聚羧酸類減水劑配制水工大壩混凝土的試驗研究

[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，增強效果好等特點，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，采用聚羧酸減水劑進行了水工大壩混凝土的配制和全面的性能研究，結果表明: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性能，提高杭壓和杭拉強度，提高極限拉伸值，彈強比略有降低，還可減少干燥收縮達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]TU528.042.3 [文獻標識碼]A [文章編號]1005－6270(2006)06- 0030- 04

0 前言

　　目前，我國水利水電工程建設正處于蓬勃發(fā)展階段，開工規(guī)模之大。建設速度之快，令世人矚目。長江三峽、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、強度等級多、溫控要求嚴，而且對混凝土質量，特別是耐久性和安全性提出了很高的要求“,2.3] 。 因而，水工大壩工程質量的關鍵在于混凝土質量，在于混凝土設計和配制是否妥當。

　　水工大壩混凝土澆筑之前，往往需要花幾年的時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量。實踐表明，外加劑是實現(xiàn)混凝土高性能化的關鍵技術。近十幾年來，萘系外加劑為提高水工混凝土質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、增強效果好:坍落度保持能力強;分子結構上自由度大，外加劑制造技術上可控制的參羧多，高性能化的潛力大;合成中不使用強刺激性物質甲醛和強腐蝕性的濃硫酸，對環(huán)境不造成任何污染等優(yōu)點.

　　本文結合水工大壩混凝土的特點，采用工程用原材料，系統(tǒng)對比了聚竣酸類減水劑與萘系減水劑的性能差異。全面試驗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行了對比。

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級中熱硅酸鹽水泥，其化學成分如表1所示，物理力學性能如表2所示。

1.2 粉煤灰

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

1.3 砂

　　由黑云花崗片麻巖砂(以下簡稱黑云砂)和角閃斜長片麻巖砂(以下簡稱角閃砂)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%，細度模羧分別為2.15和2.53。試驗過程中，采用黑云花崗片麻巖和角閃斜長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(以下簡稱黑云石)和角閃斜長片麻巖石(以下簡稱角閃石)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、特大石四級粒徑組成，各粒徑骨料的物理性能如表4所示。進行外加劑試驗時，采用兩種小石;進行大壩混凝土配制時，采用特大石:大石:中石:小石二3:3:2:2的四級配骨料。試驗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)和國內某廠家生產(chǎn)的萘系高效減水劑，代號為NA;引氣劑采用了某外資企業(yè)生產(chǎn)的，代號為AE。減水劑和引氣劑的均質性如表4所示。

2 試驗方法

　　試驗中嚴格遵守國家標準、電力標準等所規(guī)定的試驗方法、規(guī)程規(guī)范，其中主要相關的規(guī)范及標準為:

　　(1) 《水工混凝土試驗規(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規(guī)程》(DL/T5100－1999)

　　(4) 《水工混凝土砂石骨料試驗規(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規(guī)范》(DL/T 5055-1996)

　　(8) (混凝土拌和用水標準》(JGJ63－1989)

　　(9) 《 混 凝土外加劑勻質性試驗方法》(GB/T 8077-2000)如 國家 標 準與電力標準不一致時，以電力行業(yè)標準為準。

3 外加劑性能試驗

　　根據(jù)相關標準，對所選用的減水劑、引氣劑，以及減水劑與引氣劑的復合外加劑進行了含氣量、減水率、抗壓強度比等基本性能的測試，同時進行了外加劑對收縮性能和水化熱影響的試驗研究。

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用配合比及基本性能和抗凍標號的測試結果，從外加劑本體的基本性能測試結果可以看出:

　　(1) J M － PCA( I )本體基本性能。從XGO,X G1,X G2,XG3和XG4的試驗結果可以看出:JM－PCA(工)摻量為0.70% , 0.85% , 1.00%和1.15%時的減水率分別為16.8%, 18.5%, 20.0%和20.5%，當摻量為0.85%時減水率大于18%，達到水工工程混凝土對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;隨著JM－PCA(I)摻量的提高，各齡期的抗壓強度比均有不同程度的提高。

　　(2) JM－PCA(工)與引氣劑的適應性。從XG5的試驗結果看出:AE摻量為0.010%時減水率達8.6%，含氣量為5.0%，這說明引氣劑均具有較好的減水效果和引氣作用。

　　從XG6, XG7和XG8的試驗結果可以看出:固定JC－PCA(工)的摻量為0.85%，用含氣量、減水率和抗壓強度比作為評定指標來確定引氣劑與JM－PCA(工)的適應性。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，且減水率和抗壓強度比均表現(xiàn)出良好的規(guī)律性，說明引氣劑與JM-PCA(i)具有良好的適應性。

　　(3) JM－PCA(I )復合外加劑的性能。XG7的試驗結果表明:0.85%JM－PCA(工)十0.020%AE復合外加劑的減水率達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復合外加劑的3d,7d和28d的抗壓強度比分別達166%,181%和145%。這些說明復合外加劑具有優(yōu)異的減水作用和增強作用。

　　(4) 與粉煤灰的復合效應。XG9試驗結果表明30%粉煤灰取代水泥具有3.7%的減水率。當粉煤灰與JM－PCA(工)同時存在時，減水率達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%);當粉煤灰與JM－PCA( I)復合外加劑同時存在時，減水率達35.4% (見XG11)，大于0.85%JM－PCA( I)復合外加劑的減水率(見XG7)與單摻30%粉煤灰的減水率之和(29.3%+3.7%二33.0%)。這些說明，粉煤灰與JM－PCA(工)減水率及與JM－PCA( I)復合外加劑都具有良好的復合疊加效應，產(chǎn)生更大的減水率。

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

　　(6) JM－PCA( I )及其復合外加劑的抗凍標號。對齡期為28d的摻0.85%JM－PCA( I)混凝土XG2的抗凍標號進行了測試，結果表明摻0.85%JM－PCA(工)混凝土的抗凍標號大于F75，滿足規(guī)范規(guī)定的大于F50的要求;對齡期為28d的摻JM－PCA( I)+ AE復合外加劑混凝土XG7, XG11的抗凍標號進行了測試，結果表明摻復合外加劑的混凝土和粉煤灰混凝土的抗凍標號均大于F250．

3.2 摻外加劑混凝土的干燥收縮性能

　　采用接觸式全過程自動變形測試系統(tǒng)，對表5中編號為XGO,XGI,XG2,XG3,XG4和XG 12的摻減水劑混凝土，以及編號為XG 11和XG 15的摻復合外加劑的粉煤灰混凝土的干燥收縮率進行了試驗研究，結果見圖1和圖20(1) 摻減水劑混凝土的干燥收縮從圖1的測試結果可以看出，隨著齡期的增長，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混凝土(摻0.70%NA 28d的收縮率比為-114%)，因此摻JM－PCA(工)對減少混凝土收縮，提高工程混凝土的抗裂性是非常有利的;在試驗摻量范圍內，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，棍凝土28d收縮率比分別為90%,88%,84%和76%.

　　(2) 摻復合外加劑的粉煤灰混凝土的干燥收縮從所 測 試 的羧據(jù)可以明顯的看出，摻JM－PCA(I )十AE復合外加劑混凝土的28d收縮率為231.4 x 10^－6，摻NA十AE復合外加劑的混凝土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復合外加劑

　　混凝土的90d收縮率為301.4x 10^－6，摻NA十AE復合外加劑的混凝土28d收縮率為375.5 x 10^－6，前者僅為后者的80.3%。隨著測試時間的延長，摻JM－PCA(工)十AE復合外加劑混凝土的收縮率與摻NA十AE復合外加劑混凝土收縮率的比值略有增大，但摻兩種復合外加劑混凝土收縮率的差值卻明顯增大，28d時兩者收縮率的差值為66.1 x10^－6，而90d時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復合外加劑相比，JM－PCA(工)減水劑和JM－PCA ( I)復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

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

水泥)的水化熱進行了測試，結果列于圖3中。從試驗結果來看，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。摻復合外加劑后，膠凝材料的水化放熱值均進一步降低，復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，復合外加劑對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，增強效果好等特點，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性能，提高抗壓和抗拉強度，提高極限拉伸值，彈強比略有降低，還可減少干燥收縮達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) 通過試驗研究和工程應用可大大推動新型聚羧酸類減水劑在大型水電工程的應用，提高工程質量。也可推動外加劑技術和混凝土技術的進步。

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