一种聚羧酸减水剂在C30混凝土中的复配应用

郭翠芬，李兴昌，黄文辉，陈晶

（1. 北京华信高技术有限公司，北京 100024；2. 建筑材料工业技术监督研究中心，北京 100024；3. 建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

0 应用背景

该 C30 预拌混凝土主要由兰州某搅拌站负责生产。要求该混凝土初始坍落度为 (210±10)mm，1h 坍落度基本没有损失，无离析无泌水，初凝不早于 16h，终凝不超过 20h，其 28d 抗压强度不低于设计强度的115%。

前期该搅拌站一直在使用萘系减水剂，由于萘系减水剂本身的局限性，如保坍性能较差，以及合成萘系减水剂所用到的工业萘、浓硫酸、甲醛等有毒危险原材料不仅不利于环保，而且对试验人员伤害很大。一方面是响应搅拌站的要求，另一方面是公司为了推广该 PC 母液的应用，从而达到主营产品由萘系减水剂向聚羧酸系减水剂的转型，将所合成的 PC 母液在该搅拌站 C30 预拌混凝土中进行了应用。

1 试验研究

1.1 原材料和仪器

（1）水泥：中材甘肃水泥有限责任公司 P·O42.5普通硅酸盐水泥，主要性能指标如表 1。

表 1 甘肃中材水泥物理性能指标

（2）粉煤灰：甘肃三美建材科技有限公司 F 类 Ⅱ级粉煤灰，主要性能指标如表 2。

表 2 粉煤灰的主要性能指标 %

（3）矿粉：兰州宏盛建材科技有限公司 S95 级矿粉，主要性能指标如表 3。

表 3 矿粉的主要性能指标

（4）河砂，产自景泰，主要性能指标如表 4。

表 4 细骨料的主要性能指标

（5）碎石：粒径为 5～25mm，产自景泰。主要性能指标如表 5。

表 5 粗骨料的主要性能指标 %

（6）PC 母液

1）匀质性

根据 GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》，对所合成的 PC 母液行了匀质性检测，结果如表 6。由表 6 可知，所合成的减水剂母液中氯离子含量几乎为零，对钢筋没有任何锈蚀作用。

表 6 PC 母液匀质性指标

2）混凝土性能评价

表 7 混凝土性能评价指标

按照国家标准 GB 8076—2008《混凝土外加剂》，采用甘肃中材 P·O42.5 水泥，对 PC 母液进行了混凝土性能检测，减水剂折固掺量为胶凝材料总量的 0.20%，各项性能指标符合标准型高性能减水剂指标要求，结果如表 7。

（7）保坍型聚羧酸系减水剂母液：甘肃中昊建材有限公司合成的 PC-501 母液，符合相关标准的规定。

（8）引气组分：上海美加净日化有限公司生产的十二烷基硫酸钠。

（9）缓凝组分：山东福洋生物科技有限公司生产的葡萄糖酸钠。

（10）水：兰州当地地下水。

1.2 试验仪器

主要性能检测仪器如表 8。

表 8 性能检测仪器

1.3 C30 预拌混凝土配合比

试验采用的 C30 预拌混凝土配合比如表 9。

表 9 C30 预拌混凝土配合比 kg/m3

2 结果与讨论

2.1 确定减水组分和保坍组分

由于混凝土的运输和施工工艺等限制，混凝土经时损失成为了一个必须考虑的问题，经时损失主要是由于浆体中的流动水少，从而造成了水泥粒子的凝聚，一般的解决方法就是在减水型母液的基础上复配保坍型母液。减水剂复配思路为：首先通过调整减水型母液和保坍型母液的比例，使得新拌混凝土初始流动性好、经时损失小、无离析泌水现象。试验中减水型母液选用的是所合成的 PC 母液，保坍型母液选用公司生产的 PC-501 母液。为保证公司的盈利，每 100g 减水剂成品中母液总量控制在 29g 以下，由于该搅拌站的砂石含泥量较高，减水剂在泥土表面的吸附量会增加，因此母液的掺量要大一些，确定母液掺量为 28.5g。试验结果如表10。

由表 10 可知，当 PC 母液和 PC-501 母液掺量分别为 22.5g 和 6g 时，混凝土初始坍落度达到 215mm，但是新拌混凝土和易性差，出现离析泌水的现象，而且混凝土经时损失大。表明减水组分应下调，保坍组分上调，在 A2、A3 和 A4 试验中，虽然减水组分减少，混凝土的初始坍落度和扩展度都有所下降，但经时损失明显降低。在 A3 试验中，PC 母液为 19.5g、PC-501 母液为 9g 时，初始和 1h 的混凝土和易性良好，经时损失小。所以确定该 C30 预拌混凝土所用聚羧酸减水剂每100g 减水剂成品中减水组分和保坍组分的掺量分别为19.5g 和 9g。

2.2 确定缓凝组分

通过上述试验，基本确定了减水剂母液的掺量，相比之下得到和易性良好的新拌混凝土，减水剂母液对凝结时间一般没有很大的影响，目前主要是复配缓凝组分来控制混凝土的凝结时间，此外加入缓凝组分还能一定程度地减小经时损失，进一步提高混凝土的工作性能。

一般常用的缓凝组分可分为三类：第一类为碳水化合物糖类，如蔗糖、葡萄糖等，这类缓凝剂的优点是缓凝作用明显，但对掺量以及温度很敏感；第二类是羟基羧酸盐类，如葡萄糖酸钠，其优点是与水泥的相容性好，能够有效地控制混凝土的经时损失，但不耐高温；第三类是无机盐类，如三磷酸钠和硼砂，其优点是缓凝作用稳定，缺点是硼砂有毒，口服对人体有害。前两类的缓凝组分的作用机理主要是由于羟基与水泥粒子吸附形成吸附膜从而阻碍了水泥水化，起到缓凝作用。第三类无机盐类与前两类的作用机理不同，其中三聚磷酸钠在水泥浆中水解为正磷酸盐，与 Ca2+形成络合物，从而降低水泥浆体中 Ca2+浓度，抑制 Ca(OH)2的析出和水泥水化的过程，起到缓凝的作用。

表 10 减水组分和保坍组分的确定试验

一般减水剂厂家最常选用的缓凝组分是蔗糖和葡萄糖酸钠，缓凝效果好，价格也低廉，无毒无害。试验选用的缓凝组分是葡萄糖酸钠，在 A3 试验基础上加入缓凝组分，试验结果如表 11。

表 11 缓凝组分的确定试验

由表 11 可知，缓凝组分的加入在一定程度上对混凝土的工作性能是有帮助的，葡萄糖酸钠的掺量逐渐增加，混凝土的坍落度和扩展度也有所增大，但主要还是对混凝土凝结时间的影响。试验中主要是增大葡萄糖酸钠掺量，从而延长混凝土凝结时间，来满足这个施工季节混凝土对凝结时间的要求，当时的施工季节是兰州的九月底，白天平均温度为 21℃，夜晚平均温度 11℃。当葡萄糖酸钠掺量为零时，初凝时间为 350min，终凝时间为 570min，混凝土初凝、终凝太快。当掺量增加到 5g 时，初凝时 970min，终凝时间为 1170min，满足要求。最终确定每 100g 减水剂成品中葡萄糖酸钠的掺量为 5g，满足当季度 C30 预拌混凝土对凝结时间的要求。

2.3 确定引气组分

工程使用的引气剂一般有可溶性树脂酸盐、十二烷基硫酸钠以及磺化石油类的可溶性盐等。引气剂是一种憎水性表面活化剂，活性作用主要发生在水、气界面上，亲水基团插入在水中，疏水基团插入到空气一侧，降低了表面张力，形成气泡。外加剂引气性能作为评价外加剂性能的一个重要指标，对混凝土工作性能、力学性能以及耐久性能都有一定的影响。新拌混凝土经常出现离析、泌水现象，引气剂的掺入会引入大量微小、均匀的气泡，从而改善混凝土的工作性。Gye-Gyu Lim[1]研究认为，在新拌混凝土中引入气泡，起到了润滑的作用，能有效改善新拌混凝土的离析、泌水现象。搅拌站要求混凝土含气量应小于等于 4%，此时对强度性能不会有太大的影响，一般混凝土中含气量增加 1%，强度则下降 5% 左右。由于引气剂引入气泡的直径都是微米级的，可以有效地封闭有害的通道，减少渗透通道，并且混凝土受冻时，可以吸收膨胀应力，提高混凝土的抗渗性和抗冻性，从而改善混凝土的耐久性。

为了改善混凝土的和易性，在 B3 的试验基础上复配引气组分，引气组分选用十二烷基硫酸钠，试验结果如表 12。

表 12 引起组分的试验确定

由表 12 可知，随着引气组分掺量的增加，含气量逐渐增大，混凝土强度有所降低，但新拌混凝土和易性越来越好。当掺量为零时，混凝土初始坍落度、1h 坍落度以及力学性能是满足要求的，但混凝土状态较差，粘重。当掺量增加到 0.03g 时，相比 C1 试验来说，混凝土状态有了很大的提升。当掺量为 0.05g 时，初始坍落度和 1h 坍落度分别为 220mm 和 215mm，1h 基本没有损失，新拌混凝土状态良好，混凝土变软变轻，没有离析泌水现象，此时混凝土含气量为 3.6%，28d 强度为39.6MPa，满足要求。所以确定每 100g 减水剂成品中复配的引气剂组分为 0.05g。

最终确定该 C30 预拌混凝土每 100g 减水剂成品中各组分的掺量为：PC 母液和 PC-501 母液分别为 19.5g和 9g、葡萄糖酸钠 5g、十二烷基硫酸钠 0.05g 和水66.45g，所得到的减水剂能够使混凝土具有良好的工作性能，且力学性能满足要求，给该 C30 预拌混凝土使用减水剂提供了一个可行性的复配配方。

2.4 复配工艺

聚羧酸系减水剂复配工艺比较简单，主要有母液罐、复配循环罐、重量计量传感器及水罐等，操作也比较简单。考虑到高温条件下，掺缓凝组分的减水剂容易出现发霉发臭的现象，引气组分也会失效，因此减水剂成品应储存在塑料罐中，并且放置在阴凉通风处。聚羧酸系减水剂复配工艺如图 1。

（1）根据减水剂复配配方，提前所生产减水剂成品中各组分的量。

（2）将复配循环罐底部重量传感器显示数值归零，开动水泵，打开注水阀门，开始向复配循环罐中注水，达到预定的定值时，关闭阀门，开启循环泵。

（3）再次将显示器数值归零，打开母液罐阀门，将母液泵送到复配循环罐中，达到预定的数值，关闭阀门。

图 1 复配设施

（4）再次将显示器数值归零，将称好的小料从加料口缓慢地加入到复配循环罐中，边循环边加料。

（5）循环时间不少于 30min，液体混合均匀即可后关闭循环泵，再将成品泵入减水剂成品储蓄罐中。

3 结论

（1）确定了商砼站 C30 混凝土减水剂复配配方为：PC 母液掺量为 19.5g、PC-501 母液掺量为 9g、葡萄糖酸钠掺量为 5g、十二烷基硫酸钠掺量为 0.05g和水 66.45g，所得到混凝土的工作性能和力学性能满足要求。

（2）减水剂复配所需要的设备比较简单，主要有母液罐、复配循环罐、重量计量传感器及水罐等，操作方便，混合液体循环时间不少于 30min，避免减水剂出现混合不均匀或分层现象。减水剂成品应用塑料罐储存，并放在阴凉通风处。