减水剂在混凝土中正交试验.docx
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减水剂在混凝土中正交试验
减水剂在混凝土中正交试验
2011-06-0409:
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混凝土广泛应用于建筑工程以来，混凝土技术的进步与外加剂的不断更新密不可分。
从历史上讲，外加剂的使用几乎和混凝土本身一样长久，古罗马人使用动物油脂、牛乳和血液来改善混凝土的性能，20世纪30年代开始系统的研究外加剂，发明了引气剂以及以木质素类外加剂为代表的普通减水剂，减水率在10％左右，并广泛用于混凝土中[1]；70年代又发明了以萘系、密胺系为代表的高效减水剂，但是仍然存在着缺陷,一定程度的制约它的推广和使用。
80年代日本首次研发了新型聚羧酸系高性能减水剂后，引发了第三代高效减水剂的研发和使用，聚羧酸系减水剂作为第三代新型混凝土高效减水剂，其性能和质量均有了大幅提高，它是一类分子结构为含羧基接枝共聚物，表面活性分子结构呈梳形，主要通过不饱和单体在引发剂作用下共聚而获得，主链系由含羧基的活性单体聚合而成、侧链由含功能性官能团的活性单体与主链接枝共聚而成，具有高减水率并使拌合物具有良好的流动性保持效果的减水剂。
推广应用聚羧酸系高效减水剂是混凝土质量向高性能化方向发展的必然要求。
吴中伟院士提出“高性能混凝土”是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。
为此，高性能混凝土在配置上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并必须掺加一定数量的矿物细掺料和高效减水剂。
关于聚羧酸高效减水剂，国外在这方面的研究和应用已经相当成熟。
而国内虽然也进行了大量的室内研究，但是应用经验很不足，只是在近几年才得到推广，客运专线时速350Km/h的高速铁路，提出了使用寿命100年高标准的高性能混凝土要求，第二代高效减水剂已经难以满足客运专线混凝土工程对减水剂的性能要求，聚羧酸高效减水剂登上了这个时代的舞台。
0研究目标及试验方法
郑西铁路客运专线工程施工使用的高性能混凝土强度等级小于C60，采用聚羧酸外加剂改善性能，笔者对C50预制梁混凝土配合比设计进行试验和研究。
0.1 研究目标
A、配合比减水效果良好，坍落度保证的情况下水胶比最小（密实度）
B、混凝土坍落度200mm±20mm、1小时损失小于20mm（泵送）
C、混凝土缓凝效果适当（大体积混凝土防裂）
D、抗压强度及耐久性指标满足要求，
E、满足上述条件基础上成本最低。
0.2 原材料
水泥：
陕西社会P.O42.5级普通硅酸盐水泥；其基本性能检验结果见表1;各项检验指标均满足规范要求。
水泥基本性能检验结果 表1
化学性能
试验项目
烧失量（%）
氧化镁（%）
三氧化硫（%）
碱含量（%）
氯离子含量（%）
游离氧化钙（%）
试验结果
2.8
2.61
2.3
0.49
0.022
0.66
物理性能
试验项目
细度（%）
初凝时间
终凝时间
安定性
标准稠度用水量（%）
比表面积（m2/Kg）
试验结果
2.4
185min
255min
合格
27.2
340
胶 砂 强 度
试验项目
3天抗折强度（Mpa）
28天抗折强度（Mpa）
3天抗压强度Mpa）
28天抗压强度（Mpa）
试验结果
4.5
7.5
25.3
48.4
掺合料：
三门峡唐润资源综合利用有限公司产Ⅰ级粉煤灰，其性能检验结果见表2；S95级临汾三泰高新材料有限公司产矿渣粉，其性能检验结果见表3；各项检验指标均满足规范要求。
粉煤灰基本性能检验结果 表2
试验项目
细度（%）
需水量比（%）
烧失量（%）
含水量（%）
SO3 含量（%）
总碱量（%）
氯离子含量（%）
氧化钙含量（%）
比表面积（m2/Kg）
活性指数（%）
试验结果
10.4
90
0.4
0.1
0.9
1.35
0.008
2.04
474
83
矿渣粉基本性能检验结果 表3
试验项目
密度（g/cm3）
比表面积（m2/kg）
7d活性指数（%）
28d活性指数（%）
流动度比（%）
含水量（%）
三氧化硫（%）
烧失量（%）
氯离子（%）
氧化镁（%）
碱含量（%）
需水量比（%）
试验结果
2.8
429
78
98
104
0.2
0.78
0.4
0.018
11.24
0.44
94
砂：
渭河魏庄中砂，细度模数2.9，其性能检验结果见表4；各项检验指标均满足规范要求。
细骨料基本性能检验结果 表4
试验项目
表观密度（kg/m3）
堆积密度（kg/m3）
紧密密度（kg/m3）
含泥量（%）
泥块含量（%）
氯离子含量（%）
云母含量（%）
坚固性（%）
吸水率（%）
有机物含量（%）
三氧化硫含量（%）
轻物质含量（%）
试验结果
2590
1670
1810
1.8
0.1
0.0006
0.2
2
1.7
浅于标准色
0．02
0.1
颗 粒 分 析
筛孔尺寸（mm）
5.00
2.50
1.25
0.63
0.315
0.16
细度模数
试验结果
3
7
33
67
87
100
2.9
碎石：
5-10mm；10-20mm连续级配碎石，其性能检验结果见表5；各项检验指标均满足规范要求。
粗骨料基本性能检验结果 表5
试验项目
表观密度（kg/m3）
堆积密度（kg/m3）
紧密密度（kg/m3）
含泥量（%）
泥块含量（%）
压碎指标（%）
针片状颗粒含量（%）
坚固性（%）
吸水率（%）
有机物含量（%）
三氧化硫含量（%）
氯离子含量（%）
试验结果
2600
1540
1640
0.2
0.0
5.3
2.8
4
0.3
浅于标准色
0.24
0.0001
颗 粒 级 配
筛孔尺寸（mm）
26.5
19.0
16.0
9.5
4.74
2.36
检验结果
试验结果
0
5
36
71
94
100
合格
减水剂：
山西黄腾聚羧酸高效减水剂，其性能检验结果见表6；各项检验指标均满足规范要求。
减水剂基本性能检验结果 表6
试验项目
硫酸纳含量（%）
氯离子含量（%）
总碱量（%）
减水率（%）
常压泌水率比（%）
压力泌水率比（%）
含气量（%）
初凝时间之差 （min）
终凝时间之差 （min）
试验结果
1.21
0.056
0.87
30.0
2.1
13.4
4.7
+50
+65
试验项目
3d抗压强度比（%）
7d抗压强度比（%）
28d抗压强度比（%）
收缩率比（28天）（%）
相对耐久性指标（200次）（%）
钢筋锈蚀
塌落度增加值
30min塌落度保留值
60min塌落度保留值
试验结果
135
131
125
128
90.6
无锈蚀作用
+75
180
170
0.3试验方法
混凝土配合比设计参照JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》、《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》、《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》、混凝土性能指标检测参照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》、ASTMC1202-1997等相关规定执行。
1、C50混凝土配合比正交试验研究
随着混凝土技术的发展，配合比原材料越来越多，因此影响因素也多了起来，要想找到最优配合比，进行大量的正交试验研究是非常必要的。
因素与水平列表见表7所示，正交试验配合比设计见表8所示，在这里主要选取水胶比、60min坍落度保留值、28天抗压强度为指标进行正交试验研究。
因素与水平列表 表7
水平
因素
矿粉kg/m3
粉煤灰kg/m3
砂率％
外加剂％
1
70
75
37
0.8
2
80
85
38
1.0
3
90
95
39
1.2
注：
外加剂掺量相对于胶凝材料用量。
正交试验配合比设计 表8
编号
混凝土配合比（kg/m3）
水胶比％
60min坍落度保留值mm
28天抗压强度MPa
水泥
矿粉
粉煤灰
砂
石
水
外加剂
C1
330
70
75
668
1137
4.75
0.31
180
64.0
C2
330
70
85
686
1119
3.88
0.30
185
63.4
C3
330
70
95
704
1101
5.94
0.29
190
62.6
C4
330
80
75
686
1119
5.82
0.30
190
63.1
C5
330
80
85
704
1101
145
4.95
0.29
185
67.2
C6
330
80
95
668
1137
4.04
0.29
185
62.1
C7
330
90
75
704
1101
3.96
0.29
180
62.2
C8
330
90
85
668
1137
6.06
0.29
180
60.3
C9
330
90
95
686
1119
5.15
0.28
190
64.0
注：
水泥用量330kg/m3不变；假设容重2400kg/m3设计配比，为了方便比较，骨料总量也不变；用水量均是坍落度为200mm±20mm时的用水量。
0.4水胶比因素极差水平分析
根据表8数据可以得出水胶比因素极差分析数据见表9及图1所示，从表9数据可以得出，矿粉、粉煤灰因素极差最大，说明外加剂对水胶比影响因素最为显著，依次是砂率、外加剂。
通过图1可见，随着外加剂掺量提高，呈线性增长，增长速度相对平缓。
水胶比因素极差分析水平％ 表9
水平
因素
矿粉
粉煤灰
砂率
外加剂
Σ1
0.90
0.90
0.89
0.88
Σ2
0.88
0.88
0.88
0.88
Σ3
0.86
0.86
0.87
0.88
平均1
0.30
0.30
0.297
0.293
平均2
0.293
0.293
0.293
0.293
平均3
0.287
0.287
0.290
0.293
极差
0.013
0.013
0.007
0.000
0.5 60min坍落度保留值因素极差水平分析
根据表8数据得出60min坍落度保留值都年满足施工现场拌合、运输、泵送、浇筑、密实的需要。
但是当粉为80kg/m3，粉煤灰为85kg/m3，砂率为39%，外加剂掺量为1.0%时，表8中第5中试验方法影响最为显著，
2.3 28天抗压强度因素极差水平分析
28天抗压强度因素极差分析数据如表10和图2所示，由表10可知，外加剂极差值最大，表明四个因素中外加剂对28天抗压强度影响最为显著，后面依次是砂率、矿渣粉、粉煤灰。
从图4可见，外加剂对28天抗压强度增长效果更为明显；随着的外加剂掺量的增加，其混凝土28天抗压强度先增大后减小，则说明外加剂掺量为1.0%时为最适宜量，这主要是因为早期时水胶比大的混凝土密实度稍微低，而后期低水胶比的胶凝材料比高水胶比时的水化程度要低，所以28天时混凝土的密实度基本相当，因此对混凝土28天抗压强度最有利的复合型配方为：
矿粉：
80kg/m3，粉煤灰85kg/m3，砂率为39%，外加剂掺量为1.0%，即表8中第5种试验方法。
抗压强度因素极差分析水平MPa 表10
水平
因素
矿粉
粉煤灰
砂率
外加剂
Σ1
190.0
189.3
186.4
187.7
Σ2
192.4
190.9
190.5
1952
Σ3
186.5
188.7
195.2
186.0
平均1
63.33
63.10
62.13
62.57
平均2
64.13
63.63
63.5
65.08
平均3
62.17
62.90
64.00
62.00
极差
1.96
0.73
1.87
3.08
2、配合比的确定及对该配合比的进一步研究
通过前面正交试验分析，综合考虑水胶比、60min坍落度保留值、28天抗压强度及经济成本等因素，最终选定配合比组合为矿粉：
80kg/m3，粉煤灰85kg/m3，砂率为39%，外加剂掺量为1.0%，即表8中第5种试验方法。
见下表11。
混凝土配合比（kg/m3） 表11
编号
水泥
砂
石
粉煤灰
矿粉
水
外加剂
XD50
330
704
1101
85
80
145
4.95
3.1选定配合比的拌合物性能
选定配合比的和易性良好，凝结时间适中，坍落度损失也非常小，这对工地现场混凝土泵送浇筑非常有利。
具体指标值见下表12。
混凝土拌合物性能 表12
编号
和易性
水胶比
坍落度
60min坍落度保留值
泌水率
凝结时间
初凝
终凝
XD50
良好
29％
190mm
-5mm
0％
560min
840min
3.2选定配合比的强度及耐久性指标
选定配合比的强度及耐久性能非常优异，混凝土抗裂效果好主要原因是复合型聚羧酸外加剂引起了混凝土毛细管表面张力的下降，从而引起混凝土收缩的宏观应力下降，收缩降低。
混凝土抗氯离子渗透能力良好的主要原因表现在两个方面，一方面是复合型聚羧酸系具有高分散性的作用使得混凝土水胶比大大降低，这就意味着提高了混凝土的密实性从而达到提高抗氯离子渗透能力；另一方面是磨细矿渣的填充和水化双重作用同样起到了密实性效果。
，具体指标值见下表13。
混凝土拌合物耐久性能 表13
编号
28天抗压强度（MPa）
电通量（C）
静弹模量（MPa）
抗裂
抗冻（300次冻融）
XD50
67.2
638
42.7*103
合格
合格
3、结论
0.6 目前,该配合比在郑西铁路客运专线已经使用了2年之久，通过使用我们认为该配合比存在以下优势：
复合型聚羧酸外加剂较高的减水作用（减水率26-33%）引起了低水胶比；粉煤灰和矿粉又对混凝土微观空隙进行了填充水化，从而达到了最佳的致密效果，因此使得混凝土强度增加，抗裂、抗冻、抗氯离子侵蚀等各项耐久性指标优异，混凝土外观质量也得到了非常大的改善。
复合型聚羧酸盐外加剂改善了混凝土的工作性、和易性及泵送能力。
复合型聚羧酸盐外加剂保证了混凝土良好的坍落度保持能力。
配合比综合成本降低。
0.7配合比使用时应注意的问题：
聚羧酸盐外加剂显效时间较萘系外加剂较长，因此拌合时间要加长。
聚羧酸盐外加剂不能长时间使用金属容器装载，可用PE、PVC、FRP等容器。
聚羧酸盐外加剂对原材料敏感性特别强，水泥、水中成分有变化时，混凝土立刻不适应，产生离析、泌水等很大的变化，当砂的含泥量超过3%时减水效果明显降低，甚至不如萘系外加剂（客专要求C50混凝土砂含泥量不得超过2%）。
聚羧酸盐外加剂对掺量有要求，当小于0.8%后，减水效果明显降低，过掺后又会出现凝结时间过长或假凝现象。
聚羧酸盐外加剂一般都是复合型的,若需要防冻、缓凝等新要求时,应该通知厂家调整，自己调整时应该搞清楚其组分，不能与松香皂类组分同时使用。
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