聚羧酸KJ-JS高性能减水剂配制C20-C100高性能混凝土的试验与应用

关键词：KJ-JS高性能减水剂；高性能混凝土；高强超高强混凝土；试验；工程应用

1.前言

　　随着科学技术的发展和施工技术的进步，工程建设的规模日趋宏大，结构形式更加复杂，施工工艺发生了巨大的变化，各种在严酷环境使用的重大混凝土结构，施工难度大，耐久性要求高，一旦出现事故，则后果十分严重，修补耗资巨大。

　　“高性能混凝土”(High Performance Concrete，缩写为HPC，以下同)是国外20世纪80年代末90年代初基于混凝土结构耐久性设计提出的新概念的混凝土，自此概念提出以来，一直是混凝土科研与工程技术人员的努力方向。其最大特点是：高耐久性，高体积稳定性，足够的力学性能及良好工作性。用HPC来替代传统的混凝土结构和建造在严酷环境中的特殊结构，具有明显的经济效益和社会效益，并被认为今后混凝土技术发展方向。

　　HPC必须流动性好、可泵性好、可控制坍落度损失，以保证施工要求的工作度，高性能减水剂是生产HPC不可缺少的外加剂。聚羧酸系高性能减水剂是目前世界上科技最前沿的一种高性能减水剂，是减水剂发展史上的第三次重大突破，是目前国内外的研发热点。我司已研制成功聚羧酸KJ-JS高性能减水剂，并形成万吨/年以上的生产规模。

　　现将KJ-JS高性能减水剂的主要性能，配制C20～C100高性能混凝土应用试验，以及在高速铁路武广客运专线、新广州站、广深港客运专线、广珠轻轨、温福铁路白马河特大桥等路桥工程与高432m的广州西塔等重大工程50多万m3C20～C90高性能混凝土的工程应用介绍如下：

2007年水泥与混凝土技术交流年会

2.0 KJ-JS高性能减水剂的主要性能

2.1 KJ-JS高性能减水剂对水泥的适应性试验

　　减水剂的重要性，除了高减水增强率外，更重要的性能是与水泥的适应性，因它对混凝土的性能影响非常大，为此研究适应性问题尤其重要。

　　适应性试验主要针对广东广州的粤秀、粤花、金羊、石井；梅州的塔牌、东莞的华润、云浮的金鹰、英德的海螺等多个常用主要水泥品种，在不同掺量下对水泥净浆流动度的影响，并和传统的萘系、脂肪族、氨基磺酸盐等高效减水剂[1]及国内外有代表性的聚羧酸系产品进行了适应与经时损失对比试验。

　　试验结果表明，KJ-JS高性能减水剂与国内外聚羧酸系一样，由于具有独特的梳状分子结构，能在水泥颗粒表面形成立方体保护层，因此，同萘系、脂肪族、氨基磺酸盐等高效减水剂相比，对多种水泥适应性更好，水泥净浆流动度更大，经时损失少，综合性能优越

2.2 KJ-JS高性能减水剂对混凝土主要性能的试验与质量检验报告

　　试验主要参照中国建筑科学研究院等拟定的《聚羧酸系高性能减水剂产品标准制定的试验方案》、GB8076-1997《混凝土外加剂》、科技基[2005]101号《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》、JC473-2001《混凝土泵送剂》进行。用广东的粤秀P·II 42.5R水泥，对KJ-JS不同掺量与水泥量的减水增强试验；并与部分国内聚羧酸和国外聚羧酸等进行对比试验；KJ-JS产品质量检验报告

从试验与检验结果可看出：

　　KJ-JS掺量少。一般掺量为0.1～0.4%，常用掺量0.15～0.25%。当KJ-JS掺量达0.2～0.4%时，混凝土减水率大幅度增加，不同水泥用量，减水效果不同；增强度也显著提高；坍落度损失少，特别适合于配制高强高性能混凝土。

　　聚羧酸减水剂由于分子结构中支链较多，表面张力较低，因此掺用后对混凝土具有一定的引气性，常用掺量下，混凝土含气量一般为2～6%，这有利于改善混凝土的和易性，减小泌水；硫酸钠、氯离子、碱含量等无害杂质少，提高混凝土的抗渗、抗冻、抗化学侵蚀、抗碱集料反应等耐久性能。

3.0 高性能混凝土的工程应用试验

　　中国工程院院士吴中伟教授认为：高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能有重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。

　　他还提出将HPC高性能混凝土的强度下限从C50～C60降低到C30左右，以不损及混凝土内部结构为度，以保证其耐久性与体积稳定性 [2]。再根据《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》结合工程需要，进行工程应用试验如下：

3.1 掺KJ-JS配制C25~C35HPC耐久性试验

高性能混凝土由于其很低的水胶比而具有很低的渗透性，同时由于掺了活性矿物细掺料而有更高的密实度和抗化学侵蚀的能力。HPC对抗冻性、抗化学侵蚀性、抗钢筋锈蚀性、抗碳化性、抗碱集料反应性、抗磨耗性、耐火性等耐久性检测和评价方法基本上仍沿用对普通混凝土性质的方法是不尽全面的。由于影响混凝土耐久性的各种破坏过程几乎都与水不无密切的关系，因此混凝土的渗透性认为是评价混凝土耐久性的重要指标。目前世界上最流行的用混凝土渗透性评价方法进行试验。

　　新建温福铁路白马河特大桥按设计使用年限为100年，采用高性能混凝土。混凝土拌合物施工性能要求为：a）11#-13#F坍落度：180~220mm，1h后＞150mm，初凝时间＞12h；b）17#~19#坍落度：150~180mm，1h的＞120mm，初凝时间＞6h。

　　主要材料：新华P·O 42.5水泥；中粗砂，细度模数2.7；二级配5-25mm碎石；II级粉煤灰；KJ-JS聚羧酸高性能减水剂。

　　根据抗压强度和主要耐久性56d电通量指标试验检验结果，可满足设计与施工要求，配合比17#、18#、19#分别满足作为C25、C30、C35混凝土配合比用于相应工程部位的混凝土工程 [3]。

value="3.2" UnitName="C">3.2 C50 HPC预制梁应用试验

　　从武客运专线C50 HPC预制梁设计主要参数：使用寿命100年，强度等级：C50；抗渗≥P20；56 d电通量﹤value="1000" UnitName="C">1000C；坍落度：180~value="200" UnitName="mm">200mm。其配合比设计主要材料 (见表7) 与主要性能指数

考虑到预应力混凝土预制梁的施工工艺和环节较多,对梁体张拉的强度、周期要求比较高，结合经济性指标分析比选3个方案后，实际施工选定C50-2号配合比作为预应力箱梁C50混凝土的配合比。　　

　　该配合比相关原材料及成型混凝土试件送铁道部产品质量监督检验中心桥梁与基础检测站，进行了混凝土耐久性指标的检测，其中：混凝土早期抗裂性试验，28 d 龄期混凝土圆环试件无裂纹；混凝土抗渗大于P20；混凝土护筋良好，符合《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》铁科技函[2004]120号文中nth="12" Day="30" IsLunarDate="False" IsROCDate="False">nth="12" Day="30" IsLunarDate="False" IsROCDate="False">3.4.5款规定；电通量试验其56 d电通量指标为value="656" UnitName="C" u2:st="on">value="656" UnitName="C">656C；骨料的碱集料反应满足要求；抗冻融试验冻融循环200次，质量损失率为0，相对动弹性模量62.2%，满足要求。

通过对混凝土原材料的检验和混凝土配合比的各项参数的试验和检算，C50-2号配合比各项性能指标满足《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》和《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》要求，可以用于预应力C50梁体混凝土的施工。

3.3 掺KJ-JS新拌HPC工作性的应用试验

　　根据不同工程应用要求，对不同强度等级HPC工作性进行试验， #1为中铁十七局；#2为中建二局、大桥局二工区；#4~#6为粤秀等，从试验结果表明能满足工程应用要求。

3.4 低水泥用量配制C80~C90 HPC的试验

　　试验结果表明用300 kg/m3水泥与50%左右的掺合料仍可配制28d强度达102~110 MPa的HPC

3.5 KJ-JS配制C50～100HPC试验

　　用KJ-JS与常规材料配制高强与超高强高性能混凝土的情况进行了探索试验。

　　主要材料：用粤秀P·II 42.5R水泥；黄埔电厂II级粉煤灰；韶关韶钢S95矿渣粉；挪威硅灰；基本上都是采用II区的中砂；5～25mm的碎石，其中C100的采用5～20mm的碎石，较圆滑，针片状少。



　　试验结果表明掺20～35%掺合料与KJ-JS可配制出合格的C50～C100HPC。

3.6 掺KJ-JS配制C60轨枕蒸养试验

　　为探索KJ-JS在蒸养混凝土中的应用，在轨枕厂进行工程应用试验。

　　蒸养过程是先静停2～2.5h，然后升温，最后升温至55℃恒温。试验结果表明KJ-JS可用于混凝土蒸养。



4.0 KJ-JS主要工程应用实例

　　KJ-JS聚羧酸高性能减水剂已在高速铁路武广客运专线I标、V标、新广州站及相关工程区间站前工程ZQ-II标段，广深港客运专线、广珠轻轨、以及温福铁路白马河特大桥、广州西塔等重大工程项目50多万m3C20～C90的高性能混凝土工程中的应用，取得了显著技术效果、与社会经济效益。

4.1 KJ-JS在350km/h高速铁路武广客运专线高性能混凝土Ⅴ标二工区的应用

　　工程为武汉至广州客运专线乌龙泉至花都段新建工程Ⅴ标，其设计最高时速为 350km/h。中铁十九局二工区的施工里程长度总计18.6km。全段共有隧道8座；特大桥7座，大桥3座，中桥2座，总投资为8.6亿元。

　　工程所用的混凝土均是称为“绿色混凝土”的高性能混凝土，结合环境条件为二级碳化环境及二级化学侵蚀环境，故在现有的胶凝材料及骨料的条件下，对外加剂的要求非常之高。

　　选用优良适宜的外加剂是高性能混凝土配合比设计的一个重要环节。经对14家16种聚羧酸类高性能减水剂进行试验对比，再经对厂家质量保障、生产能力、企业信誉等方面考察，最终确定广东柯杰的KJ-JS型聚羧酸高性能减水剂为工程所用。经试验确定在桩基及扩大基础泵送混凝土中其掺量为0.65～0.70%。其中：减水率为27%、碱含量为0.71%、氯离子含量为0.06%。

　　在实际施工使用过程中，不但保证了施工现场对混凝土拌合物的工作性能要求，而且还保证了混凝土的强度和耐久性能。以扩大基础C30泵送混凝土设计为例，在现场试件抽检中，28d在实测强度都在39.4～43.4MPa之间，56d电通量为834～877C，小于T2H2≦1200(C)的要求。

　　通过室内及现场试验数据显示，KJ-JS型聚羧酸高性能减水剂具有高减水率、低碱、低氯离子含量、高工作性能、强度高，抗裂性能好等特点。

4.2 KJ-JS在武广客运专线XXTJI标的应用

　　由铁十一局二工区承建的有16.2km，主要工程包括3423.2m的淦河特大桥、3167.96m的丁泗河特大桥等十多项。

　　KJ-JS高性能减水剂已在该标段混凝土工程中大量使用，在一年多的使用过程中，无论配制中、低标号的混凝土，KJ-JS效果都十分良好，能够很好地满足设计与施工要求，施工中制作的混凝土试件强度与配合比设计时的强度比较一致。减水增强幅度高，保塑性好，电通量低，抗裂性好。

4.3 KJ-JS在武广客运专线新广州站C50高性能混凝土的应用

　　由中铁大桥局股份公司承建的标段为武广客运专线新建铁路新广州站及相关工程区间站前工程ZQ-Ⅱ标段，全长11.859公里。其主要工程包括：跨环城高速特大桥一座，全长11.322双线公里，预制架设32米与24米箱梁共278孔;现浇连续梁(刚构)14座。基础设施设计速度目标值350km/h，全线采用高性能耐久性混凝土，主体结构设计寿命100年。

　　KJ-JS已在该工程的桩、墩、承台及箱梁中大量使用。根据《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》、《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》规定，该标段预应力混凝土梁混凝土的设计使用寿命为100年，碳化环境类别为T2，无氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏环境和磨蚀环境的作用。同时依据客运专线无碴轨道后张法预应力混凝土简支箱梁设计图纸的要求，拟定如下混凝土设计参数：a)强度等级：C50；b)抗渗等级：大于P20；c)电通量：小于1000C；d)要求坍落度：180～200mm。

　　选用主材：粤秀P·O 42.5水泥；正值I级粉煤灰；5～25mm连续级配碎石；北江河砂；KJ-JS聚羧酸高性能减水剂。

　　实际施工中，考虑到预应力混凝土预制梁的施工工艺和环节较多，对梁体张拉的强度，周期要求较高，结合经济性指标分析后，选用w/b=0.33，抗压强度3d达40～52MPa，10d达56～65MPa，28d强度都在68.5～78.3MPa之间，达到了设计强度的137%～157%；28d弹性模量38GPa左右；抗裂性能好，连续28d观察未发现肉眼可见裂纹；抗渗试验大于P20；电通量为678C左右。

4.4 KJ-JS高性能减水剂在温福铁路白马河特大桥上C25～C45HPC的施工应用

　　大桥全长为3126.96m双线桥，主桥宽13m。由10×32m简去箱梁+(80m+3×145m+80m)连续刚构+15×61m简支箱梁+(48m+80m+48m)连续梁+31×32m简支箱梁组成。全桥混凝土总量为23.4万m3，桩、墩、承台等为C25~C45HPC，梁为C50HPC，建成为可满足200km/h高速的需要。

　　KJ-JS高性能减水剂已在大桥工程桩、墩、承台等C25～C45各类HPC大量应用，施工时所制试件的28d强度达设计强度的130%～176%；主要耐久性56d电通量指标为800～2000C，实际只有362～627C；抗裂性好。

4.5 KJ-JS在432m的广州西塔中应用

　　广州西塔高432m，地下4层，地上103层，是国内第二高塔，世界第六高塔，广州地标性建筑，建筑面积45万m2，投资60亿元。

　　从主塔楼现浇异型柱到直形墙等采用C70～C90HPC，需约4.5万m。用KJ-JS高性能减水剂已用了约3万m3，满足设计与施工要求，应用技术。

5.0结束语

5.1 KJ-JS高性能减水剂对水泥适应性好，掺量少，减水增强幅度高。一般掺0.1%～0.4%，通常掺量为0.15%～0.25%，当掺量达0.2%～0.4%时，减水率可达20%～40%，早期强度提高30%～140%，后期强度提高20%～80%。

5.2 掺KJ-JS混凝土拌和物的流动性和流动保持性好，坍落度损失小；适当的引气量、低收缩；氯离子、硫酸钠总碱含量极低；环境友好，可较大量掺用粉煤灰与矿渣粉等掺合料，有利综合利用，降低混凝土单方造价，是一种安全、绿色环保型高性能减水剂。

5.3 为实现HPC的高耐久性，利用KJ-JS降低水胶比，大量掺用优质的粉煤灰和矿渣粉，提高混凝土的抗渗性和降低氯离子渗透量。

5.4 C20～C100 HPC工程应用试验结果表明：选用质量优良的常规材料，配制C20～C50 HPC，56d电通量在362～656C之间；用300kg/m3水泥与50%左右的掺合料可配制C80～C90 HPC，28d强度达102～110MPa；370kg/m3水泥与37%掺合料配制C90 HPC，坍落度与扩展度保持达4个小时，28d强度达104MPa；370～400kg/m3水泥与35～37%的掺合料配制C100 HPC，28d强度达115MPa以上。另外，C60枕轨蒸养12h强度≥50 MPa。

5.5 KJ-JS已在武广客运专线及新广州火车站相关工程、广深港客运专线、广珠轻轨、温福铁路以及广州西塔等路桥与重大工程50多万m3C20～C90高性能混凝土中大量使用，取得了显著的技术效果、经济与社会效益，可大量推广使用。