HLC-PCE 早强型聚羧酸系减水剂降黏效果评价及工程应用

温金保，刘兴荣，杜志芹，唐修生

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.南京瑞迪高新技术有限公司，江苏 南京 210024；3.水利部水工新材料工程技术研究中心，江苏 南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司安徽省院士工作站，安徽 马鞍山 243000）

0 引言

混凝土预制构件是混凝土与水泥制品重要的发展方向之一，国家“十二五”“十三五”规划指出要大力发展混凝土预制构件。由于普通混凝土预制构件存在断面尺寸大、跨度小、自重大、早期强度低等问题，预制构件混凝土的高强化必将是未来预制构件的发展趋势[1]。因此，高强混凝土的研究意义重大，且已成为水泥基复合材料发展的重要方向之一[2-3]。高强混凝土通常采用高胶凝材料用量、低单位用水量、低水胶比的方式进行配制，导致混凝土内部颗粒之间的接触更加紧密，且由于单位体积内的水减少，从而急剧降低了各个颗粒之间水膜层的厚度，加大了内部固体之间的摩擦力，这一切势必引起混凝土黏度急剧上升[4]。目前，降低高强度混凝土黏度的方式主要在施工过程中加入引气剂、加大减水剂掺量和优化胶凝材料级配来实现[5]。对于加入引气剂势必会降低混凝土容重，对混凝土力学性能、耐久性能产生不利影响，对于加大减水剂掺量来降低高强混凝土黏度的方式，不仅会增加用料成本，而且还会造成过分缓凝的问题，导致泌水等问题出现，给施工增加了难度[6]。对于优化胶凝材料级配来降低高强混凝土黏度，虽然在此方面已经有较多的研究，但是存在较大的局限性，新拌混凝土的和易性最主要的是依靠减水剂的作用，优化胶凝材料级配的方法不能解决根本问题[7]。因此，为了降低混凝土黏度，提高其流动性，通过加入具有降黏功能的聚羧酸减水剂可以解决这一问题。可见，研究开发具有降黏功能的早强型聚羧酸减水剂并对其改善预制构件高强混凝土的黏性进行评价分析具有重要意义。

1 试验

1.1 原材料

（1）复配外加剂功能组分

高减水早强型聚羧酸系减水剂母液：固含量为40%，南京瑞迪高新技术有限公司；早强组分A：主要组分为有机醇胺，市售工业品，淡黄色液体，有效成分含量为不小于92%；早强组分B：主要组分为硫氰酸盐，市售工业品，白色晶体，易溶于水；消泡组分：主要组分为改性硅聚醚，东邦化学（上海）有限公司提供；降黏组分：主要组分为水溶性高分子聚合物，无色透明且具有一定黏性的液体，有效成分的含量为1%，自制。

（2）试验材料

水泥：小野田P·Ⅱ52.5 硅酸盐水泥；矿粉（SL）：南京梅宝S95 级；粉煤灰（FA）：镇江谏壁Ⅱ级灰；砂（S）：细度模数2.5，江西赣江；碎石（G）：安徽5～31.5 mm 连续级配的石灰岩，其中减水剂混凝土性能测试用碎石可通过筛分获得5～10 mm和10～20 mm 两种级配。外加剂产品：对比样1，国外知名品牌早强型聚羧酸系高性能减水剂；对比样2，国内某公司生产的早强型聚羧酸系高性能减水剂。2种对比样的匀质性见表1。

1.2 HLC-PCE 早强型聚羧酸系减水剂的制备

将高减水早强型聚羧酸系母液、复合早强功能组分、消泡组分及降黏组分按m（早强型聚羧酸系减水剂母液）∶m（早强组分A）∶m（早强组分B）∶m（消泡组分）∶m（降黏组分）∶m（水）=40∶3∶9∶0.1∶10∶37.9 进行功能性物理复配，制备出高强混凝土预制构件用早强型聚羧酸系减水剂HLC-PCE。其匀质性测试结果见表1。

表1 早强型聚羧酸系减水剂的匀质性测试结果

1.3 性能测试方法

（1）净浆、砂浆流动度：按照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试。

（2）净浆Marsh 试验：将制备好的净浆浆体倒入Marsh 筒至200 mL 刻度处，用秒表记录200 mL 浆体排空的时间即为Marsh 时间。

（3）混凝土坍落度和扩展度：参照GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。

（4）净浆及砂浆流变性：分别采用博勒飞RST-CC 同轴圆柱流变仪和RST-SST 桨式流变仪进行测试。净浆流变试验剪切速率设置为0～100 s-1，剪切时间为120 s，取60 个点；砂浆流变试验剪切速率设置为0～45 s-1，剪切时间为120 s，取60个点；塑性黏度由Bingham 流变模型拟合求得。

（5）混凝土T500时间：参照JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行测试；混凝土倒坍落度排空时间：将坍落度筒倒置，将混凝土一次性装入坍落度筒并挂平，将坍落度筒平稳提起，用秒表记录坍落度筒内混凝土排空的时间即为倒坍落度排空时间。

（6）减水剂的混凝土应用性能：依据GB 8076—2008《混凝土外加剂》进行测试；混凝土抗压强度：参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 水泥基净浆性能

2.1.1 Marsh 时间

净浆胶凝材料由水泥、粉煤灰及矿粉组成，矿粉和粉煤灰在胶凝材料中的质量百分比均为15%，水胶比为0.32，分别对HLC-PCE（掺量分别为0.30%、0.35%、0.40%、0.45%）、对比样1（掺量分别为0.21%、0.23%、0.25%、0.28%）及对比样2（掺量分别为0.32%、0.36%、0.41%、0.47%）进行Marsh 时间测试，减水剂掺量由相应的流动度控制，结果见图1。

图1 掺不同聚羧酸系减水剂的净浆Marsh 时间与流动度的关系

由图1 可知，掺3种早强型聚羧酸系减水剂的Marsh 时间均随净浆流动度的增大而缩短。当净浆流动度的净浆Marsh 时间由180 mm 增大到240 mm 时，掺对比样1、2 及HLC-PCE 分别缩短了52.1%、69.0%及52.4%，且在低流动度时缩短的幅度更为明显，在高流动度时缩短的幅度则较为平缓；同时，在净浆流动度相同时，掺HLC-PCE 的净浆Marsh 时间均为最短，即流速最快，当净浆流动度分别为180、200、220、240 mm 时，掺HLC-PCE 的净浆Marsh 时间与对比样2相比，分别可缩短36.7%、48.3%、19.1%、2.8%。

2.1.2 塑性黏度

少数民族传统体育旅游是社会文明进步的标志，受到有关国家旅游部门的重视，少数民族体育旅游以其独特的风采进入旅游市场。我国许多少数民族地区的各级政府和旅游部门对少数民族传统体育旅游资源给予了充分的重视，一方面，注意保护、开发和利用少数民族传统体育旅游资源，另一方面，投入大量资金，广泛开展少数民族体育旅游活动，发展少数民族传统体育旅游业[1]。但我国民族体育旅游的总体规模仍然偏小，许多少数民族地区在开发民族体育旅游时，只把它作为民族风情旅游的补充或其中的一个组成部分，还没有把它作为一个独立的旅游项目或旅游产业来抓，以至使民族体育旅游业的规模仍然较小，在整个旅游业中还处于从属地位[2]。

图2 为在不同净浆流动度下掺早强型聚羧酸系减水剂的塑性黏度测试结果，净浆塑性黏度试验使用与Marsh 时间测试所使用净浆配比相同。

图2 掺不同早强型聚羧酸系减水剂净浆塑性黏度与流动度的关系

由图2 可知，掺3种不同早强型聚羧酸系减水剂的净浆塑性黏度均随净浆流动度的增大而减小，掺对比样1、2 和HLC-PCE 最大分别减小了24.7%、28.6%及31.0%。净浆流动度为180 mm 时，掺对比样1 的塑性黏度最小；流动度为200 mm 和220 mm 时，塑性黏度最小均为掺HLC-PCE 的；流动度为240 mm 时，掺HLC-PCE 与对比样2 的相当且最小；且掺HLC-PCE 的净浆塑性黏度相对对比样最大可减小24.9%。可见，整体上掺HLC-PCE 的净浆塑性黏度相对较低，这与净浆的Marsh 时间测试结果较为一致。

2.2 砂浆塑性黏度

图3 为在不同砂浆流动度下掺不同早强型聚羧酸系减水剂的塑性黏度测试结果，其中砂浆塑性黏度试验用胶凝材料组成为：水泥70%、粉煤灰15%、矿粉15%，水胶比为0.32，胶砂比为400∶707，减水剂掺量由相应的流动度控制，HLC-PCE掺量分别为0.63%、0.70%、0.73%及0.75%，对比样1 的掺量分别为0.45%、0.48%、0.52%及0.55%，对比样2 的掺量分别为0.75%、0.80%、0.84%及0.88%。

由图3 可知：（1）在减水剂种类不变时，砂浆的塑性黏度随流动度的增大而减小；（2）对于分别掺3种不同减水剂的砂浆，在砂浆流动度分别为180、200、220、240 mm 时，掺HLC-PCE 的砂浆塑性黏度均最小，与对比样2 相比减小幅度分别为23.7%、15.2%、16.0%、21.8%。可见，相对对比样1、2，掺HLC-PCE 的砂浆塑性黏度相对较小。

图3 掺不同早强型聚羧酸系减水剂砂浆塑性黏度与流动度的关系

2.3 混凝土试验

2.3.1 HLC-PCE 早强型聚羧酸系减水剂的混凝土应用性能

HLC-PCE 的混凝土应用性能依据GB 8076—2008 进行测试，不同HLC-PCE 掺量下的混凝土性能测试结果见表2。

表2 HLC-PCE 掺量对混凝土性能的影响

由表2 可知：（1）HLC-PCE 在低掺量（0.5%）下依然具有较高的减水率，达29.0%，且减水率随掺量的增加而增大；但掺量大于0.8%时，减水率增加有限，可见，掺量为0.8%时已经接近HLC-PCE 减水性能的饱和点。（2）混凝土含气量随HLC-PCE 掺量的增加在2.7%～3.5%范围内波动。（3）虽然因采用小野田P·Ⅱ52.5 硅酸盐水泥导致基准混凝土相应龄期抗压强度明显偏高，但该减水剂1 d 和3 d 最高抗压强度比依然分别高达262%和239%，可见，该减水剂具有显著的早强及增强效果。

2.3.2 混凝土T500及倒坍落度排空时间

混凝土总胶材用量为400 kg/m3，FA 与SL 在胶凝材料中的质量百分比均为15%，水胶比为0.375，砂率为38%，试验混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（矿粉）∶：m（砂）∶m（石）∶m（水）=280∶60∶60∶707∶1158∶150，HLC-PCE 掺量为1.0%，对比样1、2 掺量均为0.9%。混凝土T500及倒坍落度排空时间测试结果见表3。

表3 掺早强型聚羧酸系减水剂混凝土的T500 及倒坍落度排空时间

由表3 可知，掺3种不同早强型聚羧酸系减水剂的混凝土初始坍落度与扩展度均相近，且1 d 与3 d 抗压强度均相当；但掺HLC-PCE 的混凝土T500时间与对比样2 相当，比对比样1 要短；倒坍落度排空时间比掺对比样1 与对比样2 均要短；相对对比样1，掺HLC-PCE 的混凝土T500时间缩短了19.8%，倒坍落度排空时间缩短了34.5%。由此可见，掺HLCPCE 的混凝土在坍落度与扩展度相当的前提下，具有更好的和易性和优异的降黏性能。

3 减水剂HLC-PCE 的工程应用

3.1 在免蒸压预制混凝土大管桩中的应用

宁波航通预制构件工程有限公司在大管桩混凝土生产中采用了HLC-PCE 早强型聚羧酸系减水剂。该大管桩外径1200 mm，壁厚150 mm，单位长度质量约1.286 t/m，单节长度为7～30 m 不等，采用的混凝土强度等级为C80，胶凝材料为纯水泥（宁波三狮P·O52.5 水泥），单方用量为500 kg/m3，水灰比为0.24，砂率为41%，减水剂掺量为水泥质量的1.0%。由于混凝土呈“一高两低”，即高胶凝材料用量、低水胶比、低用水量，因此，该混凝土掺普通型聚羧酸系减水剂时易出现混凝土过黏、早期强度偏低等问题，而采用早强型聚羧酸系减水剂HLC-PCE很好地解决了上述问题。该混凝土试件采取标准养护，混凝土性能测试结果见表4。

表4 掺HLC-PCE的C80 大管桩混凝土性能测试结果

由表4 可见，相对普通型聚羧酸系减水剂而言，掺HLCPCE 混凝土可明显改善混凝土的坍落度保持性与降黏效果，坍落度损失率减小了81.1%，倒坍落度排空时间缩短了45.8%，同时早强效果明显，在28 d 抗压强度相当的情况下1 d 抗压强度提高了18.4%。

3.2 在预制混凝土管片中的应用

图4 为早强型聚羧酸系减水剂HLC-PCE 在南京某轨道交通工程有限公司预制管片混凝土生产中的应用情况。

图4 掺早强型聚羧酸系减水剂HLC-PCE 的预制混凝土管片

该预制管片混凝土的强度等级为C50，水泥采用小野田P·Ⅱ52.5 水泥，用量为286 kg/m3，粉煤灰为华能电厂Ⅰ级灰，用量为71 kg/m3，矿粉为南京梅宝S95 级，用量为51 kg/m3，水胶比为0.32，砂率为40%。该混凝土胶凝材料用量为428 kg/m3，水胶比相对较低，为0.32，坍落度小（50～70 mm），上述混凝土参数在掺普通型聚羧酸系减水剂时易出现混凝土黏、下料难、坍落度难以控制的问题，即触变性不大。该预制管片混凝土的养护制度为：混凝土浇筑后在室温（30～35 ℃）下静养120 min，然后升温120 min 至40～45 ℃，降温时间为60 min，达到脱模强度后进行脱模，并将构件置于水中养护7 d 后，再自然养护至28 d 出厂。现场采用掺HLC-PCE 制备的预制管片混凝土和易性好、下料速度快、初始坍落度为60 mm 且坍落度放置长时间后也不再下坍、初凝时间为120 min，标准养护下试件1、3、28 d 抗压强度分别为39.8、51.0、65.2 MPa，硬化混凝土表面气孔少且孔径小。

4 结论

（1）与同类产品相比，掺早强型聚羧酸系高性能减水剂HLC-PCE 的水泥净浆具有较短的Marsh 时间，Marsh 时间最大可缩短48.3%；较小的净浆、砂浆塑性黏度，净浆塑性黏度最大可减小24.9%。

（2）与对比样相比较，掺HLC-PCE 的水泥砂浆在不同流动度下均具有最低的塑性黏度，且塑性黏度与对比样相比最大可减小31.9%。

（3）掺HLC-PCE 的混凝土具有较小的T500值及较短的混凝土倒坍落度排空时间，其中混凝土倒坍落度排空时间相对对比样最大可缩短34.5%。

（4）综上可见，相对于上述样品而言，HLC-PCE 具有优异的降黏性能。