聚羧酸类减水剂配制水工大坝混凝土的试验研究

[摘要] 聚羧酸类减水剂是－种新型的高性能混凝土外加剂，与茶系减水剂相比，不仅具有碱含量低，表面张力小，增强效果好等特点，而且还可降低混凝土收缩，延缓水泥水化热，优化水化放热曲线。同时，采用聚羧酸减水剂进行了水工大坝混凝土的配制和全面的性能研究，结果表明:与掺奈系减水剂的大坝混凝土相比，聚羧酸类减水剂有利于提高混凝土和易性，减少混凝土坍落度损失和含气量损失，有利于改善混凝土力学性能，提高杭压和杭拉强度，提高极限拉伸值，弹强比略有降低，还可减少干燥收缩达30%，也可－定程度的减少自身体积变形，有利于降低坝体混凝土早期的温升延缓温升峰值的出现，从而可全面提高大坝混凝土的杭开裂性能。

[关键词] 聚羧酸类减水剂;水工混凝土;大体积混凝土;收缩;水化热

[中图分类号]TU528.042.3 [文献标识码]A [文章编号]1005－6270(2006)06- 0030- 04

0 前言

　　目前，我国水利水电工程建设正处于蓬勃发展阶段，开工规模之大。建设速度之快，令世人瞩目。长江三峡、龙滩、拉西瓦、向家坝、小湾、溪洛度、锦屏等－大批水电站正在建设中，其中大部分为混凝土坝(重力坝、拱坝等)，占拟建和在建的大型水电站的80%以上。这些大型水电工程不仅混凝土工程量大、强度等级多、温控要求严，而且对混凝土质量，特别是耐久性和安全性提出了很高的要求“,2.3] 。 因而，水工大坝工程质量的关键在于混凝土质量，在于混凝土设计和配制是否妥当。

　　水工大坝混凝土浇筑之前，往往需要花几年的时间用于混凝土原材料的优选和配合比的优化，以配制出性能优越的高性能混凝土用于工程中，从而提高并保证工程混凝土质量。实践表明，外加剂是实现混凝土高性能化的关键技术。近十几年来，萘系外加剂为提高水工混凝土质量起到了积极的作用，但采用聚羧酸外加剂配制水工大坝混凝土还少有报道。与萘系外加剂相比，第三代新型的聚羧酸类减水剂具有:掺量低、分散性好、减水率高、增强效果好:坍落度保持能力强;分子结构上自由度大，外加剂制造技术上可控制的参羧多，高性能化的潜力大;合成中不使用强刺激性物质甲醛和强腐蚀性的浓硫酸，对环境不造成任何污染等优点.

　　本文结合水工大坝混凝土的特点，采用工程用原材料，系统对比了聚竣酸类减水剂与萘系减水剂的性能差异。全面试验研究了聚羧酸类减水剂配制的水工大坝混凝土的性能，并与掺奈系减水剂的混凝土进行了对比。

1 原材料

1.1 水泥

　　红塔滇西水泥股份有限公司生产的42.5级中热硅酸盐水泥，其化学成分如表1所示，物理力学性能如表2所示。

1.2 粉煤灰

　　宣威发电粉煤灰开发有限责任公司的I级粉煤灰，其化学成分和物理力学性能分别如表2和表3所示。

1.3 砂

　　由黑云花岗片麻岩砂(以下简称黑云砂)和角闪斜长片麻岩砂(以下简称角闪砂)两种组成的人工砂。黑云砂和角闪砂的干态表观密度分别为2.64g/cm3和2.8飞/cm3，饱和面干态表观密度分别为2.63 g/cm3 和2.85g/ cm3，饱和面干吸水率分别为1.00%和0.90%，石粉含量分别为16,5%和14.9%，细度模羧分别为2.15和2.53。试验过程中，采用黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩混合的人工砂，混合比例为体积比1:1.

1.4 粗骨料

　　山黑云花岗片麻岩石(以下简称黑云石)和角闪斜长片麻岩石(以下简称角闪石)组成的人工碎石骨料。黑云石和角闪石分别由小石、中石、大石、特大石四级粒径组成，各粒径骨料的物理性能如表4所示。进行外加剂试验时，采用两种小石;进行大坝混凝土配制时，采用特大石:大石:中石:小石二3:3:2:2的四级配骨料。试验中黑云花岗片麻岩和角闪斜氏片麻岩两种料骨料的混合比例均为体积比1:101.5 外加剂高效减水剂采用江苏博特新材料有限公司研制并生产的聚羧酸类减水剂JM - PCA(工)和国内某厂家生产的萘系高效减水剂，代号为NA;引气剂采用了某外资企业生产的，代号为AE。减水剂和引气剂的均质性如表4所示。

2 试验方法

　　试验中严格遵守国家标准、电力标准等所规定的试验方法、规程规范，其中主要相关的规范及标准为:

　　(1) 《水工混凝土试验规程》(DL/T5150－2001)

　　(2) 《混凝土外加剂》(GB8076－1997)

　　(3) 《水工混凝土外加剂技术规程》(DL/T5100－1999)

　　(4) 《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151-2001)

　　(5) 《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》(GB200－2003)

　　(6) 《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB17 5－1999)

　　(7) 《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》(DL/T 5055-1996)

　　(8) (混凝土拌和用水标准》(JGJ63－1989)

　　(9) 《 混 凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077-2000)如 国家 标 准与电力标准不一致时，以电力行业标准为准。

3 外加剂性能试验

　　根据相关标准，对所选用的减水剂、引气剂，以及减水剂与引气剂的复合外加剂进行了含气量、减水率、抗压强度比等基本性能的测试，同时进行了外加剂对收缩性能和水化热影响的试验研究。

3.1 外加剂本体的基本性能

　　表5给出了外加剂本体性能试验用配合比及基本性能和抗冻标号的测试结果，从外加剂本体的基本性能测试结果可以看出:

　　(1) J M － PCA( I )本体基本性能。从XGO,X G1,X G2,XG3和XG4的试验结果可以看出:JM－PCA(工)掺量为0.70% , 0.85% , 1.00%和1.15%时的减水率分别为16.8%, 18.5%, 20.0%和20.5%，当掺量为0.85%时减水率大于18%，达到水工工程混凝土对高效减水剂率的要求;随着JM－PCA(工)掺量的提高，混凝土的含气量变化不大，基本上保持在2.0%－2.3%的范围之内;随着JM－PCA(I)掺量的提高，各龄期的抗压强度比均有不同程度的提高。

　　(2) JM－PCA(工)与引气剂的适应性。从XG5的试验结果看出:AE掺量为0.010%时减水率达8.6%，含气量为5.0%，这说明引气剂均具有较好的减水效果和引气作用。

　　从XG6, XG7和XG8的试验结果可以看出:固定JC－PCA(工)的掺量为0.85%，用含气量、减水率和抗压强度比作为评定指标来确定引气剂与JM－PCA(工)的适应性。引气剂掺量从0.010%增加到0.020%, 0.030%,混凝土的含气量从4.8%增加到5.3%,7.1%，表现出良好的含气量随引气剂掺量增加而增大的规律，且减水率和抗压强度比均表现出良好的规律性，说明引气剂与JM-PCA(i)具有良好的适应性。

　　(3) JM－PCA(I )复合外加剂的性能。XG7的试验结果表明:0.85%JM－PCA(工)十0.020%AE复合外加剂的减水率达29.3%，比单纯的0.85%JM－JM－PCA ( I)的减水率同10.8%; 0.85%PCA(1) +0.020%AE复合外加剂的3d,7d和28d的抗压强度比分别达166%,181%和145%。这些说明复合外加剂具有优异的减水作用和增强作用。

　　(4) 与粉煤灰的复合效应。XG9试验结果表明30%粉煤灰取代水泥具有3.7%的减水率。当粉煤灰与JM－PCA(工)同时存在时，减水率达25.1% (见XG10)，大于0.85%JM－PCA(工)的减水率(见XG2)与单掺30%粉煤灰的减水率之和(18.5%+3.7=22.2%);当粉煤灰与JM－PCA( I)复合外加剂同时存在时，减水率达35.4% (见XG11)，大于0.85%JM－PCA( I)复合外加剂的减水率(见XG7)与单掺30%粉煤灰的减水率之和(29.3%+3.7%二33.0%)。这些说明，粉煤灰与JM－PCA(工)减水率及与JM－PCA( I)复合外加剂都具有良好的复合叠加效应，产生更大的减水率。

　　(5) 与萘系复合外加剂相比。对比XG2和XG12,0.7%的NA和0.85%的JM－PCA(工)具有相同的减水率;对比XG7和XG 13，两种减水率与引气剂复合后，JM－PCA(工)复合外加剂的减水率和抗压强度比均大于萘系复合外加剂，说明JM－PCA(工)与引气剂具有更好的减水叠加效应的增强作用;对比XG10和XG 14，在掺30%粉煤灰时，0.85%JM－PCA(工)的减水率达25.1%，比0.7%NA的减水率大2.4%，对比XG 11和XG 15，在掺30%粉煤灰时，JM－PCA( I)复合外加剂的减水率达35.4%，比NA复合外加剂的减水率大1.9%，同时JM－PCA(工)比NA,似及JM－PCA(工)复合外加剂比NA复合外加剂具有更高的抗压强度比，这说明JM－PCA( I)及JM－PCA( I)复合外加剂与粉煤灰有更强的复合叠加效应。

　　(6) JM－PCA( I )及其复合外加剂的抗冻标号。对龄期为28d的掺0.85%JM－PCA( I)混凝土XG2的抗冻标号进行了测试，结果表明掺0.85%JM－PCA(工)混凝土的抗冻标号大于F75，满足规范规定的大于F50的要求;对龄期为28d的掺JM－PCA( I)+ AE复合外加剂混凝土XG7, XG11的抗冻标号进行了测试，结果表明掺复合外加剂的混凝土和粉煤灰混凝土的抗冻标号均大于F250．

3.2 掺外加剂混凝土的干燥收缩性能

　　采用接触式全过程自动变形测试系统，对表5中编号为XGO,XGI,XG2,XG3,XG4和XG 12的掺减水剂混凝土，以及编号为XG 11和XG 15的掺复合外加剂的粉煤灰混凝土的干燥收缩率进行了试验研究，结果见图1和图20(1) 掺减水剂混凝土的干燥收缩从图1的测试结果可以看出，随着龄期的增长，混凝土

的收缩率均不断增加:掺JM－PCA(工)的收缩率均小于基准混凝土的收缩率，而掺萘系减水剂NA混凝土各龄期的收缩率均大于基准混凝土(掺0.70%NA 28d的收缩率比为-114%)，因此掺JM－PCA(工)对减少混凝土收缩，提高工程混凝土的抗裂性是非常有利的;在试验掺量范围内，随着JM－PCA( I)掺量的增加，混凝土的收缩逐渐变小:JM -PCA(工)掺量为0.70%,0.85%,1.00%和1.15%时，棍凝土28d收缩率比分别为90%,88%,84%和76%.

　　(2) 掺复合外加剂的粉煤灰混凝土的干燥收缩从所 测 试 的羧据可以明显的看出，掺JM－PCA(I )十AE复合外加剂混凝土的28d收缩率为231.4 x 10^－6，掺NA十AE复合外加剂的混凝土28d收缩率为297.5 x 1 0^－6,前者仅为后者的78%;而掺JM－PCA(工)十AE复合外加剂

　　混凝土的90d收缩率为301.4x 10^－6，掺NA十AE复合外加剂的混凝土28d收缩率为375.5 x 10^－6，前者仅为后者的80.3%。随着测试时间的延长，掺JM－PCA(工)十AE复合外加剂混凝土的收缩率与掺NA十AE复合外加剂混凝土收缩率的比值略有增大，但掺两种复合外加剂混凝土收缩率的差值却明显增大，28d时两者收缩率的差值为66.1 x10^－6，而90d时两者收缩率的差值为74.1 x 10^－6。因此，聚羧酸类超塑化剂JM－PCA(工)能明显降低混凝土的干缩，提高混凝土抵抗变形的能力。

　　因此，与 NA减水剂和NA复合外加剂相比，JM－PCA(工)减水剂和JM－PCA ( I)复合外加剂均有利于降低混凝土的收缩，提高混凝土抗裂性能。

3.3 掺外加剂的胶凝材料水化热

　　采用直接法对掺入JM－PCA(工)、NA减水剂和JMPCA(工)复合外加剂的胶凝材料(水泥或掺30%粉煤灰的

水泥)的水化热进行了测试，结果列于图3中。从试验结果来看，JM－PCA(工)能明显延缓水泥的水化放热，其效果优于NA，同时JM－PCA(工)能－定程度的降低水泥7d水化热值。另外，在70%水泥十30%粉煤灰的胶凝材料体系中，JM－PCA(工)延缓水泥的水化放热和降低7d水化热值的作用更为明显。掺复合外加剂后，胶凝材料的水化放热值均进一步降低，复合外加剂能明显延缓胶凝材料的水化放热。在70%水泥十30%粉煤灰的胶凝材料体系中，复合外加剂对延缓水泥的水化放热和降低7d水化热值的作用更为明显。

4 结论

　　1) 聚羧酸类减水剂是一种新型的高性能混凝土外加剂，与萘系减水剂相比，不仅具有碱含量低，表面张力小，增强效果好等特点，而且还可降低混凝土收缩，延缓水泥水化热，优化水化放热曲线。

　　2) 与掺萘系减水剂的大坝混凝土相比，聚羧酸类减水剂有利于提高混凝土和易性，减少混凝土坍落度损失和含气量损失，有利于改善混凝土力学性能，提高抗压和抗拉强度，提高极限拉伸值，弹强比略有降低，还可减少干燥收缩达30%，也可－定程度的减少自身体积变形体混凝土早期的温升，延缓温升峰值的出现，高大坝混凝土的抗开裂性能。有利于降低坝从而可全面提。

　　3) 通过试验研究和工程应用可大大推动新型聚羧酸类减水剂在大型水电工程的应用，提高工程质量。也可推动外加剂技术和混凝土技术的进步。

参考文献

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