适用于中低强度等级混凝土聚羧酸系高性能减水剂的制备与应用研究

左彦峰，郭京育，薛庆

（中国建筑科学研究院，北京100013）

1 引言

自上世纪90年代初，聚羧酸系高性能减水剂（poly carboxylate superplasicizer，简称PC）首次发明以来，因其优异的性能以及可控分子结构而受到广大研究人员和工程技术人员的广泛关注。特别是在我国，国家和地方的基础建设投资逐年扩大，外加剂的需求量随之水涨船高，并且混凝土材料的耐久性问题已为人们所广泛重视。聚羧酸系高性能减水剂以其高减水能力、低收缩、低碱含量、无氯离子等特征而成为生产高耐久性混凝土的不二选择，尤以国家或地方的重点重大工程为最。

在本世纪最初的几年内，生产用原材料多数为国外产品，价格一直居高不下，聚羧酸系高性能减水剂售价普遍偏高，该剂种主要用于C50及C50以上混凝土中。随着原材料的国产化，聚羧酸系高性能减水剂的价格开始降低，但仍以中高强度等级混凝土为主。然而，我国用量最大的混凝土为C10～C40中低强度等级的混凝土，在中低强度等级混凝土普及使用聚羧酸系高性能减水剂是混凝土材料性能，特别是耐久性提高的一项重要举措，也是聚羧酸系高性能减水剂替代萘系高效减水剂成为主流减水剂的重要步骤。

本文采用了一种新的合成方法制备了一种新型的聚羧酸系高性能减水剂，并对其性能进行了测定，同时采用该外加剂配制了C20～C50混凝土。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

合成用原材料：大单体1，羟基封端，分子量M=1200Da；大单体2，烷基封端，分子量M=1000Da,；不饱和酸；催化剂；不饱和单体。

混凝土与净浆试验用原料：琉璃河水泥P.O42.5；自来水；工业聚羧酸高性能减水剂（20%含固量，液体）；萘系减水剂，粉体；C20～C50混凝土用萘系减水剂，40%含固量，液体；测试用C50混凝土用一级粉煤灰；实际工程配合比用二级粉煤灰；磨细矿渣，比表面积为410m2/kg；砂，细度模数为2.8，二区中砂；石子为碎石，最大粒径为20mm。

2.2 试验方法

外加剂的合成：先加大单体（聚醚单体）和180g水，升温至反应温度，滴加不饱和酸、催化剂以及不饱和单体的混合溶液，滴加5h，保温2h，降温至60摄氏度以下，调pH=6～8，得到含固量为37.6%的聚羧酸系高性能减水剂。本试验合成了三种减水剂，即PC1采用的大单体为大单体1，PC3为大单体2，PC15为二者的混合单体（单体比例为1:1），其中各单体摩尔比例不变。

新拌水泥浆体流动度采用GB8077-2000方法，减水率、坍落度保持、抗压强度采用GB8076-2008方法。

2.3 混凝土配合比

试验采用的混凝土试验配合比见表1和表2。

表1 测试用C50混凝土配合比 kg/m3

表2 实际工程用配合比 kg/m3

3 试验结果与讨论

3.1 聚醚单体类型对聚羧酸系高性能减水剂性能的影响

含不同聚醚单体的聚羧酸系高性能减水剂的新拌水泥浆体流动度见表3。

表3 含不同聚醚单体的聚羧酸系高性能减水剂的新拌水泥浆体流动度

从表3中可以看出，在相同的折固掺量情况下，流动度保持情况为PC15＞PC3＞PC1，即对于流动度的保持情况而言，烷基封端的聚醚单体大于羟基封端单体，而二者的混合单体则具有叠加效应，流动度反而增加了。

掺量对PC分散性的影响见图1。

图1 不同掺量聚羧酸减水剂与萘系减水剂水泥净浆流动度比较

从图1可以得知，聚羧酸系高性能减水剂净浆流动度远大于萘系减水剂，且掺量远小于萘系减水剂，聚羧酸系高性能减水剂掺量在0.15%出现拐点；在0.4%左右，接近峰值；PC1、PC3、PC15掺量在0.2～0.4%时，流动度普遍高于工业PC；掺量在0.05～0.2%时，流动度小于工业PC；掺量在0.2%时，流动度基本与工业PC持平。

新型聚羧酸系高性能减水剂的性能见表4。

从表4中可以得知：

PC15减水率＞ 工业PC减水率＞PC1减水率＞ PC3减水率＞ 萘系减水剂减水率。

掺PC15的混凝土初始坍落度最大，掺PC3的混凝土次之，掺工业PC，PC1，萘系减水剂的混凝土初始坍落度相同，均为20cm；掺减水剂的混凝土初始坍落度均大于基准混凝土初始坍落度；基准混凝土不具备坍落度保持能力，一小时后坍落度，掺萘系减水剂的混凝土＞掺PC15的混凝土＞掺PC3的混凝土＞掺工业PC的混凝土＞掺PC1的混凝土；流动度保持能力，掺萘系减水剂的混凝土＞掺工业PC的混凝土＞掺PC3的混凝土＞掺PC15的混凝土＞掺PC1的混凝土。

掺工业PC、PC1、PC3、PC15的混凝土3d、7d、28d抗压强度大于基准混凝土3d、7d、28d抗压强度；掺萘系减水剂的混凝土3d抗压强度大于基准混凝土3d抗压强度，而7d抗压强度与基准混凝土相近，28d抗压强度比基准混凝土略小。

对比掺工业PC、PC1、PC3、PC15的混凝土与掺萘系减水剂的混凝土3d、7d、28d抗压强度，发现：

3d抗压强度，PC1＞PC15＞工业PC＞PC3，均大于掺萘系减水剂的混凝土；

7d抗压强度，PC1＞PC15＞PC3＞工业PC，均大于掺萘系减水剂的混凝土；

28d抗压强度，PC1＞工业PC＞PC15＞PC3，均大于掺萘系减水剂的混凝土。

3.2 新型聚羧酸系高性能减水剂的应用研究

通过PC1、PC3、PC15在C50混凝土中的应用，并与工业聚羧酸系高性能减水剂及萘系减水剂对比，进一步研究新型聚羧酸系高性能减水剂的性能，包括：混凝土坍落度及其坍落扩展度、混凝土的抗压强度（3d、7d、28d）。同时，采用PC15配制了C20～C50混凝土。

PC1、PC3、PC15的C50混凝土试验结果见表5。

从表5中可以得知，聚羧酸系高性能减水剂的初始坍落度均高于萘系减水剂，烷基封端的PC3坍落度保持能力较低，羟基封端的PC1保持比工业PC的为高，采用羟基和烷基封单体的PC15则表现出优良的坍落度保持能力，1h几乎不损失。PC15的早期强度略低，但28d强度能够满足设计要求。

表4 新型聚羧酸系高性能减水剂的性能

表5 C50混凝土的配制试验结果

本文将PC15稀释为20%含固量的液体，并采用工程用混凝土配合比对C20～C50混凝土进行了配制，同时与萘系减水剂进行了对比，结果见表6。

从表6中可以得知，与萘系减水剂相比，低强度等级混凝土，如C20～C30，在远低于萘系减水剂的掺量情况下，工作性高于或相近于萘系减水剂；在C35～C40混凝土中，PC混凝土坍落度几乎不损失，表现出高于萘系减水剂的坍落度保持能力；C45和C50 PC混凝土同样坍落度几乎不损失，表现为高的工作性保持能力。

表6 掺PC和萘系高效减水剂C20～C50混凝土的工作性

4 经济分析

作为一种产品，其经济性是其推广应用的重要动力。本部分以表6中的C30混凝土为例，介绍该减水剂以及萘系减水剂混凝土单方成本分析。

本产品以20%含固量计，成本为2300元/t，售价可按3300元/t。萘系减水剂(40%)售价为2300元/t。PC的掺量为0.8%，萘系减水剂掺量为1.5%，则两种外加剂的单方混凝土成本为：

PC:（180+120+80）×0.8%×3300/1000=10.032（元/m3）

萘系：（180+120+80）×1.5%×2300/1000=13.11（元/m3）

由此可知，每方混凝土可节约3元以上，若按混凝土年方量40万m3计，则每年可节约120万元。其经济效益显著。

本产品亦可由混凝土公司生产，此时，单方混凝土外加剂成本为：（180+120+80）×0.8%×2300/1000=6.992（元/m3）。是萘系减水剂的一半，每方混凝土可节约6.118元，每年可节约240余万元，经济效益更加显著。

5 总结

合成了一种新型的聚羧酸系高性能减水剂，性能优于市售同类产品，且生产成本较低，配制C20～C50混凝土取得了良好的效果，达到或超过了萘系减水剂的性能。通过性能和成本分析，认为该减水剂与萘系减水剂相比更具有优势。

[1]郭延辉，郭京育，赵霄龙，等. 加强混凝土外加剂应用技术研究、促进我国混凝土质量的提高// 混凝土外加剂及其应用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

[2]郭延辉，郭京育，赵霄龙，等.聚羧酸系高性能减水剂及其工程应用发展概况//聚羧酸系高性能减水剂研究与工程应用[M]. 北京：中国铁道出版社，2007.

[3]郭延辉，郭京育，赵霄龙，等.聚羧酸系高性能减水剂及其应用技术——现状、发展趋势和我们的任务//聚羧酸系高性能减水剂及其应用技术[M].北京：机械工业出版社,2005.

[4]郭延辉，郭京育，左彦峰，等. 混凝土外加剂及其应用技术新进展// 我国混凝土外加剂及其应用技术若干问题的探讨[M]. 北京：北京理工大学出版社，2009.

[5]P. K. Mehta, P.C. Aitcin. Principles underlying production of high-performance concrete[J]. Cement Concrete and Aggregate, 1990, 12 (2): 71～73.

[6]P. C. Aitcin, B. Miao. How to make high performance concrete[A]. In: Chern J.C. ed. Proceedings of the Second Seminar on High-Performance Concrete[C]. Taipei: China Construction Society, 1992. 91～118.

[7]N. Spiratos, C. Jolicoeur. Trends in concrete chemical admixtures for the 21st century [A]. Sixth CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete[C], Paris, France, 2000. 1～16.