聚羧酸减水剂对机制砂混凝土的性能影响

财富 2024-11-18 09:01 上海

0引言

河砂作为不可再生资源，每年因为大量采挖，造成河床下沉，生态环境被破坏，因此采用机制砂代替河砂，利用矿石经机器破碎、筛分制成，生产出来的级配合理的产品，与河砂的性能相近。然而，经机器加工的机制砂，细粉含量较多，导致拌制混凝土过程中，和易性较差，容易产生离析、泌水现象。

随着减水剂的加入，能够有效改善这一问题，史采星等分析减水剂能够提高充填料浆的流动性，并且有效降低部分成本。高贺然等分析萘系和聚羧酸减水剂，聚羧酸系减水剂对磷尾矿充填料浆流动性能的影响更显著。吕昌裕等在减水剂生产中引入官能团，提高减水剂在含泥量较高的砂石混凝土中的分散性和保坍性，并且有效提高了混凝土的抗压强度。

大连湾海底隧道建设工程混凝土施工所用机制砂采用干法工艺石粉含量波动较大，因此，本文对合成聚羧酸减水剂不同生产工艺及复配不同实例，对石粉含量及不同含泥量机制砂适应性进行研究，并探究在实际工程中应用效果，希望能为减水剂生产及混凝土施工提供一定理论依据，促进减水剂的推广与应用。

1试验设计

本文主要对聚羧酸减水剂进行胶凝材料适应性能测试，研究减水剂对不同产地、种类、类别的胶凝材料进行流动度测试，对其进行混凝土性能测试，研究减水剂对不同石粉、泥土含量的机制砂的抗泥效果，并且对其实际应用效果评价。水泥：试验所用P·O42.5水泥为大连山水水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，其物理性能及化学成分分别见表1、表2。

聚羧酸减水剂：本文所用减水剂为TPEG及EPEG两种生产工艺，其中TPEG为4C单体合成工艺，EPEG为6C单体合成工艺，其红外光谱如图1所示，结果表明2种聚羧酸减水剂的吸收峰位置相近，2789.23cm-1处为烃类饱和C-H伸缩振动峰，其弯曲振动峰在1471.65cm-1和1345.17cm-1；1725.58cm-1处为羧酸C=O伸缩振动峰；1106.83cm-1、965.47cm-1处的吸收峰是长侧链聚氧乙烯醚的特征吸收峰，其中1106.83cm-1是醚键C-O-C的伸缩振动峰，965.47cm-1和842.54cm-1分别为C-O和C-C伸缩振动峰。

由红外结果可判断，2种聚羧酸减水剂中含有聚氧乙烯醚和羧基等基团，达到了预期设计分子结构。粉煤灰：试验所用粉煤灰为大连维范粉煤灰加工厂生产的I级粉煤灰，化学组成成分如表2所示。

矿渣粉：选用大连众鑫公司生产矿渣粉，S95级，主要化学成分见表2。

砂：大连本地的机制砂。

石：选用大连本地碎石。

本试验所需要的主要仪器如表3所示。

1）混凝土坍落度的测定

参照国家标准GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和GB8076-2008《混凝土外加剂》中的相关规定进行新拌混凝土和1h后混凝土坍落度的测定。

2）红外光谱表征

试验采用上海昌吉生产的SYD-0673型红外光谱仪进行红外光谱测定，通过对红外谱图中各特征吸收峰的分析，反映出分子的结构特征，从而确定化合物的基本组成。

2试验结果与分析

2.1不同产地、种类胶凝材料适应性研究

针对TPEG及EPEG两种工艺聚羧酸减水剂对大连水泥厂、广西华润、武汉华新水泥进行水泥净浆流动度测定，不同产地、种类胶凝材料适应性研究结果如表4所示，试验结果表明EPEG工艺减水剂在胶凝材料地区变化过程中，展现良好的适应性，净浆流动度经时损失小，性能良好。

2.2不同石粉含量的机制砂适应性研究

大连湾海底隧道建设工程混凝土所用机制砂的石粉含量虽满足GB/T14684-2022《建设用砂》技术要求，但石粉含量在5%～9%范围内波动较大，减水剂需保证混凝土不泌水状态下，提高掺量范围。

表5为不同石粉含量混凝土坍落度及1h坍落度损失，针对大连湾海底隧道建设工程主体结构混凝土施工配合比，石粉含量对机制砂混凝土物理性能影响，坍落度随石粉含量增加而减小的趋势；为保证相同的坍落度及1h坍落度损失，随石粉含量的增加需适当增加减水剂的量。

2.3不同泥土含量机制砂敏感性研究

在混凝土施工过程中，混凝土砂石中含有一定量泥土，这些泥土为砂石中泥块量，含有一定量危害成分，不同的泥土矿物成分也不同，因此混凝土减水剂对不同的泥土适应性有很大差异。

图2为2种减水剂在不同泥土下水泥浆体流动度。从图中可以看出，随着泥块含量逐渐增大，2种工艺减水剂的流动度均随着时间的延长而降低，其中，当泥块含量为0.5%～1.5%时，对于EPEG工艺减水剂，水泥浆流动度的初始和30min的影响不是很明显，但随着时间增长，流动度均呈不同程度降低，掺量2.0%较为严重，水泥浆流动度随着时间增长下降较快，损失较大，并且在60min后已经没有流动度。对于TPEG工艺减水剂，30min前水泥浆流动度影响不大，从30min后，流动度损失开始逐渐增大，当泥块掺量为1.5%时，2种减水剂的30min流动度受到影响，TPEG工艺减水剂和EPEG工艺减水剂的水泥浆30min流动度分别下降了6%和4%，TPEG工艺减水剂30min、60min、90min的水泥浆流动度分别比初始流动度降低了10%、30%、55%。

EPEG工艺减水剂30min、60min、90min的水泥浆流动度分别降低了8%、15%、32%。在120min时掺2种减水剂均无流动度。

当泥块掺量为2.0%时，2种减水剂的经时损失都较大，TPEG工艺减水剂30min流动度损失较大，不满足施工要求，因而不能使用。EPEG工艺减水剂较TPEG工艺流动度延长30min。由于泥块中含有多种矿物成分，存在多种矿物对减水剂分子的吸附，所以不同工艺减水剂对砂中泥块的适应性不同。综上所述，EPEG工艺减水剂比TPEG工艺减水剂对大连地区机制砂中抗泥效果显著。

表6为试验用C50混凝土质量配比，图3所示为EPEG工艺减水剂对不同含泥量机制砂的混凝土抗压强度影响，当机制砂中含泥量为0%时，混凝土3个龄期的抗压强度分别为30.7MPa、39.5MPa、60.5MPa，当机制砂中含泥量增加到2%时，此时的含泥量未对混凝土产生较大影响，这是由于少量泥块在其中，减水剂分子具有吸附作用，对水泥浆体水化影响较小，混凝土抗压强度下降不是很明显。当机制砂中含泥量为4%时，混凝土抗压强度继续小幅度下降，相比机制砂中含泥量0%时混凝土3d、7d、28d抗压强度分别下降了4.2%、2.5%、2.3%。当机制砂中含泥量增加到6%时，混凝土强度下降明显，较机制砂中含泥量0%时各龄期分别下降了9.7%、2.5%、11.2%。此时混凝土28d抗压强度为54.0MPa，混凝土中泥土严重影响水泥水化，使骨料和水泥浆体之间胶结强度降低，从而影响混凝土抗压强度。当机制砂中含泥量为8%时，相较于机制砂中含泥量0%时各龄期的抗压强度下降较大，分别下降了20%、7.8%、18.2%。已不满足C50强度要求，混凝土表面存在较多缺陷，由于混凝土含泥量较大，减水剂分子无法吸附过多的泥土，导致混凝土拌合过程中工作性较差，大量泥土阻止水泥水化，导致水泥水化产物水化硅酸钙及钙矾石减少，以及气泡不能及时从中排出，致使强度下降。综合来看，EPEG工艺减水剂对含泥机制砂混凝土具有较好的抗泥效果。

2.4聚羧酸减水剂对混凝土和易性影响

聚羧酸减水剂的工作性能以混凝土坍落度表征，依据GB/T50080-2016，测定掺有聚羧酸减水剂的混凝土坍落度，研究减水剂对混凝土性能的影响。试验混凝土强度等级为C40，配合比为：

水泥:矿渣粉:粉煤灰:水:河砂:碎石=389:48:48:160:714:1100，合成减水剂掺量为1.5%。改性聚羧酸减水剂EPEG系列能够更优地改善混凝土的和易性，改性的聚醚使得聚羧酸减水剂的支链中的极性基团更加容易暴露在体系中，水泥颗粒得到了更有效的分散，减少了水泥颗粒的凝聚现象，从而使混凝土的流动性得到了提高。

将编号1-5常温法合成改性聚羧酸减水剂母液0.5～0.7g添加至水泥300g中，同编号6常规工艺聚羧酸减水剂母液进行试验对比。检测结果见图4，可见编号1-4水泥净浆流动度初始可达255mm，编号1和编号4水泥净浆流动度在2h后具有较好的保持性，因编号1和编号4减水剂根据不同的EPEG大单体优选酸醚比，选择了合适的链转移剂及反应适配的还原剂，导致其对水泥具有较好的分散性能。对照编号6TPEG减水剂母液，水泥净浆流动度在1h内有较好的保持性，编号5甘油酯的添加对水泥净浆流动度影响不大整体效果与TPEG配方相似，编号5整体优势在于混凝土坍落度和扩展度的保持。编号5整体性能较其他实例稍差，后续需要调整合成体系，优化减水剂母液性能。

将编号1-5合成得到的常温型聚羧酸减水剂复配含固量18%依1.8%，与对照组编号6的TPEG配方合成的聚羧酸减水剂进行混凝土性能测试，检测混凝土初始坍落度、扩展度及抗压强度比，1h坍落度、扩展度。试验材料见表7。

将编号1-5所述常温法合成聚羧酸减水剂复配含固量18%依1.8%（本文复配是加水将母液含固量由40%降到18%左右），胶凝材料掺量1.0%的减水剂至混凝土中，对其进行检测，并同编号6常规工艺聚羧酸减水剂母液进行试验对比，检测结果如图5所示。

编号1-4合成的聚羧酸减水剂初始扩展度均能达到530mm，编号1-5的1h坍落度损失少，说明编号1-4制备的聚羧酸减水剂相比于TPEG配方对机制砂混凝土具有较好的保坍性；掺入可聚单体甘油酯编号5的1h坍落度损失和1h扩展度损失数据中可见，初始减水效果相较于编号1-4较差，但保坍性能优于编号1-4，后期可调整酸酯比例实现减水剂的性能调整。

2.5聚羧酸减水剂对混凝土力学性能影响

为检验合成的减水剂在混凝土中的应用性能，如表8所示的混凝土配合比。

从表9不同减水剂混凝土工作性能和力学性能数据可以看出，EPEG工艺聚羧酸减水剂的混凝土表现出较好的保坍性以及和易性。从表9可以看出，EPEG在3d、7d和28d龄期的抗压强度均较高，表现出较优的力学性能。这主要和EPEG单体具有优异的工作性能有关，一方面由于混凝土中存在一定的含气量，形成大小和分布不均匀的气泡，当超支化结构引入之后，由于具有较好的和易性，能够使混凝土环境中的气泡得到较均匀的分布，同时释放出微孔隙中的气泡，获得质量均匀、成型密实的混凝土；另一方面EPEG工艺减水剂的掺入，减少拌合用水量，使混凝土具有较好工作性能，有效提高混凝土内部密实程度，显著提高了混凝土的强度。

2.6聚羧酸减水剂对混凝土耐久性能影响

2.6.1抗氯离子渗透性能

对大连湾海底隧道主体结构混凝土进行28d、56d、90d龄期的电通量试验，其中56d龄期的电通量均低于1000C，超支化结构减水剂拌和混凝土的抗氯离子渗透性能满足海港工程高性能混凝土要求。

2.6.2氯离子扩散系数

对大连湾海底隧道主体结构混凝土进行28d、56d、90d龄期氯离子扩散系数试验。其中28d、56d龄期的扩散系数均满足设计技术要求（混凝土氯离子扩散系数（m2/s）（以RCM法检测）：≤6.5×10-12（28d龄期）；≤4.5×10-12（56d龄期））。

2.6.3抗冻融试验

试验依据JTS/T236-2019《水运工程混凝土试验检测技术规程》中快冻法进行，试验介质采用工程所处海域的海水。试验的混凝土耐久性指数DF大于80%，最小值90%，最大值98%，在F50～F600抗冻融循环条件下，掺外加剂混凝土抗冻试验结果无显著差异。

3应用效果

大连湾海底隧道主体采用预制钢筋混凝土结构，主体结构设计使用年限100a。混凝土结构外表面与海床接触并处于潮湿环境中，影响混凝土结构耐久性的主导因素是氯离子的侵蚀，氯子渗入引起钢筋锈蚀往往导致混凝土结构发生破坏，使用寿命受到严重威胁。隧道沉管段连接处的钢端壳为裸钢，隧道建成后暴露于海泥中，直接面临着严峻的腐蚀环境。

大连湾海底隧道沉管预制是整个工程建设的首要工程，本工程混凝土结构环境类别与作用等级按照I-B，II-C，III-E、II-E、V-D考虑，设计基准期100a。沉管混凝土设计强度等级C50，主体结构混凝土自防水。大连湾海底隧道建设工程混凝土施工所用机制砂，减水剂需保证混凝土不泌水状态下，提高掺量范围。

新型超支化结构聚羧酸减水剂的研发，调整反应原材料配比及工艺条件，产品经过大量的试拌确定了最终的复配比例。采用聚羧酸高性能减水剂能够保证混凝土的大流动性，长时间坍落度保持等性能，技术效益和经济效益良好。通过现场试拌及混凝土施工跟踪，EPEG工艺所生产的减水剂在机制砂石粉含量5%～9%波动时，减水剂配方无需调整，掺量范围在1.2%～1.8%波动，混凝土和易性良好，超掺时混凝土无泌水现象。产品确保大连湾海底隧道混凝土施工和易性及强度要求，施工过程产品性状稳定混凝土拌和物质量优良，为工程混凝土施工顺利推进奠定基础。

4结语

1）EPEG工艺减水剂在胶凝材料地区变化过程中，展现良好的适应性，净浆流动度经时损失小，性能良好。

2）针对大连湾海底隧道建设工程主体结构混凝土施工配合比，机制砂混凝土坍落度随石粉含量增加而减小的趋势；石粉含量增加减水剂的掺量有所增加；不同减水剂对泥土的适应性不同，总体上来看，EPEG工艺减水剂比TPEG工艺减水剂对大连地区机制砂中泥土的抗泥效果更好。

3）通过对大连湾海底隧道工程现场试拌及混凝土施工跟踪，EPEG工艺所生产的减水剂在机制砂石粉含量5%～9%波动时，减水剂配方无需调整，掺量范围在1.2%～1.8%波动，混凝土和易性良好，超掺时混凝土无泌水现象。

来源：孙悦锋，黄帅等，如涉及作品内容、版权和其它问题，请及时联系，我们将尽快处理。

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