聚羧酸减水剂在低胶材用量自密实混凝土中的应用

李林

（巴斯夫化学建材（中国）有限公司，上海，200137）

1 前言

近年来，商品混凝土在中国得到了迅猛的发展，据统计2011 年中国商品混凝土产量已达7.4 亿立方米，同比增长了27.20%[1]，如需达到发达国家商品混凝土占现浇混凝土的60%以上，设2010 ～2017 年按年增长率15%递增，我国将在2015 年左右达此目标(年产18 亿立方米)，这同时说明商品混凝土在中国发展的空间依然很大。而低强度等级混凝土在混凝土中所占的比例最大，据相关统计资料显示，我国C40 以上强度级别混凝土只占15.72%[2]，而在欧洲，C25～C30 等级的混凝土有三亿二千五百万立方米，这大约占了欧盟商品混凝土的88%[3]。因此这个强度等级的混凝土性能的改善和施工技术的进步，对整个混凝土行业的发展具有广泛而深远的影响。

混凝土性能的改善及其施工技术的进步与外加剂紧密相关，而聚羧酸高性能减水剂代表着混凝土减水剂目前的最高技术。混凝土聚羧酸高性能减水剂早在20 世纪80 年代中期由日本开发，并且很快就应用于混凝土工程，90 年代在混凝土工程中大量使用。据报道[4]，1995 年聚羧酸系减水剂在日本的使用量已经超过了萘系减水剂；1998 年日本聚羧酸系产品已占所有高性能AE 减水剂产品总数的60%以上，而萘系只占22%[5]；到2001 年为止，聚羧酸系减水剂用量在AE 减水剂中已超过了80%。但是，目前我国使用的高效减水剂仍以萘系为主，据中国混凝土网统计，2009 年萘系等二代减水剂占全部合成减水剂总产量67.5%，2010 年占67.1%，2011 年占66.5%，虽然所占比例逐年下降，但单纯地从减水剂的消费结构来看，二代减水剂消费比例较大,占高效减水剂总用量的60%以上。因此参考发达国家混凝土减水剂比例构成，聚羧酸高性能减水剂在中国势必会有广阔的应用空间。然而同其它高效减水剂相比，聚羧酸价格高，对原材料，尤其是胶凝材料较敏感，使得聚羧酸减水剂应用受到限制，这些因素在低强度等级混凝土中影响尤甚，因此目前聚羧酸仅被应用在高强混凝土或者对外加剂有要求的重点工程中。

2 面临的问题与挑战

2.1 原材料

（1）水泥品种多，质量波动大，各种水泥甚至同种水泥均存在水泥熟料成分、掺合料种类、颗粒形貌、比表面积等因素的差别，从而直接影响混凝土的新拌性能和工作性，给混凝土外加剂的适应性带来很大困难，主要表现在混凝土的包裹性、粘聚性、坍损、泌水等性能方面。

（2）粉煤灰是混凝土重要的掺合料，对于泵送混凝土，粉煤灰的轻质性（密度小于水泥）和自然的球状形貌增加了混凝土浆体的包裹性和和易性，有利于泵送。但随着用量需求增加，所用粉煤灰的质量普遍有所下降，活性指数普遍低于0.5，需水比一般大于110%。

（3）由于供求关系，矿粉的价格持续处于高位，几乎与水泥不相上下，某些地区几乎没有S95 级矿粉供应，只能采用S75 级矿粉。

（4）国内粗骨料以碎石为主，颗粒形状差，针片率与含泥量高，石粉含量高。级配好的中砂目前已出现供应短缺现象，细砂与机制砂的应用已越来越多。

（5）本地外加剂以萘系为主，脂肪族、氨基磺酸盐、木质素为辅，生产厂家技术水平良莠不齐，质量波动大。规模较小的聚羧酸生产企业越来越多，而合成技术和工艺不成熟，导致产品性能不稳定，其产品普遍特点是减水率还可以，但混凝土和易性差，坍落度损失快。

2.2 混凝土质量控制的挑战

（1）由于水泥种类较多，每种水泥的性能差异都会造成混凝土质量的波动，尤其是与外加剂的适应性，为避免频繁调整配合比，在试配时往往会采用较高的富余系数来保证混凝土的工作性和质量。

（2）砂石质量越来越差，如胶材少就难以达到混凝土应有的包裹性和粘聚性，且混凝土的稳定性变差，用水量控制不准就会造成混凝土泌水、离析；由于砂石含泥量增加，外加剂的掺量也会增加，且会影响混凝土成型后的强度。

（3）粉煤灰和矿粉强度活性偏低且多不稳定，粉煤灰的需水比和烧失量大，这些不利因素使技术人员在配合比设计时只能增加水泥的用量或采用较低水胶比，增加外加剂掺量来保证混凝土的性能和质量。

（4）由于劳动力的逐渐缺乏，施工单位对混凝土的工作性有新的要求，如泵送混凝土坍落度从原有的14～18cm 增加到现有的18～22cm，流动性的增加降低混凝土浆体的粘滞力，在骨料自重或外力等因素的影响下破坏了流变性能与粘聚性能的平衡体系，容易出现离析泌水现象，如何解决这种矛盾是在混凝土配合比设计和生产中必须考虑的问题。

（5）混凝土生产企业面临激烈的价格竞争，货款拖欠严重，这就使得混凝土生产企业不断地要求降低混凝土原材料成本，使用质量相对较差的原材料配制出来的混凝土质量难以得到保证。

面对这些挑战，巴斯夫化学建材业务部以制备低成本、自密实、状态稳定的低强度混凝土为目标，成功研发了能够解决或部分解决上述问题的混凝土革新技术, 即智能动力混凝土(Smart Dynamic Concrete TM，SDC）。

3 智能动力混凝土

智能动力混凝土（也可称作低强度等级的自密实混凝土）解决了普通混凝土的高性能化及聚羧酸减水剂在低强度等级混凝土中应用的敏感性问题，它是对已被广泛认可的自密实混凝土(Self-Consolidation Concrete, SCC)的完善与补充。通常认为，混凝土的自密实性能只能通过使用高效减水剂和大量的粉体材料来实现（见图1），因此，在大多数人眼中SCC 属高端产品，只能用于高强度等级的混凝土，或有特殊设计要求的异形混凝土结构的浇注。另外，聚羧酸高效减水剂是配制自密实混凝土的主要减水剂，其优异的减水与保坍性能已被广泛接受，但当被用于低强度等级混凝土时，其对用水量及集料质量波动的过度敏感，使混凝土生产商望而却步。

图1 普通混凝土与自密实混凝土原材料用量对比

SDC 是用较低的胶凝材料来配制性能稳定的低强度等级自密实混凝土（总胶凝材料用量低于380 kg/m3）以取代C25 ～C35 的普通商品混凝土。为了控制SDC 成本，并充分发挥Glenium®6000 SDC 系列与Rheoplus®5000 SDC 系列外加剂的减水与早强优势，在配比优化中，尽量减少水泥用量，相应增加粉煤灰与矿粉的取代率，适当地降低水灰比，提高砂率。调整的幅度视原材料条件而定，外加剂的配方也会因材料的变化而变化，最终实现各项性能的平衡，实现技术经济性能的最大化。如果在混凝土中降低水泥用量，混凝土粘度也会随之下降，就会较易出现离析泌水现象，这就需要一种粘度改性剂，能够改善水泥砂浆的流变学性能，即适当增加塑性粘度，但不显著影响混凝土流动性（低屈服值），保证低强度等级自密实混凝土匀质性的同时具有良好的流动性。配比中水泥及其它掺和料用量取决于强度等级、耐久性暴露条件以及水灰比，总胶凝材料的用量不以改善自密实性为目的。最后，也是最重要的一点，就是该粘度改性剂的最佳掺量范围要相对宽泛，不能对用水量和原材料质量的波动过于敏感，否则会增加实际生产应用过程中质量控制的压力和难度。基于此，BASF 的科研人员比较分析了各类粘度改性剂的特点，设计并合成了一种新型的粘度改性剂RheoMATRIX®, 并开发了Glenium®6000 SDC 系列（混凝土初始流动度要求600 ～700mm，1 小时后流动度大于600mm）与Rheoplus®5000 SDC 系列（混凝土初始流动度要求500～600mm，1 小时后流动度大于500mm）高性能减水剂产品。与普通聚羧酸减水剂相比，Glenium®6000 SDC 与Rheoplus®5000 SDC 的减水率高，保坍效果好，且能保证自密实混凝土应有的流变性能[6-7]。

4 智能动力混凝土的技术性能

在决定向中国市场推广智能动力混凝土技术之前，我们进行了大量的调研和实验，就该技术在中国市场广泛应用的可行性进行了研究，并与部分商品混凝土公司合作，选择各区域普通的但有代表性的原材料进行了现场试验，结果表明[6-7]，智能动力混凝土通过优化混凝土配合比，使混凝土材料总成本与普通振捣型混凝土相当或略高于普通混凝土（决定于原材料质量的好坏），但性能优势明显，其新拌混凝土性能优于普通萘系混凝土，与更高胶材用量的自密实混凝土性能接近；同时智能动力混凝土的早期强度与普通混凝土相当，28 天强度略高于普通混凝土；收缩性能有一定的改善；弹性模量与传统振捣混凝土相近。鉴于在实验和应用中配制的混凝土强度均达到甚至超出了C30 的设计强度要求，本文在众多实验与现场经验的基础上，列举一些现场试验数据（见表1、表2），仅供参考[7]。

表1 Glenium 6000 SDC 系列现场新拌混凝土的性能

表2 Rheoplus® 5000 SDC 系列现场新拌混凝土的性能

5 智能动力混凝土成本分析

在预制构件行业，自密实混凝土的优越性显而易见，它可以简化生产流程，节约材料成本，提高质量，增加产量，减少修补，降低噪音以及提高安全。而商品混凝土生产商不会从它的生产过程中直接收益，他只有销售自密实混凝土的性能给自己的最终客户。一般情况下，当商品混凝土生产商销售自密实混凝土，尤其是强度较低的SCC 时，他们提供的强度要高于设计值，从而导致自己的材料成本增加，因为他需要通过提高胶凝材料的用量来满足自密实混凝土必须的特殊性能。而过多的水泥或其它胶凝材料用量直接导致生产及运输成本的增加，因此在保证自密实性能的前提下，降低胶凝材料的用量会减少混凝土的单方成本[8]。

智能动力混凝土设计主旨在于通过优化混凝土高性能外加剂配方，调整混凝土配合比，适当降低胶凝材料用量（相对于普通自密实混凝土）来降低混凝土材料成本与施工总成本（SDC 对于混凝土施工总成本的降低更为明显）。当混凝土原材料质量较好时，SDC 成本与普通振捣型混凝土成本相当或有所降低，当原材料质量较差，如粉煤灰质量差，砂石含粉量与含泥量高时，SDC 成本会略高于普通混凝土。下面通过列举两个案例来说明SDC 成本优势（见表3 与表4）。其中表3 为SDC 与普通混凝土原材料成本分析，表3 与图2 为现场浇注混凝土总成本对比分析。

表3 SDC 与普通混凝土原材料成本对比

表3 中，第1 组与第2 组为智能动力混凝土，第3组为满足工程项目的混凝土自密实要求，通过提高胶凝材料用量来配制的一般自密实混凝土。试验结果显示，智能动力混凝土的综合成本更低。第1 组与第2 组比较，掺量提高了0.1%,用水量增加5kg，除强度因水灰比的提高会略有下降外，各项新拌性能依旧稳定。可见，与一般聚羧酸减水剂比较，Glenium 6000 SDC 对用水量和掺量变化的敏感性大大降低。而与第3 组比较，虽然第1 与第2 组水泥用量减少40kg，总胶减少50kg,但混凝土新拌和硬化后性能并不比第3 组差，而且综合成本更低。

表4 现场浇注混凝土工程相关资料（欧洲案例）

对该工程相关部分成本进行核算，得出混凝土施工各环节成本数据，由图2 所示，该工程使用传统混凝土施工总成本为8192RMB，而使用SDC 时，其总成本为7610RMB，节约了近580RMB，这对于建设方来说成本节约巨大。同时图2 所示，单纯从混凝土角度出发，SDC 的成本要高出传统混凝土2%～10%（该工程中混凝土总费用相差100RMB），但是浇注总成本降低570RMB，如果建设方将利润中的10%转移至混凝土供应商，那么对混凝土供应商来说可以实现SDC 与普通混凝土等利润，完全能够做到建设方、施工方、混凝土供应商三赢。

图2 混凝土现场施工成本分析

6 结论

（1）结合我国原材料和混凝土市场的特点，基于新型粘度改性剂与高性能聚羧酸减水剂新技术，提出了以C30 为代表的低强度等级普通混凝土的高性能化的概念及解决方案——智能动力混凝土（Smart Dynamic ConcreteTM, SDC）。该技术基本解决了低强度等级混凝土的自密实及聚羧酸减水剂在低强度等级混凝土中应用的敏感性问题。

（2）基于客户不同需求，开发了两种不同类型的外加剂：Glenium®6000 SDC 系列（混凝土初始流动度要求600mm ～700mm，1 小时后流动度大于600mm）与Rheoplus®5000 SDC 系列（混凝土初始流动度要求500mm ～600mm，1 小时后流动度大于500mm）。与普通聚羧酸减水剂相比，Glenium®6000 SDC 与Rheoplus®5000 SDC 的减水率高，保坍效果好，且能保证低胶材自密实混凝土应有的流变性能[6-7]。

（3）采用SDC 系列高性能减水剂可显著降低混凝土的用水量和胶材用量，并在一定程度上提高混凝土的性能；一方面也可解决因各种原因造成的季节性原材料紧张的问题，同时也为混凝土企业降低一定的成本；降低水泥等胶材的使用量、节约能耗，这不仅符合国家的节能减排政策，也是利国利民的好事。

（4）智能动力混凝土（SDC）这一创新概念符合现有和不断增长的对高流态混凝土的需求，并对混凝土工业的发展产生广泛而深远的影响。我们相信智能动力混凝土的成功推广与应用，必将会提升混凝土生产和使用行业的整体技术进步。

[1]2011 年中国商品混凝土产量增长27.2%[EB/OL].http://www.aski.com

[2]崔源声. 08 年中国混凝土市场分析及前景预测,建筑材料工业技术情报研究所.

[3]Recommendation for Self-Compacting Concrete – Japan Society of Civil Engineers, Tokyo, Japan, August 1999.

[4]刘秉京. 国内外混凝土外加剂现状[J].中国港湾建设,2002(2):7-10

[5]姜国庆. 日本高性能AE 减水剂的研究进程及应用现状.化学建材, 2000(2):42-44.

[6]杨健英，吴慧华，Bruce Christensen 等. 智能动力混凝土—低标号普通混凝土高性能化的探索与实践(一)[J]. 混凝土, 2009(10):47- 49.

[7]杨健英，Bruce Christensen，李林等. 智能动力混凝土—低标号普通混凝土高性能化的探索与实践(二)[J]. 混凝土, 2009(12):11-14.

[8]Mario Corradi. A new Viscosity Modifying Agent (VMA)for low fines content Self-Consolidating Concrete (SCC),Proceedings of the 2nd International Symposium ON Design, Performance and use of Self-Consolidating Concrete SCC’s 2009, Rilem, Beijing, China, June2009, P.246-254.