聚羧酸减水剂在高速公路中的应用

刘雄飞

(娄底市娄星区公路局,湖南娄底 417000)

0 引言

工程中通常要求混凝土具有较高的强度和良好的施工性能,自20世纪50年代起开始采用掺用具有高效减水分散性能的添加剂来降低混凝土的用水量,增加混凝土的强度。减水剂品种有木质素磺酸盐、萘磺酸盐系高效减水剂、磺化三聚氰胺系高效减水剂,其中萘磺酸盐系高效减水剂目前在我国混凝土工程中的使用率仍占绝对优势[1-3]。

与木钙等第一代减水剂以及萘系等第二代高效减水剂相比,聚羧酸类减水剂减水率更高(高达30%～40%),用以配制的高性能混凝土工作性好,不离析,不泌水。具有掺量低、减水率大,与水泥适应性显著改善,坍落度保持性能优异,强度增长明显,生产及使用过程中无任何污染等显著特点,是目前我国萘系等传统第二代高效减水剂理想的更新换代产品。日本、欧美等国已在大量应用聚羧酸系高性水剂,并逐步取代萘系等第二代减水剂。我国对此正处于起步阶段[4-5],国内工程界使用较多的都是进口产品。

目前,高速公路现场施工中存在大量的问题,尤为突出的是工作性问题,在混凝土浇筑过程中,由于减水剂选择不当,导致混凝土坍落度不足,坍落度损失大的现象普遍存在。针对这个问题,本文通过分别在混凝土中掺加萘系减水剂和聚羧酸高效减水剂,并比较掺入2种不同减水剂后混凝土的力学性能和工作性能,从而探讨了聚羧酸高效减水剂在高速公路工程中的应用优势。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1)水泥(C):浏阳南方水泥有限公司生产的PO42.5水泥,化学成分及主要性能指标见表1和表2。

2)粉煤灰(FA):湘潭电厂生产的Ⅰ级粉煤灰,密度为2.62g/cm3,比表面积为460m2/kg,需水量比为96%,化学成分见表1。

表1 水泥和粉煤灰的化学成分%

表2 PO 42.5水泥性能指标

3)砂(S):湘江河砂,级配合格,细度模数2.61,符合Ⅱ区要求。

4)粗骨料(G):碎石,级配合格,符合5～31.5mm的连续级配要求。

5)水(W):自来水。

6)萘系高效减水剂FDN1(科龙);萘系高效减水剂FDN2(天津巨龙);聚羧酸高效减水剂SP1(花王);聚羧酸高效减水剂SP2(博特)。

1.2 试验方法

混凝土拌合物性能试验按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T20080—2002进行。混凝土力学性能试验按《普通混凝土力学试验方法标准》GB/T50081—2002进行,其中立方体抗压强度试件尺寸为100mm×100mm×100 mm,试验结果均已乘换算系数。

2 试验结果和分析

为了比较聚羧酸减水剂和萘系高效减水剂对混凝土工作性能和力学性能的影响,试验采用相同的混凝土配合比,测试减水剂的掺量、减水率,以及不同减水剂下混凝土的初始坍落度和坍落度保持性和强度。

2.1 不同类型减水剂的最佳掺量

公路工程要求混凝土满足初始坍落度为(180±20)cm,采用了同一配合比,试验了4种减水剂达到规范要求的最佳掺量,配合比和试验结果见表3。

表3 不同减水剂掺量下的混凝土坍落度

由表3可知,与萘系减水剂相比,聚羧酸系高效减水剂具有掺量低,坍落度保持性好的特点。在达到相同工作性的状态下,聚羧酸高效减水剂掺量约为萘系的一半;对于1 h后混凝土工作性能,掺萘系减水剂的混凝土坍落度损失均在65 cm以上,而掺聚羧酸高效减水剂的混凝土坍落度损失不到30 cm,这对公路工程混凝土施工是很有利的。

相关研究表明[6]:萘系减水剂分子仅仅靠静电斥力将水泥颗粒分开,保持其稳定性,与其相比,聚羧酸减水剂依靠静电斥力和长侧链的空间位阻作用使其分开,因此有更好的分散性和分散保持性。因此,与萘系减水剂相比,聚羧酸减水剂具有掺量低,分散性能好的特点。

2.2 不同减水剂的减水率

根据规范要求,测试了4种减水剂的减水率,基准混凝土、掺入FDN1、FDN2、SP1、SP2的混凝土分别对应编号A—1、A—2、A—3、A—4、A—5,配合比和试验结果见表4。

表4 不同减水剂的减水率

由表4可见,在使混凝土的工作性能达到规范要求时,聚羧酸减水剂比萘系减水剂减水率更高,且掺量更低。

相关研究表明[7]:混凝土的减水增强效果取决于水泥粒子的分散性和分散稳定性,而水泥粒子的分散稳定性又取决于所吸附的减水剂的电斥力和立体效应。萘系减水剂的减水增强性能主要是利用了DLVO理论,因立体效应没有发挥作用。聚羧酸减水剂利用DLVO电荷排斥效应、Mackor空间位阻效应以及浸透润湿作用,梳型聚合物主链上有一定比例的官能团,如羧基(—COOH)、磺酸基(—SO3H)等来提供电荷斥力,同时在支链上引入长短不同的聚氧烷基烯类侧链,其醚键的氧与水分子形成强力的氢键,并形成亲水性立体保护膜,该保护膜既具有分散性,因此聚羧酸减水剂具有更大的减水率。

2.3 不同减水剂对混凝土强度的影响

为了研究不同减水剂对混凝土强度的影响,测试了不同减水剂但相同配合比下的混凝土的强度,配合比见表3,测试结果见图1。

图1 不同减水剂下混凝土的强度

由图1可知,在相同配合比下,掺入聚羧酸减水剂混凝土的早期强度低于掺入萘系减水剂的混凝土,但掺入聚羧酸减水剂混凝土的后期强度高于掺入萘系减水剂的混凝土。

这是因为,聚羧酸分子结构中存在着多种亲水基团,一方面吸附在水泥颗粒表面,形成水膜,阻止水与水泥颗粒接触;另一方面长侧链形成空间位阻作用,阻止颗粒间团聚,同时吸附游离水。也有人认为:由于R—COO-与Ca2+的作用形成络离子,降低了溶液的[Ca2+]浓度,延迟Ca(OH)2形成结晶,减少C-H-S凝胶的形成,延缓水泥水化,减少水化暂时需水量,有助于增加其塑化效果。与萘系减水剂相比,聚羧酸减水剂有较好的缓凝作用。由于聚羧酸减水剂的缓凝作用,使得混凝土早期水化较慢,强度较低。

3 结论

本文通过研究分别在混凝土中掺入聚羧酸减水剂和萘系减水剂,并测试混凝土的工作性能和力学性能,得到如下结论:

1)在保持相同工作状态下,与萘系减水剂相比,聚羧酸系高效减水剂具有掺量低,坍落度保持性好的特点,这对于公路工程混凝土的施工是有利的。

2)聚羧酸高效减水剂比萘系减水剂具有掺量低,减水率高的优点。

3)在相同配合比下,掺入聚羧酸减水剂混凝土的早期强度低于掺入萘系减水剂的混凝土,但掺入聚羧酸减水剂混凝土的后期强度高于掺入萘系减水剂的混凝土。

[1]刘德春,卢忠远,崔绍波,等.新型高效萘系减水剂的合成及性能研究[J].硅酸盐通报,2006,25(5):137-142.

[2]朱洪波,马保国,董荣珍,等.高C3S水泥与萘系减水剂的适应性分析[J].混凝土,2004,12(182):26-28.

[3]齐亚非,高俊刚.改性萘系减水剂的合成与性能表征[J].新型建筑材料,2003(3):28-30.

[4]林忠斌,杨中军,刘炜峰,等.聚羧酸减水剂在海工混凝土工程中的应用[J].混凝土,2007,217(11):43-48.

[5]陈峭卉,杨 军,陈应钦,等.新型聚羧酸减水剂的研究[J].新型建筑材料,2007(7):1-4.

[6]马保国,谭洪波,马 玲,等.HX聚羧酸系减水剂性能研究[J].混凝土,2007,213(7):41-43.

[7]冉千平,游有鲲,丁 蓓.低引气性聚羧酸类高效减水剂的制备及其性能研究[J].新型建筑材料,2003(6):33-35.