超长保坍湿喷混凝土用聚羧酸系减水剂的应用性能评价

温金保，唐修生，祝烨然，黄国泓，马进南，蔡明

[1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2.南京瑞迪高新技术有限公司，江苏 南京 210024；3.江苏省（瑞迪）水工新材料工程技术研究中心，江苏南京210024]

超长保坍湿喷混凝土用聚羧酸系减水剂的应用性能评价

温金保1，2，3，唐修生1，2，3，祝烨然1，2，3，黄国泓1，2，3，马进南2，3，蔡明1，2，3

[1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2.南京瑞迪高新技术有限公司，江苏 南京 210024；3.江苏省（瑞迪）水工新材料工程技术研究中心，江苏南京210024]

以坍落度损失率及扩展度损失率为主要考察指标，采用正交法制备出超长保坍湿喷混凝土用聚羧酸系减水剂，并对该减水剂进行了不同掺量、不同水泥品种、不同胶凝材料用量及不同环境温度下的长时间保坍性能的评价。结果表明，该减水剂随掺量的提高，坍落度及扩展度的保持性能得到显著的提升，与不同水泥具有相对广泛的高保坍适应性，但该减水剂需要一定用量的胶凝材料才能赋予湿喷混凝土长时间的高保坍性能；环境温度对该减水剂的长时间保坍性能存在一定的影响，但该减水剂依然可以在40℃的环境温度下实现超长时间（4～6 h）的保坍，满足长时间泵送施工的技术要求。

湿喷混凝土；聚羧酸系减水剂；超长保坍；坍落度损失率；扩展度损失率；环境温度

0 引言

随着我国经济的快速发展和建筑水平的提高，对混凝土质量要求越来越高，尤其是泵送混凝土的发展与兴起，混凝土的工作性正向流态化方向发展，要求混凝土拌和物在经过较长时间的运输和停放后仍能维持较高的流动性，保证混凝土泵送的顺利进行。然而坍落度及流动性损失[1-3]又是所有混凝土的正常现象，即造成了所谓的混凝土坍落度损失。坍落度经时损失是衡量混凝土尤其是高性能混凝土施工性能优良与否的关键性指标[4]。在施工过程中，坍落度损失很容易造成堵泵和施工困难以及拆模后混凝土的蜂窝麻面现象，甚至产生工程质量问题，这些问题的存在均影响了泵送混凝土的施工应用。目前，已建成的各类水工隧洞超过10 000 km，正在建设的引水隧洞超过1000 km，已规划的引水隧洞工程长度超过2000 km。未来地铁、地下输、储油气工程同样将有大量隧道（洞）需要开挖。并且长度大于10 km的公路隧道、大于20 km的铁路隧道将会越来越多，特长隧道将成为“新常态”[5]。如此大量隧道的开挖兴建将伴随着喷射混凝土的需求量不断上升。相对干喷混凝土而言，湿喷混凝土因具有粉尘污染小、混凝土匀质性好、回弹率低、便于集中生产及质量控制等优越性，成为喷射混凝土的发展趋势。目前，全世界约70%的喷射混凝土都是采用湿喷法施工，挪威、瑞典、日本及加拿大等很多国家的湿喷混凝土应用已占主导地位，斯堪的纳维亚半岛诸国、意大利等几乎是100%的采用湿喷法施工[6]。20世纪80年代初，湿喷混凝土在我国发展起来，并逐渐受到重视。基于湿喷混凝土需要泵送的前提，则需考虑混凝土坍落度经时损失，尤其是超长隧洞用湿喷混凝土则需要混凝土具有超长的保坍性能。可见，开发一种具有超长保坍功能的湿喷混凝土用聚羧酸系减水剂并对其进行应用性能研究有其潜在的必要性。本文主要对研制的超长保坍湿喷混凝土用聚羧酸系减水剂进行应用性能研究。

1 试验

1.1 原材料

水泥：海螺P·O42.5水泥、盘固P·O42.5水泥、金峰P·O 42.5水泥，试验中未作特殊注明时均采用海螺P·O42.5水泥。

骨料：细骨料采用天然砂，细度模数为2.4；湿喷混凝土用粗骨料采用石灰岩碎石，粒径为5～15 mm；混凝土应用性能测试用粗骨料采用石灰岩碎石，二级配，小石粒径为5～10 mm，中石粒径为10～20 mm。

外加剂：强缓释型聚羧酸母液（BT），浓度为40%；固体羟基羧酸盐保坍助剂（HN）；液体黏性调节剂（TJJ），浓度为35%；固体复合型控水剂（KSJ）。均由南京瑞迪高新技术有限公司提供。

水：自来水。

1.2 试验方法

超长保坍湿喷用聚羧酸系减水剂试验主要采用长时间坍落度损失、扩展度损失以及抗压强度为主要评价指标，参照GB 8076—2008《混凝土外加剂》进行。试验湿喷混凝土的配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）=500∶939∶626∶（约200），实际用水量以控制混凝土初始坍落度达到（250± 10）mm时为准。以下混凝土试验在未作特别说明时均按此配方配制。

2 结果与讨论

2.1 复合减水剂的制备

基于湿喷混凝土超长时间（4～6 h）保坍的技术要求以及因高砂率导致混凝土自身黏稠的特点考虑，利用具有强化学缓释功能的聚羧酸系减水剂为主体，并利用控水剂对湿喷混凝土状态进行有效控制以显著提高强化学缓释功能的聚羧酸系减水剂的有效用量，同时对湿喷混凝土辅之以缓凝保坍辅助功能及黏性调节等功能。通过以上措施以实现减水剂的功能性复合，从而使得湿喷混凝土具备超长时间保坍（4～6 h）的技术要求。

鉴于物理复合型减水剂因各组分之间的相互作用对混凝土的保坍性能所产生的影响是在单因素法中无法体现的，因此，在已有单因素法的试验成果基础上采用正交试验方法来制备复合型减水剂，以5 h坍落度经时损失率及5 h扩展度经时损失率为主要指标来评价减水剂的保坍性能。正交试验因素水平、试验方案及试验结果分别见表1和表2。

表1 正交试验因素水平

表2 正交试验方案及试验结果

由表2可知，就5 h坍落度损失率而言，各因素极差由大到小分别为A、B、D、C，可见，因素A的影响最为显著，且随着掺量的增加，损失率逐渐减小，依据表2数据可确定湿喷混凝土5 h坍落度保持性能最佳的配方为A3B3D3C3。同样，由5 h扩展度损失率因素极差水平分析数据可知，各因素极差由大到小分别为A、B、C、D，可见，依然是因素A的影响最为显著，且随着掺量的上升，损失率逐渐减小，且减小幅度非常显著，由表2数据同样可确定湿喷混凝土5 h扩展度保持性能最佳的配方为A3B3C3D3。综合考虑坍落度损失率及扩展度损失率因素极差水平分析结果可知，超长保坍湿喷混凝土用聚羧酸系减水剂的最佳配方为A3B3C3D3。

2.2 减水剂混凝土应用性能

试验依据GB 8076—2008中高性能聚羧酸减水剂的试验方法进行，主要进行了减水率、1 h坍落度经时损失、含气量、凝结时间差以及各龄期抗压强度比等指标的测试，其混凝土测试配合比及测试结果分别见表3和表4。

表3 减水剂混凝土性能测试配合比kg/m3

表4 减水剂混凝土应用性能测试结果

由表4可见，该减水剂在掺量为1.0%时，具有较高的减水效果（减水率为34.7%）、较强的缓凝性能（初、终凝结时间差分别为575 min和650 min）及显著的增强效果（3 d、7 d和28 d抗压强度比分别为191%、179%和156%），同时含气量适中，1 h坍落度经时损失小，结果表明该减水剂性能优异。

2.3 不同掺量下减水剂的长时间保坍性能

选取减水剂掺量分别为0.6%、0.8%、1.0%及1.2%进行长时间保坍性能试验，鉴于减水剂减水效果随着掺量的提高而逐渐增大的因素存在，试验通过控制混凝土拌合用水量进行，即按减水剂每增加0.2%的掺量，拌合用水量则降低5 kg/m3，试验结果见表5。

表5 减水剂不同掺量下的长时间保坍性能

由表5可见：

（1）随着减水剂掺量的提高，减水效果呈逐渐增大的趋势，增幅随掺量的提高逐渐减小，同时各龄期抗压强度随掺量的提高而呈逐渐增大趋势，这主要是因为水胶比逐渐降低的结果。

（2）在相同掺量及相同经历时间的前提下，混凝土扩展度损失率要远大于坍落度损失率。2.0 h坍落度损失率随减水剂掺量的提高而减小，最大损失率为12.5%，最小损失率仅有2.0%，2.0 h扩展度损失率随掺量的提高先逐渐减小后趋于稳定，最大损失率为35.7%，最小损失率为15.6%，可见，该减水剂2 h坍落度保持性能优异；3.5 h坍落度损失率随掺量的提高表现为先减小后趋于稳定，最大损失率为20.8%，最小损失率为7.8%，3.5 h扩展度损失率随减水剂掺量的提高而逐渐减小，最大损失率为40.0%，最小损失率为24.6%，可见，该减水剂3.5 h坍落度保持性能依然非常优异；无论是5.0 h坍落度损失率还是扩展度损失率，均随掺量的提高先减小后趋于稳定，其中最大5.0 h坍落度损失率为22.9%，最小损失率为9.8%，最大5.0 h扩展度损失率为47.8%，最小损失率为34.3%，通过该结果分析可知，该减水剂的5.0 h坍落度保持性能与3.5 h坍落度保持性能比较接近，而5.0 h扩展度损失率要大于3.5 h扩展度损失率；6.5 h坍落度损失率随掺量的提高而逐渐减小，在掺量0.6%时损失率为50%达到最大，最小损失率为13.7%，6.5 h扩展度损失率随掺量的提高先减小后趋于稳定，最大损失率为65.2%，最小损失率为38.1%，可见，该减水剂在较高掺量时，依然具有很好的坍落度保持性能，当掺量提高到0.8%以上时，6.5 h坍落度损失率小于30%，而6.5 h扩展度损失率则相对较大。

综上可知，该减水剂在较高掺量时，具有优异的长时间坍落度保持性能，完全能够满足混凝土的泵送施工要求。

2.4 减水剂对不同水泥的长时间保坍性能

选取3种P·O42.5水泥进行减水剂的长时间保坍性能试验，减水剂掺量均为1.0%，试验结果见表6。

由表6可见：

（1）在混凝土单方用水量相同的前提下，用金峰水泥的混凝土初始扩展度明显小于用另外2种水泥的混凝土，该现象表明金峰水泥需水量大于另外2种水泥，且6.5 h时用3种水泥的混凝土均保持着230 mm以上的坍落度和400 mm以上的扩展度，海螺水泥的6.5 h扩展度甚至高达570 mm，可见，该减水剂对于这3种水泥均具有优异的长时间坍落度和扩展度保持性能。

表6 不同水泥品种掺减水剂的长时间保坍性能

（2）3种水泥的2.0 h坍落度损失率均为负值，表明2.0 h坍落度存在增大现象，最大增大值为金峰水泥的5.9%，同时，海螺水泥和金峰水泥的2.0 h扩展度损失率也为负值，即存在扩展度增大现象，仅有盘固水泥存在扩展度减小的现象，最大增大值为金峰水泥的18.1%，可见，该减水剂对金峰水泥的2.0 h保坍性能最好，盘固水泥最差。海螺水泥和盘固水泥的3.5 h坍落度损失率为0，而金峰水泥的3.5 h坍落度存在增大现象，3.5 h扩展度损失率与2.0 h扩展度损失率类似，即海螺水泥和金峰水泥存在扩展度增大现象，而盘固水泥则存在扩展度减小现象，可见，该减水剂对3种水泥的3.5 h坍落度保持性能和3.5 h扩展度保持性能均具有优异的效果。除了金峰水泥的5.0 h坍落度损失率为0以外，其余2种水泥的5.0 h坍落度开始出现损失，而金峰水泥和海螺水泥的5.0 h扩展度损失率依然是负值，盘固水泥的5.0 h扩展度损失率则还是正值。3种水泥的6.5 h坍落度损失率和6.5 h扩展度损失率均为正值，表明3种均已不同程度的出现损失现象，扩展度保持性能依然是金峰水泥最佳，海螺次之，盘固水泥则最差。综上分析可见，就试验3种水泥而言，该减水对金峰水泥的减水效果最差，但保坍效果最好，6.5 h坍落度损失率仅为5.9%，6.5 h扩展度损失率仅为8.6%。

2.5 不同胶凝材料用量时减水剂的长时间保坍性能

鉴于湿喷混凝土施工配合比存在不同的强度等级，因此，进行了减水剂应用于不同单方水泥用量的长时间保坍性能试验，选取单方水泥的用量分别为500、420、360 kg/m3，同时选定相应的水灰比分别为0.40、0.45、0.50，试验混凝土配合比及试验结果分别见表7、表8。

表7 不同胶材用量混凝土的配合比kg/m3

表8 不同胶材用量时减水剂的长时间保坍性能

由表8可见：

（1）随着水灰比的增大，初始坍落度和初始扩展度均呈减小的趋势，扩展度变化尤为明显，原因之一可能是单方用水量减水从而导致初始工作度变小，原因之二可能是虽然水灰比增大，但胶凝材料总量降低，因此减水剂单方添加量大大降低，从而导致减水效果降低。

（2）随着水灰比的增大，即胶凝材料总量的降低，不同时间下的坍落度损失率值均表现为越来越大，结果表明坍落度损失越来越大，其中6.5 h坍落度损失率的变化幅度尤为明显；同时，在水灰比一定的前提下，随着时间的延长，坍落度损失率值也呈现越来越大的趋势，即坍落度损失越来越大。

（3）扩展度损失率的变化规律与坍落度损失率的变化规律极为相似，随着水灰比的增大，不同时间下的扩展度损失率值均表现为越来越大，即扩展度损失越来越大，且6.5 h扩展度损失率值变化幅度最为明显；同时，在水灰比不变的前提下，随着时间的延长扩展度损失率值也呈现越来越大的趋势，即扩展度损失越来越大，其变化幅度随水灰比的增大而愈加明显。上述结果表明，胶凝材料用量越低，随时间的延长，混凝土坍落度、扩展度损失程度加剧。

2.6 不同环境温度下减水剂的长时间保坍性能

考虑到混凝土的施工性能与工况条件密切相关，尤其是环境温度对混凝土的坍落度损失影响较为明显，因此，进行了不同环境温度下减水剂的长时间保坍性能试验，试验的环境温度分别为25、30及40℃，试验结果见表9。

表9 不同环境温度下减水剂的长时间保坍性能

由表9可见：

（1）当温度为40℃时，混凝土的长时间坍落度及扩展度损失均明显大于温度为25℃和30℃时的长时间坍落度及扩展度损失。

（2）2.0 h坍落度损失率随环境温度的升高先减小后增大，损失率值均不大于0，表明2.0 h均无坍落度损失产生；3.5 h和5.0 h坍落度损失率均随环境温度升高而逐渐变大；6.5 h坍落度损失率随环境温度升高先减小后急剧增大。

（3）2.0 h和3.5 h扩展度损失率随环境温度的升高而逐渐增大；3.5 h扩展度损失率变化幅度相对更为明显；5.0 h和6.5 h扩展度损失率随环境温度升高先减小后急剧增大。

上述结果表明，环境温度对混凝土扩展度保持性能影响较大，总体而言，环境温度越高，扩展度损失越大，尤其是温度越高，对工作度保持性能随时间的延长，其变化幅度的影响更为明显，即高温极大地影响了湿喷混凝土的长时间保坍性能。

3 结语

（1）试验利用具有强缓释功能的聚羧酸母液为主体，同时辅之以保坍助剂、黏性调节剂、控水剂进行功能性复合，通过正交试验研制了超长保坍湿喷混凝土用聚羧酸系减水剂。测试结果表明，该减水剂掺量为1.0%时减水率高达34.7%；同时在高缓凝（初、终凝结时间差分别为575 min和650 min）的条件下实现了高增强，3 d抗压强度比高达191%，28 d抗压强度比高达156%；并具有优异的保坍性能，1 h坍落度、扩展度几乎无损失。

（2）随该减水剂掺量的提高，湿喷混凝土的扩展度保持性能得到显著提升，经与多种水泥试验结果表明，该减水剂均表现出优异的长时间保坍性能，可见该减水剂对水泥具有相对广泛的长时间保坍适应性。

（3）随胶凝材料用量的减少，该减水剂的保坍性能逐渐变差，表明该减水剂需要一定用量的胶凝材料才能赋予长时间的高保坍性能。

（4）环境温度对该减水剂的长时间保坍性能存在一定的影响，但该减水剂依然可以在40℃的环境温度下实现长时间的保坍，满足长时间泵送施工的技术要求。

[1]刘光锐，陈国清，容豪，等.高石粉含量普通混凝土的坍落度损失问题及解决措施[J].新型建筑材料，2014（11）：33-35，40.

[2]刘霞，詹美洲，许启明，等.静态与动态混凝土的坍落度损失研究与应用[J].混凝土，2008（2）：111-112.

[3]孙庆巍，周梅，陈健.减水剂的品种和掺量对预拌混凝土坍落度/扩展度经时损失的影响[J].硅酸盐通报，2012，31（2）：469-474.

[4]徐清.掺高效减水剂混凝土坍落度损失的控制[J].新型建筑材料，2000（8）：16-18.

[5]洪开荣.我国隧道及地下工程发展现状与展望[J].隧道建设，2015（2）：95-107.

[6]关宝树.隧道及地下工程喷混凝土支护技术[M].北京：人民交通出版社，2009.

《屋顶绿化用耐根穿刺防水卷材》国家标准第三次工作会议在杭州召开

日前，《屋顶绿化用耐根穿刺防水卷材》国家标准第三次工作会议在杭州召开，中国建筑防水协会秘书长朱冬青、建筑材料工业技术监督研究中心教授级高级工程师杨斌、中国建筑材料科学研究总院苏州防水研究院教授级高级工程师朱志远及标准起草参与单位的56名代表参加会议。

《屋顶绿化用耐根穿刺防水卷材》国家标准制在行业标准JC/T 1075—2008《种植屋面用防水卷材》的基础上制订，建筑材料工业技术监督研究中心、中国建筑材料科学研究总院苏州防水研究院、北京建筑材料科学研究总院、中国建筑防水协会负责组织有关生产企业、科研院所、质检机构等参加起草。

朱志远介绍了《屋顶绿化用耐根穿刺防水卷材》国家标准制订的内容、依据及验证试验情况，北京市园林院王茂良博士汇报防水卷材耐根穿刺的验证试验情况，此次工作会议讨论、听取了与会代表对《屋顶绿化用耐根穿刺防水卷材》国家标准（送审稿草案）的意见，讨论安排了《屋顶绿化用耐根穿刺防水卷材》国家标准审查会前的各项准备工作。（生）

Application performance evaluation of polycarboxylate superplasticizer for wet-shotcreting with long slump retaining ability

WEN Jinbao1，2，3，TANG Xiusheng1，2，3，ZHU Yeran1，2，3，HUANG Guohong1，2，3，MA Jinnan2，3，CAI Ming1，2，3
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China；2.Nanjing R&D High Technology Co.Ltd.，Nanjing 210024，China；3.Research Center on New Materials in Hydraulic Structures of Jiangsu R&D，Nanjing 210024，China）

With long slump retaining ability，the polycarboxylate superplasticizer was prepared by using the orthogonal method and the slump retaining ability for long time was evaluated by testing slump loss rate and slump flow loss rate as main investigation index under different superplasticizer dosage，different kinds of cement，different cementitious materials dosage and different environment temperature.The results show that retaining ability of slump flow has been significantly improved with the increase of the dosage of superplasticizer.Superplasticizer has good compatibility about the slump retaining ability for long time with different kinds of cement.However，only with a certain amount of binding materials，the better slump retaining ability for long time is obtained about wet-shotcreting prepared by superplasticizer.Environment temperature has an effect on the slump retaining ability for long time of superplasticizer，but it can still achieve slump retaining ability for long time（4～6 h）at 40 centigrade ambient temperature and meet the technical requirements of long time pumping construction.

wet-shotcreting，polycarboxylate superplasticizer，long slump retaining ability，slump loss rate，slump flow loss rate，ambient temperature

TU528.042.2

A

1001-702X（2016）12-0020-05

2016-04-22；

2016-05-18

温金保，男，1975年生，江西宁都人，硕士，高级工程师，从事高性能混凝土及混凝土外加剂相关领域的研究工作。