聚羧酸高性能減水劑在南水北調(diào)箱涵混凝土中的應(yīng)用

摘 要：南水北調(diào)工程是舉世聞名的重點(diǎn)工程，對(duì)混凝土的要求更是精益求精，為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，在選擇混凝土配合比時(shí)，對(duì)外加劑的選擇更是苛刻。聚羧酸系高性能減水劑以其摻量小、減水率高、強(qiáng)度高、低堿低氯又環(huán)保的特點(diǎn)在南水北調(diào)中線天津干線TJ2-1標(biāo)建設(shè)中，使混凝土質(zhì)量經(jīng)過(guò)了考驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：聚羧酸高性能減水劑；南水北調(diào)天津干線；箱涵混凝土

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.088

1 工程概況

天津干線工程保定市1段TJ2-1標(biāo)段是南水北調(diào)的中線一期工程， 位于河北省保定市的徐水縣境內(nèi)，全長(zhǎng)約9.883Km。為3孔4.4m×4.4m現(xiàn)澆有壓混凝土輸水箱涵，起訖樁號(hào)為XW15+200～XW25+083，混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C30W6F150。設(shè)計(jì)混凝土用量約30.1萬(wàn)方。

2 聚羧酸高性能減水劑的特點(diǎn)

聚羧酸高性能減水劑是通過(guò)單體的多元性聚合而制備的一種新型減水劑。由于獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，該減水劑通過(guò)靜電斥力及空間位置的雙重作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水利顆粒的分散，表現(xiàn)出優(yōu)異的分散性保持能力。

（1）該產(chǎn)品具有摻量低、減水率高的特點(diǎn)：高達(dá)40%的減水率特點(diǎn)，適用于配制較高強(qiáng)和高性能的混凝土；

（2）坍落度經(jīng)時(shí)損失小的特點(diǎn)：預(yù)拌混凝土1h坍落度的損失值低于15%，這不僅有利于混凝土的長(zhǎng)距離運(yùn)輸對(duì)泵送施工也非常有利；

（3）混凝土工作性好的特點(diǎn)：在高坍落度的情況下，混凝土如果是用聚羧酸高性能減水劑配制而成的，離析和泌水的現(xiàn)象就不會(huì)特別嚴(yán)重，外觀上來(lái)看顏色也比較均一。流動(dòng)性高土、自密實(shí)和清水飾面的混凝土也比較適用。若將聚羧酸配制高標(biāo)號(hào)混凝土，混凝土的工作性會(huì)變好、粘聚性增強(qiáng)，也更容易攪拌。能降低水泥早期水化熱，有利于夏季施工；

（4）適應(yīng)性優(yōu)良的特點(diǎn)：與水泥、摻和料相容性好；

（5）混凝土收縮小的特點(diǎn)：可以使混凝土的收縮性明顯降低，同時(shí)混凝土體積的穩(wěn)定性和耐久性得到顯著提高；

（6）含堿量非常低的特點(diǎn)：含堿量≤0.2%，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生混凝土堿骨料反應(yīng)；

（7）產(chǎn)品穩(wěn)定性好的特點(diǎn)：不僅長(zhǎng)期儲(chǔ)存不會(huì)出現(xiàn)分層和沉淀現(xiàn)象，而且低溫時(shí)不會(huì)析出結(jié)晶；

（8）產(chǎn)品綠色環(huán)保的特點(diǎn)：該產(chǎn)品是無(wú)毒無(wú)害的綠色環(huán)保產(chǎn)品，符合可持續(xù)發(fā)展的理念；

（9）經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)：同使用其它類型的產(chǎn)品相比，工程綜合造價(jià)較低，相同的條件下可以節(jié)省15-25%的水泥用量；

（10）使用聚羧酸高效減水劑有方便、安全和高效的好處，但有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在一定的局限性，以下問(wèn)題在施工生產(chǎn)的過(guò)程中有可能會(huì)遇到。①?gòu)臄嚢柢囍行冻鰰r(shí)比較困難，原因分析：水泥和聚羧酸的嚴(yán)重不適應(yīng)性可能是這一問(wèn)題的主要原因。應(yīng)對(duì)措施：在開盤前對(duì)每一批要使用的水泥做一次復(fù)配試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)采用施工配合比。②在混凝土的拌和物坍的落度突然變大或者泌水的情況下，這批水泥和減水劑會(huì)有相對(duì)較好的適應(yīng)性。應(yīng)對(duì)措施：對(duì)外加劑的摻量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。③硬化之后表面會(huì)產(chǎn)生氣泡，原因分析：為了施工方便，使用時(shí)加大了減水劑摻量。應(yīng)對(duì)措施：施工時(shí)嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行，對(duì)施工的工藝進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)施工的管理進(jìn)一步加強(qiáng)。④混凝土在凝結(jié)硬化時(shí)較慢，原因分析：養(yǎng)護(hù)的溫度達(dá)不到或者加大了減水劑的摻量。應(yīng)對(duì)措施：施工時(shí)嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行，將養(yǎng)護(hù)的時(shí)間延長(zhǎng)。⑤和實(shí)際的設(shè)計(jì)值相比混凝土的坍落度有較明顯的差異，原因分析：混合使用了兩種外加劑，會(huì)產(chǎn)生不相容的情況。應(yīng)對(duì)措施：先做相容性試驗(yàn)再使用，根據(jù)情況對(duì)摻配比例進(jìn)行調(diào)整。

3 聚羧酸高性能減水劑的作用機(jī)理

水泥水化過(guò)程中表面活性劑起的減水作用是一種非常重要的作用。在混凝土工作性不受影響的情況下，減水劑可以減少單位用水量；或者在單位用水量沒有改變的情況下，混凝土的工作性可以得到改善；或者在以上兩種效果都具有的情況下，含氣量的外加劑沒有被顯著改變。

與水混合攪拌后，水泥會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，一些絮凝狀的結(jié)構(gòu)會(huì)隨之出現(xiàn)，很多的拌和水會(huì)包裹其中，新拌的混凝土的和易性（也稱為工作性，主要指的是在施工中新鮮的混凝土，在經(jīng)過(guò)了攪拌、運(yùn)輸和澆灌等的過(guò)程中，沒有發(fā)生分層離析的現(xiàn)象，仍然能保持均勻而又密實(shí)的良好性能）會(huì)因此而有所降低。為了和易性在施工過(guò)程中得到保持，拌和水量就必須相應(yīng)的有所增加，如果增加水量，水泥石結(jié)構(gòu)中就會(huì)形成相對(duì)較多的孔隙，硬化混凝土的物理力學(xué)性能就會(huì)受到嚴(yán)重的影響，如果這些包裹的水分可以被釋放出來(lái)，這樣就可大大地減少混凝土的用水量。在凝土制備的混過(guò)程當(dāng)中，如果在摻入其中適量的減水劑，就可以明顯地起到這樣的作用。

將減水劑摻入混凝土中后，其憎水基團(tuán)會(huì)在水泥顆粒的表面發(fā)生定向的吸附，而其親水基團(tuán)會(huì)指向水溶液，這樣就會(huì)形成單分子或者多分子層的吸附膜。因?yàn)楸砻婊钚詣┯卸ㄏ蛭降淖饔?，水泥膠粒的表面就會(huì)有相同符號(hào)的電荷產(chǎn)生，由于同性相斥，其產(chǎn)生的作用力，不僅可以使水泥-水體系的相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)得到保持，而且可以讓在加水初期水泥所形成的絮凝狀的結(jié)構(gòu)分散解體，這樣一來(lái)絮凝結(jié)構(gòu)內(nèi)的水就會(huì)被釋放出來(lái)，從而達(dá)到減水效果。加入減水劑之后，一方面可以改善新拌的混凝土的和易性，另一方面由于混凝土中的水灰比會(huì)有相對(duì)較大幅度下降的原因，混凝土的內(nèi)部孔隙的體積就會(huì)明顯地減少，這樣混凝土就更加地致密，混凝土抗壓的強(qiáng)度就會(huì)得到顯著的提高。加入的減水劑，對(duì)水泥水化的速度和凝結(jié)的時(shí)間也都會(huì)產(chǎn)生影響。在實(shí)際應(yīng)用中，這些性質(zhì)都是十分重要的。

4 聚羧酸的高性能減水劑的摻量對(duì)拌合物的影響

混凝土可以其實(shí)現(xiàn)高性能化，聚羧酸的減水劑是非常關(guān)鍵的技術(shù)，其摻量是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中需要特別注意的，如果摻量過(guò)高的話有可能會(huì)造成一定的質(zhì)量事故，比如產(chǎn)生混凝土泌水的現(xiàn)象或者離析的現(xiàn)象，甚至?xí)档突炷恋膹?qiáng)度，也會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的損失；如果摻量過(guò)少的話又不能實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有的效果。

5 聚羧酸高性能減水劑在南水北調(diào)中線天津干線工程保定市1段TJ2-1標(biāo)段建設(shè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

（1）該工程的主體結(jié)構(gòu)是混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)是C30，抗?jié)B等級(jí)是W6，抗凍等級(jí)是F150。建筑物的部分混凝土等級(jí)不完全相同，以相應(yīng)的圖紙說(shuō)明為依據(jù)。該工程的外加劑是主要是TY-6A聚羧酸的高性能減水劑，生產(chǎn)企業(yè)是河北省鐵園科技發(fā)展有限公司，由于建筑物的部分混凝土等級(jí)不是完全一樣，其配合比也就不會(huì)完全相同。以TY-6A聚羧酸的高性能減水劑為舉例，其摻量占比為0.7%，下表1是聚羧酸的高性能的減水劑的檢驗(yàn)結(jié)果：

檢驗(yàn)的混凝土是用聚羧酸的高效減水劑TY-6A（液體）配制的，表中所列檢驗(yàn)項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)均符合JG/T223-2007的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）C30、W6及F150的箱涵主體結(jié)構(gòu)混凝土配合比的試驗(yàn)。試驗(yàn)試拌的混凝土選用的鼎鑫P·O42.5等級(jí)的水泥，表2和表3顯示的是聚羧酸的高效減水劑TY-6A（液體）的試拌方案和試驗(yàn)結(jié)果。

注：①鼎鑫P·O42.5等級(jí)的水泥是選用恒盛砂場(chǎng)的中砂、石亢料場(chǎng)的碎石以及河北鐵園外加劑配制而成的。

②28d抗壓強(qiáng)度和膠水比的回歸方程式如下：

Y=22.765X-12.541 相關(guān)系數(shù)r=1.000

其中：X表示膠水比；Y表示混凝土28d的抗壓強(qiáng)度（MPa）。

③從上表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)C30、W6及F150（泵送）混凝土試驗(yàn)，摻入比例為0.7%的聚羧酸高性能減水劑TY-6A，坍落度分別是173mm、177mm及187mm，可以滿足設(shè)計(jì)的要求，觀察現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，混凝土的和易性較好，既沒有泌水也沒有發(fā)生離析的現(xiàn)象，可以滿足施工技術(shù)的要求，28d的強(qiáng)度最低可以達(dá)到32.9Mpa，最高可以達(dá)到44.3Mpa，可以滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度，由此試圖推薦如下表的施工配合比：

注：①鼎鑫P·O42.5等級(jí)的水泥是選用恒盛砂場(chǎng)的中砂、石亢料場(chǎng)的碎石以及河北鐵園外加劑配制而成的。

②通過(guò)對(duì)上表4所推薦的混凝土進(jìn)行檢測(cè)顯示，該施工配合比拌制的混凝土各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，如下表5所示：

6 結(jié)論

天津干線工程的保定市1段TJ2-1即南水北調(diào)的中線一期工程的標(biāo)段全都是有壓的輸水箱涵，并且被深埋在地下，受到周圍環(huán)境的影響相對(duì)較大，比如溫度、濕度和周圍的大氣以及地質(zhì)情況還有當(dāng)?shù)氐乃臈l件，其所承受的壓力既有內(nèi)部的也有外部的，相對(duì)來(lái)說(shuō)極為復(fù)雜。本標(biāo)段選用的氣象資料是由徐水氣象站發(fā)布的氣象資料：本標(biāo)段的平均氣溫是11.8℃。其中哦1～2月份的氣溫是最低的，1月份的平均氣溫是-4.9℃，極端的最低氣溫是-26.7℃。7月份的氣溫是最高的，月平均氣溫是24.9℃，極端的最高氣溫是42.1℃。根據(jù)徐水氣象站的多年實(shí)測(cè)的資料顯示發(fā)現(xiàn)，在冬季，地面的凍結(jié)深度最大是0.70m，地面的最早的穩(wěn)定凍結(jié)日期是11月21日，最晚的穩(wěn)定凍結(jié)日期是12月29日；開始解凍的最早日期是1月18日，開始解凍的最晚日期是為3月8日。工程區(qū)的凍土類型是屬于季節(jié)性的凍土。

（1）因此較強(qiáng)的抗?jié)B性能、較好的抗凍性能、較高的耐久性的特點(diǎn)是該工程混凝土應(yīng)具備的，聚羧酸的高性能減水劑應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮作為主要的外加劑來(lái)使用。聚羧酸的高性能減水劑經(jīng)過(guò)了實(shí)踐的應(yīng)用，可以確?；炷猎诓鹉：笃渫庥^質(zhì)量不僅光潔平滑、色澤比較均勻而且尺寸比較平整，甚至可以說(shuō)幾乎是達(dá)到了清水混凝土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

（2）天津干線工程的保定市1段TJ2-1即南水北調(diào)的中線一期工程標(biāo)段在使用了主體結(jié)構(gòu)混凝土后表明，混凝土符合了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)很大程度上得益于聚羧酸的高性能減水劑的使用，并且摻量較低而減水率較高，較好的增強(qiáng)了使用效果和適應(yīng)性能，施工也非常方便，節(jié)約了成本獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益；總體的堿的含量、氯離子的含量和硫酸鈉的含量都較低，這樣就不會(huì)銹蝕鋼筋而且是無(wú)毒無(wú)害的綠色環(huán)保產(chǎn)品，滿足了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。因此，聚羧酸的高性能減水劑是工程配制混凝土極其的理想材料，可以在鐵路、公路、水利水電、工業(yè)和民用建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：劉志森（1983-），男，河北冀州人，工學(xué)學(xué)士，研究方向：橋梁工程。