聚羧酸類減水劑配制水工大壩混凝土的試驗(yàn)研究

[摘要] 聚羧酸類減水劑是－種新型的高性能混凝土外加劑，與茶系減水劑相比，不僅具有堿含量低，表面張力小，增強(qiáng)效果好等特點(diǎn)，而且還可降低混凝土收縮，延緩水泥水化熱，優(yōu)化水化放熱曲線。同時(shí)，采用聚羧酸減水劑進(jìn)行了水工大壩混凝土的配制和全面的性能研究，結(jié)果表明:與摻奈系減水劑的大壩混凝土相比，聚羧酸類減水劑有利于提高混凝土和易性，減少混凝土坍落度損失和含氣量損失，有利于改善混凝土力學(xué)性能，提高杭?jí)汉秃祭瓘?qiáng)度，提高極限拉伸值，彈強(qiáng)比略有降低，還可減少干燥收縮達(dá)30%，也可－定程度的減少自身體積變形，有利于降低壩體混凝土早期的溫升延緩溫升峰值的出現(xiàn)，從而可全面提高大壩混凝土的杭開裂性能。

[關(guān)鍵詞] 聚羧酸類減水劑;水工混凝土;大體積混凝土;收縮;水化熱

[中圖分類號(hào)]TU528.042.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1005－6270(2006)06- 0030- 04

0 前言

目前，我國(guó)水利水電工程建設(shè)正處于蓬勃發(fā)展階段，開工規(guī)模之大。建設(shè)速度之快，令世人矚目。長(zhǎng)江三峽、龍灘、拉西瓦、向家壩、小灣、溪洛度、錦屏等－大批水電站正在建設(shè)中，其中大部分為混凝土壩(重力壩、拱壩等)，占擬建和在建的大型水電站的80%以上。這些大型水電工程不僅混凝土工程量大、強(qiáng)度等級(jí)多、溫控要求嚴(yán)，而且對(duì)混凝土質(zhì)量，特別是耐久性和安全性提出了很高的要求“,2.3] 。 因而，水工大壩工程質(zhì)量的關(guān)鍵在于混凝土質(zhì)量，在于混凝土設(shè)計(jì)和配制是否妥當(dāng)。

水工大壩混凝土澆筑之前，往往需要花幾年的時(shí)間用于混凝土原材料的優(yōu)選和配合比的優(yōu)化，以配制出性能優(yōu)越的高性能混凝土用于工程中，從而提高并保證工程混凝土質(zhì)量。實(shí)踐表明，外加劑是實(shí)現(xiàn)混凝土高性能化的關(guān)鍵技術(shù)。近十幾年來(lái)，萘系外加劑為提高水工混凝土質(zhì)量起到了積極的作用，但采用聚羧酸外加劑配制水工大壩混凝土還少有報(bào)道。與萘系外加劑相比，第三代新型的聚羧酸類減水劑具有:摻量低、分散性好、減水率高、增強(qiáng)效果好:坍落度保持能力強(qiáng);分子結(jié)構(gòu)上自由度大，外加劑制造技術(shù)上可控制的參羧多，高性能化的潛力大;合成中不使用強(qiáng)刺激性物質(zhì)甲醛和強(qiáng)腐蝕性的濃硫酸，對(duì)環(huán)境不造成任何污染等優(yōu)點(diǎn).

本文結(jié)合水工大壩混凝土的特點(diǎn)，采用工程用原材料，系統(tǒng)對(duì)比了聚竣酸類減水劑與萘系減水劑的性能差異。全面試驗(yàn)研究了聚羧酸類減水劑配制的水工大壩混凝土的性能，并與摻奈系減水劑的混凝土進(jìn)行了對(duì)比。

1 原材料

1.1 水泥

紅塔滇西水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分如表1所示，物理力學(xué)性能如表2所示。

1.2 粉煤灰

宣威發(fā)電粉煤灰開發(fā)有限責(zé)任公司的I級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分和物理力學(xué)性能分別如表2和表3所示。

1.3 砂

由黑云花崗片麻巖砂(以下簡(jiǎn)稱黑云砂)和角閃斜長(zhǎng)片麻巖砂(以下簡(jiǎn)稱角閃砂)兩種組成的人工砂。黑云砂和角閃砂的干態(tài)表觀密度分別為2.64g/cm3和2.8飛/cm3，飽和面干態(tài)表觀密度分別為2.63 g/cm3 和2.85g/ cm3，飽和面干吸水率分別為1.00%和0.90%，石粉含量分別為16,5%和14.9%，細(xì)度模羧分別為2.15和2.53。試驗(yàn)過(guò)程中，采用黑云花崗片麻巖和角閃斜長(zhǎng)片麻巖混合的人工砂，混合比例為體積比1:1.

1.4 粗骨料

山黑云花崗片麻巖石(以下簡(jiǎn)稱黑云石)和角閃斜長(zhǎng)片麻巖石(以下簡(jiǎn)稱角閃石)組成的人工碎石骨料。黑云石和角閃石分別由小石、中石、大石、特大石四級(jí)粒徑組成，各粒徑骨料的物理性能如表4所示。進(jìn)行外加劑試驗(yàn)時(shí)，采用兩種小石;進(jìn)行大壩混凝土配制時(shí)，采用特大石:大石:中石:小石二3:3:2:2的四級(jí)配骨料。試驗(yàn)中黑云花崗片麻巖和角閃斜氏片麻巖兩種料骨料的混合比例均為體積比1:101.5 外加劑高效減水劑采用江蘇博特新材料有限公司研制并生產(chǎn)的聚羧酸類減水劑JM - PCA(工)和國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的萘系高效減水劑，代號(hào)為NA;引氣劑采用了某外資企業(yè)生產(chǎn)的，代號(hào)為AE。減水劑和引氣劑的均質(zhì)性如表4所示。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中嚴(yán)格遵守國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、電力標(biāo)準(zhǔn)等所規(guī)定的試驗(yàn)方法、規(guī)程規(guī)范，其中主要相關(guān)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)為:

(1) 《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5150－2001)

(2)《混凝土外加劑》(GB8076－1997)

(3) 《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》(DL/T5100－1999)

(4) 《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5151-2001)

(5) 《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》(GB200－2003)

(6) 《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》(GB17 5－1999)

(7) 《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5055-1996)

(8) (混凝土拌和用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ63－1989)

(9) 《 混 凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077-2000)如 國(guó)家 標(biāo) 準(zhǔn)與電力標(biāo)準(zhǔn)不一致時(shí)，以電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。

3 外加劑性能試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所選用的減水劑、引氣劑，以及減水劑與引氣劑的復(fù)合外加劑進(jìn)行了含氣量、減水率、抗壓強(qiáng)度比等基本性能的測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行了外加劑對(duì)收縮性能和水化熱影響的試驗(yàn)研究。

3.1 外加劑本體的基本性能

表5給出了外加劑本體性能試驗(yàn)用配合比及基本性能和抗凍標(biāo)號(hào)的測(cè)試結(jié)果，從外加劑本體的基本性能測(cè)試結(jié)果可以看出:

(1) J M － PCA( I )本體基本性能。從XGO,X G1,X G2,XG3和XG4的試驗(yàn)結(jié)果可以看出:JM－PCA(工)摻量為0.70% , 0.85% , 1.00%和1.15%時(shí)的減水率分別為16.8%, 18.5%, 20.0%和20.5%，當(dāng)摻量為0.85%時(shí)減水率大于18%，達(dá)到水工工程混凝土對(duì)高效減水劑率的要求;隨著JM－PCA(工)摻量的提高，混凝土的含氣量變化不大，基本上保持在2.0%－2.3%的范圍之內(nèi);隨著JM－PCA(I)摻量的提高，各齡期的抗壓強(qiáng)度比均有不同程度的提高。

(2) JM－PCA(工)與引氣劑的適應(yīng)性。從XG5的試驗(yàn)結(jié)果看出:AE摻量為0.010%時(shí)減水率達(dá)8.6%，含氣量為5.0%，這說(shuō)明引氣劑均具有較好的減水效果和引氣作用。

從XG6, XG7和XG8的試驗(yàn)結(jié)果可以看出:固定JC－PCA(工)的摻量為0.85%，用含氣量、減水率和抗壓強(qiáng)度比作為評(píng)定指標(biāo)來(lái)確定引氣劑與JM－PCA(工)的適應(yīng)性。引氣劑摻量從0.010%增加到0.020%, 0.030%,混凝土的含氣量從4.8%增加到5.3%,7.1%，表現(xiàn)出良好的含氣量隨引氣劑摻量增加而增大的規(guī)律，且減水率和抗壓強(qiáng)度比均表現(xiàn)出良好的規(guī)律性，說(shuō)明引氣劑與JM-PCA(i)具有良好的適應(yīng)性。

(3) JM－PCA(I )復(fù)合外加劑的性能。XG7的試驗(yàn)結(jié)果表明:0.85%JM－PCA(工)十0.020%AE復(fù)合外加劑的減水率達(dá)29.3%，比單純的0.85%JM－JM－PCA ( I)的減水率同10.8%; 0.85%PCA(1) +0.020%AE復(fù)合外加劑的3d,7d和28d的抗壓強(qiáng)度比分別達(dá)166%,181%和145%。這些說(shuō)明復(fù)合外加劑具有優(yōu)異的減水作用和增強(qiáng)作用。

(4) 與粉煤灰的復(fù)合效應(yīng)。XG9試驗(yàn)結(jié)果表明30%粉煤灰取代水泥具有3.7%的減水率。當(dāng)粉煤灰與JM－PCA(工)同時(shí)存在時(shí)，減水率達(dá)25.1% (見XG10)，大于0.85%JM－PCA(工)的減水率(見XG2)與單摻30%粉煤灰的減水率之和(18.5%+3.7=22.2%);當(dāng)粉煤灰與JM－PCA( I)復(fù)合外加劑同時(shí)存在時(shí)，減水率達(dá)35.4% (見XG11)，大于0.85%JM－PCA( I)復(fù)合外加劑的減水率(見XG7)與單摻30%粉煤灰的減水率之和(29.3%+3.7%二33.0%)。這些說(shuō)明，粉煤灰與JM－PCA(工)減水率及與JM－PCA( I)復(fù)合外加劑都具有良好的復(fù)合疊加效應(yīng)，產(chǎn)生更大的減水率。

(5) 與萘系復(fù)合外加劑相比。對(duì)比XG2和XG12,0.7%的NA和0.85%的JM－PCA(工)具有相同的減水率;對(duì)比XG7和XG 13，兩種減水率與引氣劑復(fù)合后，JM－PCA(工)復(fù)合外加劑的減水率和抗壓強(qiáng)度比均大于萘系復(fù)合外加劑，說(shuō)明JM－PCA(工)與引氣劑具有更好的減水疊加效應(yīng)的增強(qiáng)作用;對(duì)比XG10和XG 14，在摻30%粉煤灰時(shí)，0.85%JM－PCA(工)的減水率達(dá)25.1%，比0.7%NA的減水率大2.4%，對(duì)比XG 11和XG 15，在摻30%粉煤灰時(shí)，JM－PCA( I)復(fù)合外加劑的減水率達(dá)35.4%，比NA復(fù)合外加劑的減水率大1.9%，同時(shí)JM－PCA(工)比NA,似及JM－PCA(工)復(fù)合外加劑比NA復(fù)合外加劑具有更高的抗壓強(qiáng)度比，這說(shuō)明JM－PCA( I)及JM－PCA( I)復(fù)合外加劑與粉煤灰有更強(qiáng)的復(fù)合疊加效應(yīng)。

(6) JM－PCA( I )及其復(fù)合外加劑的抗凍標(biāo)號(hào)。對(duì)齡期為28d的摻0.85%JM－PCA( I)混凝土XG2的抗凍標(biāo)號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明摻0.85%JM－PCA(工)混凝土的抗凍標(biāo)號(hào)大于F75，滿足規(guī)范規(guī)定的大于F50的要求;對(duì)齡期為28d的摻JM－PCA( I)+ AE復(fù)合外加劑混凝土XG7, XG11的抗凍標(biāo)號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明摻復(fù)合外加劑的混凝土和粉煤灰混凝土的抗凍標(biāo)號(hào)均大于F250．

3.2 摻外加劑混凝土的干燥收縮性能

采用接觸式全過(guò)程自動(dòng)變形測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)表5中編號(hào)為XGO,XGI,XG2,XG3,XG4和XG 12的摻減水劑混凝土，以及編號(hào)為XG 11和XG 15的摻復(fù)合外加劑的粉煤灰混凝土的干燥收縮率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果見圖1和圖20(1) 摻減水劑混凝土的干燥收縮從圖1的測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土

的收縮率均不斷增加:摻JM－PCA(工)的收縮率均小于基準(zhǔn)混凝土的收縮率，而摻萘系減水劑NA混凝土各齡期的收縮率均大于基準(zhǔn)混凝土(摻0.70%NA 28d的收縮率比為-114%)，因此摻JM－PCA(工)對(duì)減少混凝土收縮，提高工程混凝土的抗裂性是非常有利的;在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，隨著JM－PCA( I)摻量的增加，混凝土的收縮逐漸變小:JM -PCA(工)摻量為0.70%,0.85%,1.00%和1.15%時(shí)，棍凝土28d收縮率比分別為90%,88%,84%和76%.

(2) 摻復(fù)合外加劑的粉煤灰混凝土的干燥收縮從所 測(cè) 試 的羧據(jù)可以明顯的看出，摻JM－PCA(I )十AE復(fù)合外加劑混凝土的28d收縮率為231.4 x 10－6，摻NA十AE復(fù)合外加劑的混凝土28d收縮率為297.5 x 1 0－6,前者僅為后者的78%;而摻JM－PCA(工)十AE復(fù)合外加劑

混凝土的90d收縮率為301.4x 10－6，摻NA十AE復(fù)合外加劑的混凝土28d收縮率為375.5 x 10－6，前者僅為后者的80.3%。隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，摻JM－PCA(工)十AE復(fù)合外加劑混凝土的收縮率與摻NA十AE復(fù)合外加劑混凝土收縮率的比值略有增大，但摻兩種復(fù)合外加劑混凝土收縮率的差值卻明顯增大，28d時(shí)兩者收縮率的差值為66.1 x10－6，而90d時(shí)兩者收縮率的差值為74.1 x 10－6。因此，聚羧酸類超塑化劑JM－PCA(工)能明顯降低混凝土的干縮，提高混凝土抵抗變形的能力。

因此，與 NA減水劑和NA復(fù)合外加劑相比，JM－PCA(工)減水劑和JM－PCA ( I)復(fù)合外加劑均有利于降低混凝土的收縮，提高混凝土抗裂性能。

3.3 摻外加劑的膠凝材料水化熱

采用直接法對(duì)摻入JM－PCA(工)、NA減水劑和JMPCA(工)復(fù)合外加劑的膠凝材料(水泥或摻30%粉煤灰的

水泥)的水化熱進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果列于圖3中。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，JM－PCA(工)能明顯延緩水泥的水化放熱，其效果優(yōu)于NA，同時(shí)JM－PCA(工)能－定程度的降低水泥7d水化熱值。另外，在70%水泥十30%粉煤灰的膠凝材料體系中，JM－PCA(工)延緩水泥的水化放熱和降低7d水化熱值的作用更為明顯。摻復(fù)合外加劑后，膠凝材料的水化放熱值均進(jìn)一步降低，復(fù)合外加劑能明顯延緩膠凝材料的水化放熱。在70%水泥十30%粉煤灰的膠凝材料體系中，復(fù)合外加劑對(duì)延緩水泥的水化放熱和降低7d水化熱值的作用更為明顯。

4 結(jié)論

1) 聚羧酸類減水劑是一種新型的高性能混凝土外加劑，與萘系減水劑相比，不僅具有堿含量低，表面張力小，增強(qiáng)效果好等特點(diǎn)，而且還可降低混凝土收縮，延緩水泥水化熱，優(yōu)化水化放熱曲線。

2) 與摻萘系減水劑的大壩混凝土相比，聚羧酸類減水劑有利于提高混凝土和易性，減少混凝土坍落度損失和含氣量損失，有利于改善混凝土力學(xué)性能，提高抗壓和抗拉強(qiáng)度，提高極限拉伸值，彈強(qiáng)比略有降低，還可減少干燥收縮達(dá)30%，也可－定程度的減少自身體積變形體混凝土早期的溫升，延緩溫升峰值的出現(xiàn)，高大壩混凝土的抗開裂性能。有利于降低壩從而可全面提。

3) 通過(guò)試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用可大大推動(dòng)新型聚羧酸類減水劑在大型水電工程的應(yīng)用，提高工程質(zhì)量。也可推動(dòng)外加劑技術(shù)和混凝土技術(shù)的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊華全，李文偉.水工混凝土研究與應(yīng)用[M].中國(guó)水利水電出版社，2005.

[2] 李金玉，曹建國(guó)，等.中國(guó)的水電行業(yè)及混凝土外加劑市場(chǎng)發(fā)展的新機(jī)遇[J].混凝土，2004(1).

[3] 廖國(guó)勝，馬保國(guó)丙烯酸系減水劑在水工混凝土中的應(yīng)用[J].混凝土，2004(9).

[4] 冉千平，游有魷，周偉玲聚羧酸類高效減水劑現(xiàn)狀及研究方向[J].新型建筑材料，2001(12).

[7] 冉千平，丁蓓，等.羧酸系混凝土超塑化劑與茶系減水劑的性能比較[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004.