SPS8聚羧酸系高效减水剂在地铁及C50箱梁中的应用和耐久性研究附安全高效应用聚羧酸系减水剂.docx

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SPS8聚羧酸系高效减水剂在地铁及C50箱梁中的应用和耐久性研究附安全高效应用聚羧酸系减水剂

SPS-8聚羧酸系高效减水剂

在地铁及C50箱梁中的应用和耐久性研究

   1、前言 

   20世纪八十年代早期，诞生了新一代的聚羧酸系高效减水剂，可以适应于预制混凝土和预拌混凝土。

我国聚羧酸系高效减水剂的研究始于二十世纪90年代中期，其工业化生产与应用于21世纪初期。

中国上海市建筑科学研究院首先研制成聚羧酸高效减水剂，成功用于上海磁悬浮铁路高精度轨道梁的制作和东海大桥海工混凝土及洋山深水港集装箱道堆混凝土。

近年来，中国的建设规模不断扩大，各种重点、重大基础设施、超高层建筑、高速铁路、高速公路、地铁车站、核电站、杭州湾跨海大桥等，对混凝土的施工性能和综合性能要求越来越高。

传统的木质素磺酸盐减水剂和萘系高效减水剂由于技术的局限性已不能满足现代工程需要。

所以第三代聚羧酸系高效减水剂，其掺量低、减水率高、坍落度保持能力好、对混凝土增强效果显著，能降低混凝土收缩，生产过程无废弃物，是一种能符合“环保、节能、降耗“新理念的高效减水剂，聚羧酸系高效减水剂赋予混凝土有出色的施工和易性，良好的强度发展和优异的耐久性，因此聚羧酸系高效减水剂是配制高性能混凝土和高耐久性混凝土的首选外加剂。

   2、SPS-8P-1聚羧酸系高效泵送剂配制地铁车站结构商品泵送混凝土和耐久性研究及工程应用。

   2.1、表1 地铁车站结构混凝土配制要求和耐久性检验参考指标

结构部位

最大水胶比

最小胶凝材料用量kg/m3

最大胶凝材料用量kg/m3

抗渗性能

抗渗指标

砼耐久性

抗裂性能

抗裂等级

电通量C

氯离子扩散系数

×10-12m2/s

车站结构

地下连续墙

0.5

400

/

≥P8

≤2000

≤1.8

II

顶板、底板

0.45

360

420

≤2000

≤1.8

I

衬侧墙

0.45

360

420

≤2000

≤1.8

I

柱、梁

0.43

380

450

/

≤1.8

II

   混凝土性能

混凝土强度等级

水胶比

矿物掺合料

出机坍落度mm

C30

＜0.45

30~50%

120±30

C40

＜0.45

30~50%

180±30

地下连浇墙C30

＜0.50

30~50%

200±30

   2.2、以上海象牌PO42.5，SPS-8P-1聚羧酸系高效水剂配制地铁车站结构混凝土及耐久性检验结果。

   表2 地铁地铁结构混凝土配合比论证试验及耐久性检验

（1）

试验

编号

强度

等级

使用

部位

胶凝材料总量kg/m3

水胶比

矿物掺合料（%）

每立方米砼材料用量（kg）

W

C

SL

F

S

G

SPS-8P-1掺量%

YH-106

C30

结构

384

0.45

50

173

192

115

77

765

1013

5.76

（1.5%）

YH-107

C30

结构

385

0.45

60

173

154

135

96

760

1008

5.78（1.5%）

YH-110

C40

结构

405

0.42

60

170

162

142

101

757

1025

5.26

（1.3%）

YH-111

C40

结构

404

0.42

50

170

202

121

81

761

1030

5.25

（1.3%）

YH-114

C35

槽壁地下墙

389

0.45

50

175

194

117

78

753

1040

6.22

（1.6%）

　　表2 

（2）

试验编号

出机坍落度

mm

抗压强度Mpa

混凝土耐久性检验结果

R3

R7

R28

抗渗性能指标检验值

电通量指标值检验值

YH-106

160

18.8/62

22.1/74

34.5/115

≥P8

P10

≤2000

1149

YH-107

190

13.9/46

18.4/61

32.5/108

≥P8

P10

≤2000

620

YH-110

165

22.4/56

26.7/66

43.8/110

≥P8

P10

≤2000

567

YH-111

155

23.0/58

27.2/68

45.7/114

≥P8

P10

≤2000

843

YH-114

220

21.6/62

26.9/76

38.1/109

≥P8

P10

≤2000

630

   注：

（1）水泥PO42.5上海水泥厂（象牌）

（2）S95矿粉  上海宝田

　　   （3）II级粉煤灰 上海环能粉煤灰有限公司

　　   （4）中砂uf为2.3；泥块含量1%；表观密度2630kg/m3，紧密密度1480 kg/m3。

按JGJ52-92属III区中砂

　　   （5）碎石5-25mm连续级配碎石，表观密度2710 kg/m3，压碎指标值为5%，针片状颗料含量8.7%，含泥量0.7%，泥块含量为0.9%，基本符合JGJ53-92标准。

   2.3、以上海联合PO42.5水泥，以SPS-8P-1聚羧酸系高效泵送剂配制地下墙（C30水下）混凝土。

   表3 C30水下砼配合比及强度

（1）

胶凝材料总量kg/m3

水胶比

%

矿物取代物%

每立方料砼材料用量（kg）

W

C

S95

F

S

G

SPS-8P-1

405

0.37

60

150

160

85

160

735

1055

6.0

（1.5%）

405

0.37

60

150

160

85

160

735

1055

6.0（1.5%）

   表3

（2）

出机坍落度/

扩展度（mm）

半小时坍落度/

扩展度（mm）

一小时坍落度

（mm）

抗压强度（Mpa）

3d

7d

28d

200

200

200

15.5/44

276/79

43.0/122

215/480×500

210/360×340

200

15.6/44

28.3/80

43.6/124

   SPS-8P-1聚羧酸系高效送剂已在上海地铁11号线用于C30、P10底板工程500m3,出机坍落度控制在140±30mm。

拌站反映混凝土和易性好，保坍性好，混凝土强度及耐久性均符合设计的要求。

   3、聚羧酸高效减水剂在客运专线箱梁C50预应力混凝土中应用

   客运专线C50箱梁（预应力混凝土）预制梁采用高性能混凝土技术，因此高性能混凝土的配合比是生产C50预制梁的关键，除满足施工强度要求外，还必须满足高性能混凝土耐久性的要求，包括抗裂、抗冻融、抗渗、抗氯离子、电通量等，要引入一定的含气量，保证混凝土的密实性，必须满足泵送混凝土的要求，坍落度的经时损失要小，不离析泌水，保证混凝土内在质量和外观美的要求。

   3.1、对配制C50预应力混凝土预制梁的混凝土要求：

   3.1.1、C50箱梁混凝土胶凝材料总量不超过500 kg/m3’

   3.1.2、使用环境及要求：

T2环境，设计年限为100年；

   3.1.3、最大水胶比不应超过0.35；

   3.1.4、各种材料带入的碱含量和不大于3.0 kg/m3；

   3.1.5、各种材料带入的氯离子总量不大于胶凝材料总量的0.06%；

   3.1.6、电通量要求小于1000C。

   3.2、C50混凝土配合比研究

   通过优选水泥、粉煤灰、矿粉、砂、石、外加剂和水进行试配，试验结果见表4~表6。

   表4 C50混凝土配合比

配合比号

容量

kg/m3

材料用量（kg/m3）

水泥

砂

石

水

灰

S95

W外

水胶比

C50-1

2420

368

690

1079

156

49

73

4.90

0.32

C50-2

2420

390

678

1061

156

52

78

5.20

0.30

C50-3

2420

344

702

1098

156

46

69

4.59

0.34

   注：

采用PO42.5普通硅酸盐水泥；中砂，细度模数为2.7~2.8；I级粉煤灰；S95矿粉，5-20mm连续级配碎石；外加剂为聚羧酸高效减水剂。

   表5 C50新拌混凝土性能

配合比号

坍落度

mm

扩展度

mm

含气量

mm

常压泌水率

%

凝结时间（小时：

分）

初凝

终凝

C50-1

190-200

520×540

3.1

0

9：

35

10：

45

C50-2

180-190

510×530

3.2

0

9：

45

10：

55

C50-3

190-200

530×550

3.0

0

9：

25

10：

35

   表5 C50硬化混凝土性能

配合比号

抗压强度Mpa

弹性摸量Gpa

电通量C

抗裂性

3d

7d

28d

7d

28d

C50-1

44.5

54.6

66.2

38.1

41.6

＜1000

无裂纹

C50-2

47.7

56.3

68.8

39.2

42.8

＜1000

无裂纹

C50-3

42.2

51.4

62.4

36.5

39.4

＜1000

无裂纹

   3.3、后张法C50预制箱梁的工艺要求

   预制箱梁的钢模就位后，浇筑混凝土现场由2台2立方米混凝土拌和机搅拌混凝土，由搅拌运输车送至现场，通过固定泵和垂直式2台播料器进行浇捣或用汽车泵（37米）进行浇捣（大约6-8小时）完成用油布复盖静停，梁体进行蒸汽养护试块进行同条件养护，混凝土强度达到60%左右，可以拆端模，混凝土强度达到80%左右，进行初张拉，移动模架再自然养护，混凝土强度达到100%。

进行终张拉接着进行压浆、封端，最终局部修饰即获得符合质量要求的梁体。

   4、聚羧酸系高效减水剂配制混凝土耐久性的研究

   4.1、试验用的砼材料及配合比

   采用上海嘉兴港辉PO52.5水泥，上海宝田S95矿粉和上海石洞电厂F类II级粉煤灰，中砂，细度模数为2.6，粗骨料为5-20mm，连续级配碎石；外加剂分别采用SP406萘系高效减水剂，SPS-8P聚羧酸系缓凝高效减水剂及聚羧酸系SPS-FD抗冻剂和聚羧酸系SPS-8P早强抗冻剂。

   试验用混凝土配合比见表7

   表7 试验用混凝土配合比

编号

水泥

矿粉

粉煤灰

砂

石

水

外加剂、型号

水胶比

GN

180

108

72

857

1183

164

5.40

SP406

0.46

HN

180

108

72

857

1183

164

3.60

SPS-8P

0.46

FD

180

108

72

857

1183

166

9.00

SPS-FD

0.46

RD

180

108

72

857

1183

156

7.20

SPS-8P

0.43

   4.2、试验方法

   新拌混凝土性能采用混凝土坍落度指标，试验方法参照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》标准。

   混凝土抗压强度试验参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》标准。

   混凝土抗渗透性能采用混凝土电通量和氯离子扩散系数等两个技术指标表征。

试验参照JTJ275-2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》附录B，混凝土抗氯离子渗透性能参照NTBUILD443《硬化混凝土抗氯离子渗透测试方法标准》。

   混凝土抗冻性能采用质量损失不大于5%，相对动弹性模量不小于60%时的冻融循环次数表示，冻融循环次数越大，则混凝土抵抗冻融的能力越强。

   4.3、试验结果

   4.3.1 表7 各系列混凝土性能测试结果

编号

坍落度

抗压强度Mpa

电通量

氯离子扩散系数

×10-12m2/s

冻融循环次数

3d

28d

60d

28d

60d

GN

150

32.2

50.4

60.4

1433

693

1.77

300

HN

155

34.5

52.4

61.3

1354

506

1.69

350

FD

150

35.6

51.8

63.0

1311

633

1.72

600

RD

170

36.1

46.7

57.3

1367

522

1.84

700

   4.3.2 表8 各系列混凝土的质量损失和相对动弹模量比较

冻融循环次数

编号

GN

HN

FD

RD

200次

质量损失%

2.3

1.5

0.5

0.3

相对动弹模量%

75.3

82.1

92.8

94.2

   由表7、8可以看出：

聚羧酸系高效减水剂（缓凝型或早强抗冻型、抗冻型）与萘系高效减水剂相比，对新拌混凝土性能、抗压强度、抗渗透性能等方面无明显不利影响，但其掺入混凝土中，对混凝土的抗冻性能有明显的改善，具有良好的抗冻性能，这亦是聚羧酸系高效减水剂的特性之一。

   5、聚羧酸系高效减水剂在工程应用中必须注意的问题

   5.1、根据GB50119-2003《混凝土外加剂应用技术规范》中“2.1.4”明确规定：

掺外加剂混凝土所用原材料如水泥、砂、石、掺合料、外加剂均应符合国家现行的有关标准的规定；试配掺外加剂的混凝土时，应采用工程使用的原材料，检测项目应根据设计及施工要求确定，检测条件与施工条件相同，当工程所用原材料和混凝土性能要求发生变化时，应再进行试配试验。

聚羧酸系高效减水剂的应用，仅做检验净浆流动度及砂浆减水率符合要求是不够严格的，必须试拌混凝土，混凝土的适应性成功才算是真正的成功。

   5.2、聚羧酸系高效减水剂依然存在与水泥适应性问题，此外砂、石材料的质量以及掺合料如粉煤灰、矿粉等的质量等对掺聚羧酸高效减水的混凝土性能有一定影响，应引起重视。

   5.3、聚羧酸系高效减水剂的超掺量问题。

当超量时，会产生离析、泌水、板结及含气量过大等不良现象，所以拌制掺聚羧酸系高效减水剂的混凝土时，其计量设备和计量精度必须准确和灵敏。

   5.4、聚羧酸系高效减水剂严禁与萘系高效减水剂及复配产品混合应用。

若混合的话，混凝土拌合物的良好的流动性随之消失。

大大降低混凝土的坍落度和流动性，也直接影响可泵性和混凝土的强度。

   所以在使用聚羧酸外加剂时，应采用单独的储存装置。

另有单独的管道和计量装置。

同一时间，同一生产线连续生产时采用同一品种外加剂其它配套设备（为混凝土搅拌设备、运输车辆及泵送设备）也要相应进行清洗。

   5.5应避免聚羧酸高效减水剂与铁制材料长期接触

   由于聚羧酸高效减水剂产品常呈现酸性与铁制品长期接触会发生缓慢反应，甚至使产品色泽变深、变黑，导致产品性能下降，建议采用聚乙烯塑料桶或不锈钢储存，才能保证产品储存的稳定性。

   6、结语

   聚羧酸系高效减水剂是属于第三代高效减水剂，具有减水率高、流动性好、适应性广、增强、保坍等综合性能，可以用于预拌和预制混凝土，减少混凝土的收缩和提高混凝土的耐久性，节约水泥，减少环境污染，使用聚羧酸外加剂能带来可观的经济效益和环保效益，建议全面推广。

这对提高建设工程质量是行之有效的。

如何安全高效地应用聚羧酸系减水剂

　　一、前言

　　聚羧酸系减水剂作为继萘系、密胺系、脂肪族系和氨基磺酸盐系减水剂之后研制生产成功的新型高效减水剂，以其在掺量较低时（固体掺量0.15%-0.25%）就能产生理想的减水和增强效果、对混凝土凝结时间影响较小、坍落度保持性较好、与水泥和掺合料适应性相对较好、对混凝土干缩性影响较小（通常不增加干缩）、生产过程中不使用甲醛和不排出废液、so42-和cl-含量小等突出特点，从一开始就受到研究者和部分应用者的推崇。

　　早在20世纪90年代末，上海磁悬浮高速列车轨道梁工程的设计建设时，由于对轨道梁的收缩变形和徐变控制很严格，加之重点工程对原材料的性能要求较高，聚羧酸系减水剂得以成功应用。

本世纪开工建设的洋山深水港工程、连接上海与宁波的杭州湾跨海大桥工程中，服务基准期100年的混凝土耐久性设计理念又为聚羧酸系减水剂的推广应用创造了绝好的条件。

随着研究界、设计界和工程界对聚羧酸系减水剂技术性能的了解，以及研究界、企业界的大力宣传，聚羧酸系减水剂已被列为本世纪一项重要的产业，高速铁路、客运专线、高速公路网、大桥、隧道、大坝、高层建筑等的建设项目以前所未及的速度和工程量摆在人们面前，这需要浇注大量混凝土，而设计者更是将这些工程混凝土的高性能化寄希望于聚羧酸系减水剂。

　　一时间，国内众多外加剂生产厂积极筹建聚羧酸系减水剂合成生产线，另有一些从未从事过外加剂生产、经营和应用的企业也积极投身聚羧酸系减水剂行业，而更有大量的外加剂复配企业旋即声称自己能够提供性能优异的聚羧酸系减水剂，而且功能分类之细、说明书反映的性能之好，令人叹为观止。

的确，聚羧酸系减水剂在减水、降低混凝土用水量和增强方面是其它品种减水剂所不及的。

这一点尤其极大地满足了高耐久性混凝土对粉煤灰、矿渣粉掺量较大时混凝土水胶比和总用水量的控制。

但同时，我们必须清醒地认识到，对实际工程来说，“混凝土”三个字的涵义之深、承载责任之重，是所有其它工程材料所无法比拟的。

领会“原材料和配合比”仅仅了解了混凝土的一个微小部分，而深刻理解工程对其各项性能的要求，各项性能之间的复杂关系以及单个和综合性能的获得途径，可能需要耗费毕生经历。

这就是混凝土材料的复杂性。

　　工程界总是将水泥、掺合料、砂石集料看得过于简单，从而将解决混凝土施工性和其它各种性能要求的问题过多地寄希望于外加剂，这无形之中增加了聚羧酸系减水剂的技术重担。

再者，不考虑其它原材料以及其它原材料与外加剂之间的相互作用，而孤立地去认识外加剂问题，去指责外加剂，为外加剂工作者增添了难以名状的各种困难。

这也正是工程界过多地寄希望于聚羧酸系减水剂，而在聚羧酸系减水剂的应用和采用聚羧酸系减水剂配制的混凝土的应用方面却常常产生许多技术难题，又一时无法正确解决的原因之所在。

　　本文将简要回顾聚羧酸系减水剂应用取得的成果，并就聚羧酸系减水剂于这些工程中应用所表现出的一些问题，从聚羧酸系减水剂本身的应用技术特点出发，为安全高效利用聚羧酸系减水剂献言献策。

　　需要说明的是，本文所指的聚羧酸系减水剂以及所分析的掺聚羧酸系减水剂混凝土的各种性能表现，并非只针对经合成得到的聚羧酸系减水剂母体，而同时包括生产厂根据需要可能加入调凝剂、消泡剂或/和引气剂、增稠剂等复配而成的产品。

　　二、应用聚羧酸系减水剂取得的成绩

　　聚羧酸系减水剂是一类分子中含羧基接枝共聚物的表面活性剂。

其分子结构呈梳型；主链短，由含羧基的活性单体聚合而成；侧链长，主要为peo链；具有较高的空间位阻效应。

其具有许多独特的优点，如低掺量、高减水率、低坍落度损失、不缓凝、使用效果不受掺加顺序影响等，其某些性能还可以通过优化合成工艺而达到，如改变聚合方法可调整分散性能和引气性能等。

另外，由于聚羧酸系减水剂合成生产过程中不使用甲醛和其它任何有害原材料，环保问题也可以得到很好的解决。

　　过去认为聚羧酸系减水剂成本高，只适合用于高强混凝土、自密实混凝土、清水混凝土、混凝土预制构件等特种混凝土。

经过这几年对聚羧酸系减水剂的技术经济性的研究及聚羧酸系减水剂生产工艺的优化，国内原材料企业开始关注和积极转向聚羧酸盐原料的生产供应，其生产成本有所降低。

目前，聚羧酸系减水剂已不仅应用于重大工程，而且还应用于少数普通工程；不仅应用于特种混凝土，而且还应用于普通混凝土中。

据统计，我国已成功应用聚羧酸系减水剂的工程包括：

上海磁悬浮列车轨道梁工程，三峡工程，溪洛渡水电站，锦屏水电站，大小洋山港工程，宁波北伦港二期工程，苏通大桥，东海大桥，杭州湾跨海大桥，北京地铁隧道工程，首都国际机场扩建工程，北京燕莎盛世大厦，杭州西湖文化广场，浙江财经学院体育中心，图书馆，实验科技楼等。

另外，我国东部地区的部分搅拌站已经开始使用聚羧酸系减水剂来配制商品混凝土。

　　我国四横四纵、三个城际快运共1.2万km的快速客运网，以及2.7万km既有客运网线路的改造，已为混凝土外加剂，尤其是聚羧酸系减水剂的生产和应用创造了绝好的机会。

国内外举世瞩目的京沪高速铁路全长1300公里，混凝土总方量约8000万方，如果全部使用聚羧酸盐减水剂，其用量约24万吨。

目前我国聚羧酸系减水剂的产量占减水剂总产量的比例已开始上升，上海2005年已达到5.0%以上（2004年为2.0%）。

据不完全统计，2005年我国聚羧酸系减水剂使用量约5万吨，2006年约15万吨，2007年这一纪录仍将被更改。

而价格方面，建工混凝土中使用的国产聚羧酸系减水剂参考价格也已降至5500-6500元/吨（20%浓度），铁路客运专线使用的聚羧酸系减水剂参考价格也已降至7500-8000元/吨（20%浓度），达到可以接受的程度。

　　三、应用聚羧酸系减水剂遇到的问题

　　由于聚羧酸系减水剂被认为是一种高性能减水剂，人们总是期望其在应用中比传统的萘系高效减水剂更安全、更高效、适应能力更强，但工程中总是更多地碰到这样那样的问题，常常事与愿违，而且有些问题还是使用其它品种减水剂时所从未遇见的，如混凝土拌合料异常干涩、无法卸料，更别谈泵送浇注了；或者混凝土拌合料分层严重等。

另外，应用萘系减水剂所遇见的技术难题，通过近20年的研究已基本上从理论和实践上得到解决，而应用聚羧酸系减水剂出现的问题正在发生，还未来得及着手研究和找到正确的解决措施，无疑为聚羧酸系减水剂的安全、高效应用带来很大阻力。

虽然聚羧酸系减水剂的开发研究、生产和应用对混凝土工业的发展起着重大的作用，但毕竟聚羧酸系减水剂属于新产品，其生产技术还未被普遍掌握，工程中应用经验相对缺乏，应用时存在诸多技术难题，再加上人们对其认识程度不深，给这种新产品的全面、快速推广也形成一定阻力。

为安全、高效、功半事倍地应用聚羧酸系减水剂，为高性能的混凝土结构工程提供保证，外加剂生产者提供满足各项检测指标要求的聚羧酸系减水剂产品仅仅是问题的一个方面。

由于混凝土原材料的复杂性、多变性，工程技术要求的多样化，加之聚羧酸系减水剂区别于其它品种减水剂的性能特点，工程界应该更深入地了解这种新型产品，考虑使用这种产品可能产生的技术难题，采取有效措施避免不良现象的发生和适时解决这些难题。

　　四、聚羧酸系减水剂区别于传统减水剂的技术特点

（一）减水效果对混凝土原材料和配合比的依赖性大

　　减水率是一个十分严格的定义，仅是指按照《gb8076-1997混凝土外加剂》标准，采用基准水泥、一定的配合比，一定的搅拌工艺、控制混凝土坍落度为8+1cm时测得的数据。

但人们总是在很多不同场