)來合理、安全地指導產品應用和施工。本文就聚羧酸系高性能減水劑的應用技術，提出一些看法。

　　5.2.1 關于產品類別和應用范圍

　　聚羧酸系減水劑分為標準型、緩凝型、引氣型和早強型。

　　目前，早強型聚羧酸系減水劑已開始有較成熟的產品，為推進其在預制混凝土中的應用，增加這一產品類別是比較有利的。而引氣型產品則適合于對抗凍融循環性要求高的混凝土工程。因為聚羧酸系減水劑產品的含氣量測試值從1%到10%甚至10%以上，變化范圍很大，所以建議增加引氣型聚羧酸系減水劑的規定，以便將引氣型減水劑與標準型減水劑區分開來，方便使用者正確選擇。

　　根據型態，聚羧酸系減水劑有水溶液和粉劑兩類。

　　5.2.2 關于產品類別的選擇

　　(1)聚羧酸系減水劑產品類別的選擇應根據工程設計和施工要求選擇，通過試驗及技術經濟性的比較確定。

　　(2)嚴禁使用對人體產生危害、對環境產生污染的聚羧酸系減水劑。

　　(3)摻聚羧酸系減水劑的混凝土所用水泥，宜采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥，并應檢驗外加劑與水泥的適應性，符合要求方可使用。

　　(4)摻聚羧酸系減水劑的混凝土所用摻和料，宜采用礦渣粉、粉煤灰、硅灰、石灰石粉以及它們的復合產品等，并應檢驗外加劑與摻和料的適應性，符合要求方可使用。

　　(5)摻外加劑混凝土所用材料如水泥、砂、石、摻和料、外加劑均應符合國家現行的有關標準的規定。試配摻聚羧酸系減水劑的混凝土時，應采用工程使用的原材料，檢測項目應根據設計及施工要求確定，檢測條件應與施工條件相同，當工程所用原材料或混凝土性能要求發生變化時，應再進行試配試驗。

　　(6)嚴禁在工地現場不經檢驗，將聚羧酸系減水劑與其他品種外加劑復配在一起使用。

　　5.2.3 關于產品的檢驗

　　(1)聚羧酸系減水劑進場時，必須提供以下技術文件：產品說明書，應標明產品類別及其主要成分;出廠檢驗報告及合格證;摻外加劑混凝土性能檢驗報告;產品應用范圍及特性等。

　　(2)聚羧酸系減水劑運到工地(或混凝土攪拌站)應立即取代表性樣品進行檢驗。

　　(3)檢驗所用材料如水泥、砂、石、摻和料均應為工程取樣材料，且應符合國家現行有關標準的規定。檢驗采用的混凝土配合比、檢測條件應與施工條件相同，當工程所用原材料或混凝土性能要求發生變化時，應再進行檢驗。

　　5.2.4 計量

　　聚羧酸系減水劑應用時，應嚴格計量，配料控制系統標識應清楚、計量應準確，計量誤差不應大于外加劑用量的1%。

　　5.2.5 產品的復配使用

　　(1)除木質素系減水劑和膨脹劑外，不推薦將聚羧酸系減水劑與其他品種減水劑復配使用。

　　(2)當與其他品種外加劑復合使用時，必須密切注意它們的相容性及對混凝土性能的影響，并進行嚴格的試驗進行復配效果的評價，滿足要求方可使用。

　　5.2.6 產品的運輸與貯存

　　(1)聚羧酸系減水劑的輸送、運輸和貯存不得采用鐵制材料(不銹鋼除外)，而應采用塑料、玻璃等材質。

　　(2)產品運輸、貯存過程中防止水分蒸發和遭受污染。

　　5.2.7 關于二次添加

　　當摻加泵送劑的混凝土從預拌混凝土廠運送至澆注現場，可能由于路途遙遠、堵車或等待澆注的時間過長，混凝土坍落度損失過大，以致于不適于泵送或澆注施工時，可以采用二次添加泵送劑的方法，將一定量泵送劑摻入混凝土運輸攪拌車中快速運轉，至攪拌均勻，測定坍落度符合要求后進行泵送和澆注。

　　原則上，摻加聚羧酸系減水劑的混凝土，因不可預測的原因造成其坍落度損失過大時，也可以采用二次添加減水劑的方法，恢復混凝土的流動性，以免造成混凝土拌和物的浪費。但是由于混凝土拌和物性能對聚羧酸系減水劑的摻量相當敏感，一旦過量很易造成離析、泌水，甚至分層。所以實際施工時，關于聚羧酸系減水劑二次添加與否、二次添加的品種和數量等，應事先進行嚴格試驗，充分驗證其可行性后方可進行。

　　5.2.8 關于混凝土的振搗

　　由于摻加聚羧酸系減水劑制備的混凝土坍落度一般較大，再加上拌和物粘度較低，所以混凝土拌和物澆注后的振搗半徑和振搗時間應通過試驗確定，或應聽從專家指導。振搗半徑過小或振搗時間過長，都很易造成混凝土含氣量嚴重下降、集料相與漿體相嚴重分層等結構缺陷。

　　5.2.9 關于初期養護

　　聚羧酸系減水劑對混凝土干縮性能影響較小，或者說摻加聚羧酸系減水劑不過分增加混凝土的干縮，絕不代表摻加聚羧酸系減水劑的混凝土可以放松甚至取消養護。

　　與摻加其他外加劑的混凝土一樣，摻加聚羧酸系減水劑的混凝土澆注振搗密實后的表面二次抹壓、薄膜覆蓋或噴霧等，對防止其塑性收縮裂縫非常有效。而連續的7d或14d的保濕養護則不僅是混凝土強度正常增長的需要，也是防止其干燥收縮裂縫的保障。

　　5.2.10 其他

　　關于實際工程中聚羧酸系減水劑產品的檢驗和選擇，最好將減水率、坍落度保持性與抗壓強度比相結合。摻聚羧酸系減水劑混凝土所使用的水泥、粉煤灰和礦渣粉中是否能有脫硫石膏的存在，需要謹慎試驗和驗證。摻聚羧酸系減水劑混凝土原材料中砂、石含泥量的限制，也需要進一步與工程施工單位進行商榷。

　　參考文獻

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