聚羧酸減水劑在高速公路中的應(yīng)用

劉雄飛

(婁底市婁星區(qū)公路局,湖南婁底 417000)

0 引言

工程中通常要求混凝土具有較高的強度和良好的施工性能,自20世紀(jì)50年代起開始采用摻用具有高效減水分散性能的添加劑來降低混凝土的用水量,增加混凝土的強度。減水劑品種有木質(zhì)素磺酸鹽、萘磺酸鹽系高效減水劑、磺化三聚氰胺系高效減水劑,其中萘磺酸鹽系高效減水劑目前在我國混凝土工程中的使用率仍占絕對優(yōu)勢[1-3]。

與木鈣等第一代減水劑以及萘系等第二代高效減水劑相比,聚羧酸類減水劑減水率更高(高達(dá)30%～40%),用以配制的高性能混凝土工作性好,不離析,不泌水。具有摻量低、減水率大,與水泥適應(yīng)性顯著改善,坍落度保持性能優(yōu)異,強度增長明顯,生產(chǎn)及使用過程中無任何污染等顯著特點,是目前我國萘系等傳統(tǒng)第二代高效減水劑理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。日本、歐美等國已在大量應(yīng)用聚羧酸系高性水劑,并逐步取代萘系等第二代減水劑。我國對此正處于起步階段[4-5],國內(nèi)工程界使用較多的都是進(jìn)口產(chǎn)品。

目前,高速公路現(xiàn)場施工中存在大量的問題,尤為突出的是工作性問題,在混凝土澆筑過程中,由于減水劑選擇不當(dāng),導(dǎo)致混凝土坍落度不足,坍落度損失大的現(xiàn)象普遍存在。針對這個問題,本文通過分別在混凝土中摻加萘系減水劑和聚羧酸高效減水劑,并比較摻入2種不同減水劑后混凝土的力學(xué)性能和工作性能,從而探討了聚羧酸高效減水劑在高速公路工程中的應(yīng)用優(yōu)勢。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1)水泥(C):瀏陽南方水泥有限公司生產(chǎn)的PO42.5水泥,化學(xué)成分及主要性能指標(biāo)見表1和表2。

2)粉煤灰(FA):湘潭電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰,密度為2.62g/cm3,比表面積為460m2/kg,需水量比為96%,化學(xué)成分見表1。

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)成分%

表2 PO 42.5水泥性能指標(biāo)

3)砂(S):湘江河砂,級配合格,細(xì)度模數(shù)2.61,符合Ⅱ區(qū)要求。

4)粗骨料(G):碎石,級配合格,符合5～31.5mm的連續(xù)級配要求。

5)水(W):自來水。

6)萘系高效減水劑FDN1(科龍);萘系高效減水劑FDN2(天津巨龍);聚羧酸高效減水劑SP1(花王);聚羧酸高效減水劑SP2(博特)。

1.2 試驗方法

混凝土拌合物性能試驗按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T20080—2002進(jìn)行。混凝土力學(xué)性能試驗按《普通混凝土力學(xué)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2002進(jìn)行,其中立方體抗壓強度試件尺寸為100mm×100mm×100 mm,試驗結(jié)果均已乘換算系數(shù)。

2 試驗結(jié)果和分析

為了比較聚羧酸減水劑和萘系高效減水劑對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響,試驗采用相同的混凝土配合比,測試減水劑的摻量、減水率,以及不同減水劑下混凝土的初始坍落度和坍落度保持性和強度。

2.1 不同類型減水劑的最佳摻量

公路工程要求混凝土滿足初始坍落度為(180±20)cm,采用了同一配合比,試驗了4種減水劑達(dá)到規(guī)范要求的最佳摻量,配合比和試驗結(jié)果見表3。

表3 不同減水劑摻量下的混凝土坍落度

由表3可知,與萘系減水劑相比,聚羧酸系高效減水劑具有摻量低,坍落度保持性好的特點。在達(dá)到相同工作性的狀態(tài)下,聚羧酸高效減水劑摻量約為萘系的一半;對于1 h后混凝土工作性能,摻萘系減水劑的混凝土坍落度損失均在65 cm以上,而摻聚羧酸高效減水劑的混凝土坍落度損失不到30 cm,這對公路工程混凝土施工是很有利的。

相關(guān)研究表明[6]:萘系減水劑分子僅僅靠靜電斥力將水泥顆粒分開,保持其穩(wěn)定性,與其相比,聚羧酸減水劑依靠靜電斥力和長側(cè)鏈的空間位阻作用使其分開,因此有更好的分散性和分散保持性。因此,與萘系減水劑相比,聚羧酸減水劑具有摻量低,分散性能好的特點。

2.2 不同減水劑的減水率

根據(jù)規(guī)范要求,測試了4種減水劑的減水率,基準(zhǔn)混凝土、摻入FDN1、FDN2、SP1、SP2的混凝土分別對應(yīng)編號A—1、A—2、A—3、A—4、A—5,配合比和試驗結(jié)果見表4。

表4 不同減水劑的減水率

由表4可見,在使混凝土的工作性能達(dá)到規(guī)范要求時,聚羧酸減水劑比萘系減水劑減水率更高,且摻量更低。

相關(guān)研究表明[7]:混凝土的減水增強效果取決于水泥粒子的分散性和分散穩(wěn)定性,而水泥粒子的分散穩(wěn)定性又取決于所吸附的減水劑的電斥力和立體效應(yīng)。萘系減水劑的減水增強性能主要是利用了DLVO理論,因立體效應(yīng)沒有發(fā)揮作用。聚羧酸減水劑利用DLVO電荷排斥效應(yīng)、Mackor空間位阻效應(yīng)以及浸透潤濕作用,梳型聚合物主鏈上有一定比例的官能團(tuán),如羧基(—COOH)、磺酸基(—SO3H)等來提供電荷斥力,同時在支鏈上引入長短不同的聚氧烷基烯類側(cè)鏈,其醚鍵的氧與水分子形成強力的氫鍵,并形成親水性立體保護(hù)膜,該保護(hù)膜既具有分散性,因此聚羧酸減水劑具有更大的減水率。

2.3 不同減水劑對混凝土強度的影響

為了研究不同減水劑對混凝土強度的影響,測試了不同減水劑但相同配合比下的混凝土的強度,配合比見表3,測試結(jié)果見圖1。

圖1 不同減水劑下混凝土的強度

由圖1可知,在相同配合比下,摻入聚羧酸減水劑混凝土的早期強度低于摻入萘系減水劑的混凝土,但摻入聚羧酸減水劑混凝土的后期強度高于摻入萘系減水劑的混凝土。

這是因為,聚羧酸分子結(jié)構(gòu)中存在著多種親水基團(tuán),一方面吸附在水泥顆粒表面,形成水膜,阻止水與水泥顆粒接觸;另一方面長側(cè)鏈形成空間位阻作用,阻止顆粒間團(tuán)聚,同時吸附游離水。也有人認(rèn)為:由于R—COO-與Ca2+的作用形成絡(luò)離子,降低了溶液的[Ca2+]濃度,延遲Ca(OH)2形成結(jié)晶,減少C-H-S凝膠的形成,延緩水泥水化,減少水化暫時需水量,有助于增加其塑化效果。與萘系減水劑相比,聚羧酸減水劑有較好的緩凝作用。由于聚羧酸減水劑的緩凝作用,使得混凝土早期水化較慢,強度較低。

3 結(jié)論

本文通過研究分別在混凝土中摻入聚羧酸減水劑和萘系減水劑,并測試混凝土的工作性能和力學(xué)性能,得到如下結(jié)論:

1)在保持相同工作狀態(tài)下,與萘系減水劑相比,聚羧酸系高效減水劑具有摻量低,坍落度保持性好的特點,這對于公路工程混凝土的施工是有利的。

2)聚羧酸高效減水劑比萘系減水劑具有摻量低,減水率高的優(yōu)點。

3)在相同配合比下,摻入聚羧酸減水劑混凝土的早期強度低于摻入萘系減水劑的混凝土,但摻入聚羧酸減水劑混凝土的后期強度高于摻入萘系減水劑的混凝土。

[1]劉德春,盧忠遠(yuǎn),崔紹波,等.新型高效萘系減水劑的合成及性能研究[J].硅酸鹽通報,2006,25(5):137-142.

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[6]馬保國,譚洪波,馬 玲,等.HX聚羧酸系減水劑性能研究[J].混凝土,2007,213(7):41-43.

[7]冉千平,游有鯤,丁 蓓.低引氣性聚羧酸類高效減水劑的制備及其性能研究[J].新型建筑材料,2003(6):33-35.