聚羧酸系高性能减水剂的性能检测

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1 前言聚羧酸系高性能减水剂是近年来在国内外出现的新一代高性能减水剂。相比于萘系等传统的高效减水剂，聚羧酸系高性能减水剂具有许多独特的技术性能优势：掺量低，减水率高；对混凝土拌合物的流动度保持性好；与水泥的相容性好；配制的混凝土收缩率小，有利于改善混凝土体积稳定性和耐久性；生产及使用过程中环保无污染，属于绿色外加剂。正是由于上述性能优势，聚羧酸系高性能减水剂近年来开始在国内引起工程界的广泛重视，许多重要工程已经大量使用这种新型减水剂，例如上海磁悬浮、上海环球金融中心、杭州湾跨海大桥、东海大桥、北京银泰大厦、北京首都国际机场扩建工程等。可以预见，由于上述诸多独特的性能优势，聚羧酸系高性能减水剂必将迅速成为减水剂市场的主流产品。GB8076 等标准中有关高效减水剂系列的试验方法及其指标是针对于萘系等传统高效减水剂的，由于聚羧酸系高性能减水剂许多性能明显优于传统高效减水剂，原有标准中的相关试验方法及指标取值范围已经不适用于聚羧酸系高性能减水剂或不能充分地反映其性能优势，所以需要寻求新的试验方法，确定新的指标取值范围来评价聚羧酸系高性能减水剂性能。由中国建筑科学研究院作为主编单位，组织10 余家参编单位，正在制定《聚羧酸系高性能减水剂》的国家建筑工程产品行业标准。该标准制定工作从2004 年11 月开始启动，目前已经完成了全部试验工作，并即将形成征求意见稿。本文内容就是根据各参编单位对国内外的11 种聚羧酸系减水剂进行系统实验的数据整理而成。2 聚羧酸系高性能减水剂性能检测方法2.1 净浆流动度及其损失按照GB/T 8077－2000“混凝土外加剂匀质性试验方法”进行净浆流动度测试。测试水泥净浆在玻璃板上流动30s 时的直径，作为初始净浆流动度。 等到浆体停止流动时，再测一次最终扩展直径，作为初始净浆最大流动度。分别于1h、2h 之后测得净浆流动30s 的流动度和净浆最大流动度。2.2 砂浆减水率按照GB/T 8077－2000“混凝土外加剂匀质性试验方法”进行砂浆减水率测试。2.3 混凝土性能检测2.3.1 参照GB8076－1997“混凝土外加剂”，设计配合比a：水泥：330kg/m3砂： 710 kg/m3碎石：1155 kg/m3参照GB 8076－1997，利用配合比a 来进行减水率、泌水率比、含气量、凝结时间差、抗压强度比、28d 收缩率比试验。基准混凝土和受检混凝土坍落度均控制为。2.3.2 参照JC473－2001“混凝土泵送剂”，设计配合比b：水泥：390kg/m3砂： 782 kg/m3碎石：994 kg/m3参照JC 473－2001，利用本配合比来进行泌水率比、含气量、混凝土拌合物1h 和2h坍落度损失率及坍落扩展度损失率试验。基准混凝土坍落度控制为，受检混凝土坍落度控制为。利用本配合比测定减水率时，试验方法参照GB8076－1997，但是基准混凝土和受检混凝土的坍落度都控制为。3 聚羧酸系高性能减水剂性能检测及发现的问题以下分析是在若干个单位分别对11 个聚羧酸系高性能减水剂进行测试的实测结果基础上而进行的。3.1 净浆性能试验3.1.1 采用基准水泥：由各单位的实测结果得出的共同规律是：净浆流动30s 的流动度及其损失规律与净浆最大流动度及其损失规律类似，多数样品的F0 介于270mm~300mm，只有一个样品的F0 小于200 mm，D0 介于280 mm～320 mm；在1h 或2h 后各样品的F0 或 D0 均有所损失；F0 或 D0 的1h 损失率，最小的仅有不到3％，最大的却高达近50％，2h 损失率最小的不到7％，最大的达到近50％；前1h 的损失速度明显大于后1h 的损失速度，大多数样品的F0 或 D0 后1h 的损失率小于10％，有的样品后1h 的损失率几乎为零，这说明对于净浆来说，2h 内流动度损失主要集中于前期。在测试过程中，有的样品配制的净浆发生了泌水现象。通过比较，发现F0 与D0 数值比较接近，经时损失率发展规律也类似，所以，为了提高试验效率，同时为了便于确定测试终点时间，建议采用F0。3.1.2 采用地方水泥：当采用不同的地方水泥进行净浆性能测试时，产生的结果大相径庭。一方面，不同样品对同一种水泥的作用结果不同。例如当采用某水泥C1 时，某些样品的F0 或 D0 在1h 甚至2h 后都不仅没有损失反而增大，而采用同一种水泥某些样品的F0 或 D0 却损失明显。另一方面，同一个样品对不同水泥的作用结果也差别很大。例如同一样品对一种水泥作用后， 1h 甚至2h 后的流动度或最大流动度没有损失而是增大的，对另一种水泥作用后，1h 或2h 后的流动度和最大流动度却明显损失。由表3 也可以看出，同一样品对不同水泥作用后的初始流动度和最大流动度也差别很大。这些现象在一定程度上反映出，同一聚羧酸系高性能减水剂对不同水泥的减水率不同，也预示出对不同水泥配制的混凝土的坍落度保持效果不同，这将在后面的混凝土试验数据分析中得以验证。3.2 砂浆性能试验3.2.1 基准水泥：砂浆减水率最大的达到29%，最小的仅有16%，可见同样是聚羧酸产品，采用同样的基准水泥，砂浆减水率差别很大。这一差别在后续的混凝土减水率中也将有体现。3.2.2 地方水泥：在试验过程中发现，同一样品对不同水泥的砂浆减水率不同，有的差别还较大，例如某样品对一种水泥的砂浆减水率是24%，对另一种水泥的砂浆减水率却高达30%。另外，同一样品在此水泥的砂浆拌合物试验中并没有出现泌水、气泡多、沉降离析等现象，但是在彼水泥的砂浆试验中却出现了这些现象。上述情况也进一步说明聚羧酸系高性能减水剂同样存在与不同水泥的相容性不同的问题。3.3 混凝土性能试验3.3.1 试验采用配合比a、基准水泥，参照GB 8076－1997，进行如下测试：减水率：不同样品对混凝土的减水率不同，有的样品混凝土减水率高达33%，有的样品则仅有20%，但是最小的减水率也远高于GB8076－1997 中高效减水剂一等品不低于12%的减水率。就这一点而言，采用GB8076－1997 中减水率指标来衡量聚羧酸系高性能减水剂的减水性能已经不能很好地反映出聚羧酸系高性能减水剂产品之间的优劣。总体看来，与基准水泥的砂浆减水率相比，混凝土减水率普遍高于砂浆减水率。泌水率比：综合大量试验数据，各种聚羧酸系高性能减水剂样品的混凝土拌合物泌水率比普遍都很小，很多样品配制的受检混凝土的泌水率为零，可以认为，聚羧酸系高性能减水剂对混凝土的保水性能普遍较好。所以，GB8076－1997 中高效减水剂一等品泌水率比不大于90%的指标要求对于聚羧酸系高性能减水剂过于宽松，无法体现出聚羧酸系高性能减水剂良好保水性的优点。含气量：试验过程中，有些样品的混凝土拌合物的浆体中出现了很多气泡而且气泡尺寸较大。由于所采用的测试仪不同及操作环节方面的差别，不同的试验实施单位测得的含气量数值差别很大，同一样品，有的单位测得的含气量高达8%以上，有的单位测得的仅为3%。但是，从各个单位的测值看出，不同样品之间混凝土的含气量差别也较大，测值高的含气量可达测值低的含气量的两倍以上。这说明不同的聚羧酸系高性能减水剂的引气性能差别较大，在制定聚羧酸系高性能减水剂产品标准时应予以充分考虑。凝结时间差：在所测试的11 个样品中，有两个样品的初凝和终凝时间都比基准混凝土缩短，其他样品则都比基准混凝土凝结时间延长，不同样品的凝结时间延长程度差别较大，但是不少样品的混凝土凝结时间延长值都大于120min，呈现出一定的缓凝效果。由凝结时间测试结果看出，以GB8076 中高效减水剂的混凝土凝结时间差指标来约束聚羧酸系高性能减水剂并不合适，应该重新确定指标取值范围。抗压强度比：综合各单位测试数据发现，几乎所有样品1d、3d、7d 的抗压强度比都远大于GB8076-1997 中高效减水剂一等品的相应龄期混凝土的抗压强度比指标要求，例如1d、3d、7d 抗压强度比最高的分别达到240%、200%、200%以上，低的也分别达到了180%170%、160%以上，但是对于28d 抗压强度比，则有的样品的抗压强度比远高于GB8076-1997 中高效减水剂一等品的120%的28d 抗压强度比指标要求，有的则高出并不，有两个样品甚至还小于120%。所以，对于聚羧酸系高性能减水剂的混凝土抗压强度比，采用GB8076-1997 中的相关指标也是不适合的，需要另行确定指标。收缩率比：掺聚羧酸系高性能减水剂的受检混凝土28d 收缩率比，仅一个样品达到了120%，其余的都在110%以内，而且在105%以内的居多数，有几个样品的收缩率比甚至在100%以内。就这一点而言，聚羧酸系高性能减水剂混凝土的收缩率明显小于萘系等传统高效减水剂配制的混凝土，这十分有利于保证混凝土的体积稳定性及耐久性，十分适合于配制以耐久性为核心特征的高性能混凝土。GB8076-1997 中对高效减水剂等的混凝土28d 收缩率比要求为不大于135%，显然，这一指标对于聚羧酸系高性能减水剂来说过于宽松，不能体现出聚羧酸系高性能减水剂相对于萘系等传统高效减水剂收缩率低的优点。3.3.2 采用配合比b、基准水泥，参照JC473-2001，进行下列试验：常压泌水率比：总体来看，采用配合比b，拌合物的常压泌水性能和配合比a 相比没有明显变化，大多数样品的拌合物泌水率比很小，而且多数样品的拌合物泌水率为零。这一试验结果进一步反映出聚羧酸系高性能减水剂对混凝土拌合物的保水性能普遍较好。含气量：采用采用配合比b 测得的拌合物含气量与配合比a 相比也没有明显变化，两者数值较为接近。拌合物1h 和2 h 坍落度损失率及坍落扩展度损失率拌合物初始坍落度控制在210mm±10mm，并测定其初始坍落扩展度，之后测定1h 和2 h 坍落度保留值及坍落扩展度保留值。试验结果表明，拌合物的初始坍落扩展度一般介于450mm~510mm 之间；采用基准水泥的拌合物的坍落度损失普遍较快，1h 后的损失率一般达到20%~40%，2h 后的损失率一般在50%~80%之间；坍落扩展度一般在2h 后就很难测得，有的样品的拌合物在1h 之后就已经不扩展了。但是，采用某些地方水泥，聚羧酸系高性能减水剂配制的拌合物的坍落度损失就小得多，这将在后文专门叙述。另外，与前面已经分析过的基准水泥净浆试验结果进行对比可以看出，净浆的流动度保持效果与混凝土拌合物流动度保持效果并不直接相关：同一样品，同样采用基准水泥，净浆1h 流动度损失率为7.5%，混凝土拌合物1h 坍落度损失率却高达42%；也有样品使得净浆1h 流动度损失率高达37%，混凝土拌合物1h 流动度损失率却仅为8%。这一现象说明，不能简单地用净浆的试验规律来推断混凝土的性能规律。减水率之所以还要采用配合比b 进行减水率测试，是因为各单位普遍反映，在采用配合比a进行减水率测定时，受检混凝土的坍落度对用水量十分敏感，操作起来较为困难。而改用配合比b 进行减水率测定时，就很好地避免了上述问题。试验表明，采用这一配合比进行测试，拌合物工作性对用水量不十分敏感，试验的可操作性较好。用该方法测得的减水率普遍较采用配合比a 测得的减水率为高。事实上，采用这一方法得到的减水率应该更接近于工程实际中的减水率，因为工程实际中的商品混凝土胶凝材料用量一般不会仅仅为330kg/m3，也即采用配合比a 测得的减水率与聚羧酸系高性能减水剂在实际应用中发挥出来的减水率相比偏小。但是，为了和传统减水剂性能进行对比，目前仍旧只能按照GB 8076来进行聚羧酸系高性能减水剂的减水率测试。本文建议在修订GB 8076－1997 标准时，充分考虑对其中混凝土配合比的修改，以适应目前减水剂及混凝土工程技术的发展趋势。3.3.3 采用地方水泥，参照JC473-2001 测定混凝土拌合物坍落度及坍落扩展度损失各单位分别采用当地常用的地方水泥进行了混凝土拌合物坍落度及扩展度损失试验。试验结果表明，当采用某些水泥时，拌合物的1h 和2h 坍落度及扩展度经时损失很小，有的样品的拌合物1h 甚至2h 坍落度和扩展度都保持不变，这一点对于萘系等传统高效减水剂来说是无能为力的，这说明聚羧酸系高性能减水剂在保持拌合物流动性方面还是具有明显的性能优势。3.4 甲醛含量按照GB18582－2001 《室内装饰装修材料 内墙涂料中有害物质限量》规定方法来测定聚羧酸系高性能减水剂中的甲醛含量。测试结果表明，各种聚羧酸系高性能减水剂中的甲醛含量极微小，最多的也不到0.001%，而萘系高效减水剂中的甲醛含量一般都大于0.3%。聚羧酸系高性能减水剂生产过程中也不涉及苯酚、萘等有害物质，所以，称聚羧酸系高性能减水剂是绿色环保型的外加剂是名副其实的。这一点，萘系等传统高效减水剂望尘莫及。4 结论在减水率、泌水率、抗压强度、收缩率、坍落度保持性等关键性能方面，聚羧酸系高性能减水剂比萘系等传统高效减水剂普遍具有性能优势。GB 8076－1997 中有关高效减水剂的性能评价或约束指标限定值多数不适用于评价聚羧酸系高性能减水剂的性能，因此需要制定关于聚羧酸系高性能减水剂的专门标准。聚羧酸系高性能减水剂配制的净浆的性能规律与混凝土的性能规律并不直接相关，不能简单地用净浆的规律来推断混凝土的性能。聚羧酸系高性能减水剂对不同水泥的作用结果不同，甚至大相径庭。聚羧酸系高性能减水剂也存在于水泥的相容性问题。GB 8076－1997 中的混凝土配合比用来检测聚羧酸系高性能减水剂，试验的可操作性较差，建议在修订GB 8076－1997 标准时，充分考虑对其中混凝土配合比的修改。致谢：本文采用了以下单位提供的相关试验数据：中国建筑科学研究院建筑工程材料及制品研究所、上海市建筑科学研究院建筑材料技术研究所、上海建研建材科技有限公司、上海申立建材有限公司、中冶集团建筑研究总院北京冶建特种材料有限公司、江苏省建筑科学研究院、同济大学材料学院、深圳市迈地砼外加剂有限公司、四川柯帅外加剂有限公司，在此一并表示感谢！

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