马贝超塑化剂在南水北调中线工程中的应用

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关键词： 超塑化剂；聚羧酸减水剂；孔隙率

1. 马贝超塑化剂Dynamon

马贝Dynamon系列超塑化剂是世界上最早开发的第三代高效减水剂之一，是羧基丙烯酸及丙烯酸酯的共聚物，由聚合物长主链及构成侧链的羧基、羟基以及聚氧乙烯类基团R）组成。结构示意图如图1。

图1 Dynamon共聚物结构示意图

Dynamon系列产品源自马贝1994年取得的美国专利，在12年的工程实践中，依靠一整套完善的单体设计与生产流程，以DPP技术和新化学合成工艺为基础，马贝超塑化剂从最初的流态X系列发展成为三个各具特色的系列：Dynamon SR系列专门适应预拌商品混凝土所需的高工作度保持和高的早、中期强度；Dynamon SP系列则兼顾预制混凝土所要求的短脱模时间、高早期强度和不容忽视的耐久性；Dynamon SX系列更考虑对大型工程中施工材料、效率和复杂工况的适应性。

2. 南水北调中线工程

大规模、远距离、跨流域的南水北调中线工程是一项十分复杂、庞大、艰巨的系统工程，属长距离单线输水工程，所经过区域地质环境复杂多变，其中任何一处受阻都将严重影响调水工程的正常运行，因此对输水可靠性有着极高的要求。渡槽是南水北调中线工程总干渠上应用较多的一种建筑物形式，属于钢筋混凝土薄壁结构，要求混凝土具备高抗渗性能、高抗冻性能及防止碱骨料反应的高耐久性能，其质量关系到整个南水北调中线工程的可靠性与经济性。高性能混凝土要求严格控制水胶比并掺加较大比例的外掺料，但复杂的工况情况又要求混凝土具有很好的工作性能，这对外加剂特别是减水剂提出了更高的要求。聚羧酸系超塑化剂作为新一代的高性能减水剂，有着其他减水剂不可替代的优势[1-4]。

南水北调中线总干渠漕河渡槽段，位于河北省保定市满城县内，距保定市30公里，是控制应急段工程的关键项目之一。跨越漕河的巨型渡槽长2300m，底宽20m，最大跨度30m，最大输水流量为150m3/s，是我国目前最大的输水渡槽。

工程施工设计渡槽用高性能混凝土为C50泵送混凝土，设计指标C50W6F200，水胶比不得大于0.38。试验中混凝土控制出机塌落度为200～240mm，塌落度经时损失尽可能得小。考虑到预应力混凝土的特殊性，混凝土含气量控制在3.0％～4.0％，不宜过高。

3. 试验原材料及基本性能

3.1 水泥

由于碱－骨料反应对水工混凝土破坏性极大，在水泥选择上，必须采用低碱水泥以减少发生碱－骨料反应的可能。试验采用鹿泉东方鼎鑫水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，其基本物理力学性能试验结果如表3.1。

表3.1 水泥基本性能试验结果

3.2 掺和料

掺和料使用衡水发电厂生产的粉煤灰，试验结果见表3.2。其性能指标满足GB/T1596-1991《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和DL/T5055-1996《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》中I级灰的要求。

表3.2 粉煤灰性能指标

3.3 细骨料

　　漕河岭东料场的天然砂，根据DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》对砂进行试验，测得其颗粒级配如表3.3。可见该砂细度模数为2.63，属II区中砂。

表3.3 河砂颗粒级配试验结果

3.4 粗骨料

　　永胜料场的石灰石人工碎石。根据工程要求，渡槽C50混凝土采用一级配碎石，按DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》对碎石进行试验，碎石粒径分布如表3.4，其他性能指标见表3.5。可见，该碎石含泥量和泥块含量均较低，但发现其形状类似针片的颗粒含量较多，这将在一定程度上影响混凝土拌合物性能，所以必须通过适当调整浆集比和砂率才能改善混凝土拌合物的工作性。

表3.4 碎石颗粒粒径分布

表3.5 碎石其它性能指标

3.5 高效减水剂

混凝土配合比试验中掺用高效减水剂和引气剂两种类型的外加剂。引气剂为北京中水科海利工程技术有限公司生产的SK-H高性能引气剂，其性能指标检验结果见表3.6。

高效减水剂共4种，分别是：北京冶建特种材料公司的JG-3萘系缓凝高效减水剂和JG-2H聚羧酸高效减水剂、石家庄育才建材有限公司的GK-4A萘系缓凝高效减水剂以及意大利马贝集团的SP1聚羧酸超塑化剂。根据GB8076-1997《混凝土外加剂》标准对4种减水剂进行试验，其性能如表3.7。

表3.6 SK-H引气剂性能试验结果

表3.7 4种高效减水剂基本性能试验结果

由表3.7可见，聚羧酸减水剂的碱含量仅为萘系减水剂的1/10左右，且聚羧酸减水剂的掺量也较萘系减水剂低得多，这大大降低了由外加剂引入混凝土的碱含量，对控制混凝土碱－骨料反应有极大的帮助。

4. 碱－骨料活性检测

碱－骨料反应是影响混凝土耐久性的一个重要方面。施工中若不可避免采用含有活性的骨料，碱－骨料反应一旦发生，对于钢筋混凝土薄壁结构，将造成无法补救的严重后果。因此，在配合比试验开始前对骨料进行了碱活性检验和碱活性骨料的抑制试验。

碱－硅酸反应活络行检验采用15％和20％两种粉煤灰掺量，采用DL/T5151-2001《水工混凝土砂石骨料试验规程》中的“砂浆棒快速法”进行。碱－硅酸反应活性抑制试验方法采用《青藏铁路梁体混凝土掺和料抑制碱－骨料反应有效性试验操作规程》进行。砂、石的碱－硅酸反应活性检验结果见表4.1和图4.1，碱－硅酸反应活性抑制试验结果见表4.2和图4.2

表4.1 碱－硅酸反应活性检验结果

图4.1 碱－硅酸反应活性试验结果

图4.2 碱－硅酸反应活性抑制试验结果

由碱－硅酸反应活性检验试验结果可见，砂、石14天砂浆膨胀率分别为0.030％和0.078％，而到28天龄期，石子的膨胀率超过了0.2％。依据DL/T5151-2001中的评定标准，该砂、石骨料为非活性骨料，但在使用时必须采取抑制措施——控制原材料的碱含量、掺加适量的矿物掺和料、不得在含碱环境中使用等。

碱－硅酸反应活性抑制试验结果表明，掺入15％和20％的粉煤灰均对碱－硅酸活性反应具有良好的抑制效果。由于粉煤灰颗粒含有活性SiO2 和 Al2O3，它们不断吸收水泥水化生成的Ca(OH)2，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，并和高碱度水化硅酸钙产生二次反应，生成强度更高、稳定性更优、数量更多的低碱度水化硅酸钙，改善水化胶凝物质的组成。且粉煤灰水化时产生的大量 C-S-H 凝胶会吸收和固定大量 Na+，Ka+和氯化物，使混凝土孔溶液中的有效碱含量大大减少，因而有效抑制碱一骨料反应。试验观测至164天，其膨胀率基本为负值，没有发生膨胀的趋势。根据评判标准判断，漕河渡槽混凝土中掺入15％～20％的粉煤灰抑制碱－硅酸反应是有效而且必要的。

表4.2 碱－硅酸反应活性抑制试验结果

表5.1 混凝土配合比及其性能

5. 混凝土配合比设计及试验结果分析

为满足南水北调中线工程漕河渡槽高性能混凝土的设计要求，在配合比设计优化时，必须全面兼顾各项性能要求，在减水剂的选择、掺合料掺量的确定、胶凝材料的用量等方面进行大量试验和比较、分析，最终得到满足工程实际的配合比。

5.1 水胶比和胶凝材料用量的初步确定

5.1.1 W/B

W/B是决定混凝土性能的基本因素，在胶凝材料系统一定的情况下，它不仅决定混凝土的强度，而且对混凝土的抗渗透性有很大影响。一般来说，用粉煤灰替代部分水泥，可以控制水胶比小于0.38，既满足强度要求，且不致引起自干燥收缩开裂。

5.1.2 胶凝材料用量

在W/B和集料种类、砂率等一定的情况下，混凝土中胶凝材料的组合和用量对其和易性、强度发展速率、耐久性指标等影响较大。根据规范和设计要求，该结构体混凝土中水泥用量不得超过500 kg/m3，水泥与活性矿物掺合料总量不得超过550kg/m3，并应尽可能地提高粉煤灰对水泥的替代率以降低碱－骨料反应的潜在危险。

5.1.3 砂率的确定

根据砂石集料实际情况，通过最紧密堆积法确定了砂率范围为：37.0%-41.0%。

5.2 外加剂品种及掺量的确定

通过固定胶凝材料总量及砂石比例，对掺4种不同外加剂的混凝土进行对比，其性能试验结果见表5.1。

从表中可以看出，如编号CH-1和CH-2，萘系减水剂在较大掺量的情况下，也能拌制出符合施工要求的大流动度混凝土。但由于萘系减水剂自身的缺陷，混凝土塌落度经时损失较大，1h塌落度损失接近100mm。且由于含气量高，使得混凝土强度的发展受到一些影响。

使用聚羧酸系减水剂如CH-3至CH-6，由于聚羧酸减水剂较高的减水率，每方混凝土可比萘系减水剂少用水6～16kg。虽然增大粉煤灰的掺量会对混凝土的强度有所降低，但通过调整水胶比，混凝土的强度仍然可以得到可靠的保证。提高粉煤灰掺量的另一个优势是降低了早期混凝土的温升，减少了混凝土发生早期收缩开裂的可能。后期粉煤灰二次反应又使得混凝土的孔结构得到优化，孔隙得以密实，大大增加了混凝土抵抗侵蚀和冻融的耐久性。

虽然目前对聚羧酸减水剂的减水保坍机理不是十分明确，但一些研究表明，相对于萘系减水剂依靠静电斥力作用分散水泥颗粒，聚羧酸减水剂主要依靠空间立体位阻作用来影响减水剂的分散和分散保持性能[5]。对萘系减水剂和聚羧酸减水剂的吸附等温曲线表明，聚羧酸减水剂在水泥颗粒表面的初期吸附量要小得多。可以认为聚羧酸减水剂在水泥颗粒表面形成环线状吸附形态，因此其饱和吸附量不大，但由于其长支链在空间立体位阻效果比较显著，因此对水泥分散性能更好。较小的饱和吸附量可以使更多的减水剂分子分散于混凝土液相体系中，保证混凝土在较长时间内保持良好的工作性。

考虑到萘系减水剂的碱含量较高，更容易引发碱－骨料反应。施工方决定选取CH-1为参照组，对CH-4和CH-6配合比做进一步的对比试验。

5.3 混凝土的其他性能

5.3.1 混凝土微观结构分析

对三组混凝土试样使用压汞分析进行了孔结构测试，试验结果如图5.1。

a. CH-1混凝土7天压汞分析

b. CH-1混凝土28天压汞分析

c. CH-4混凝土7天压汞分析

d. CH-4混凝土28天压汞分析

e. CH-6混凝土7天压汞分析

f. CH-6混凝土28天压汞分析

图5.1 三组混凝土压汞分析结果

根据吴中伟院士对混凝土孔径的分级[6]，孔径≤50 nm的孔属于无害或少害孔，而孔径＞50 nm的孔属于有害或多害孔。从压汞分析的数据，我们可以观察到，在7天时，三组混凝土试样的孔结构分布差别不大。但到了28天，使用JG-2H和SP1聚羧酸减水剂的混凝土试样，其有害或多害孔的比例明显要低的多，分别为为20％和17％，而使用萘系减水剂的混凝土，其孔径＞50 nm的孔占到了40％。

更细密的孔结构不仅有助于混凝土的强度增长，更增强了混凝土抵抗各种有害物质的侵蚀以及冻融破坏的能力。

5.3.2 干燥收缩

混凝土的干燥收缩试件采用100×100×515mm标准试件，按《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法》国家标准条件下养护及检测。但在1d脱模后，测试其初始长度。收缩率为同组三个试件的平均值。试验结果见表5.2和图5.2。

表5.2 混凝土干燥收缩试验结果

图5.2 混凝土干燥收缩发展曲线

从图5.2中可以看出，使用聚羧酸系减水剂的混凝土收缩率要明显小于使用萘系减水剂的混凝土。对减水剂表面张力的测定中，我们可以得知，聚羧酸减水剂对降低水溶液的表面张力效果更明显。这使得混凝土在干缩过程中，毛细管应力集中趋势减缓。且由于聚羧酸减水剂在很小的吸附情况下就能产生很好的分散效果，使得较多的活性剂分子散布在混凝土液相表面，一定程度上延缓了混凝土失水的速率。故混凝土由于失水收缩产生的变形要小得多。

5.3.3 抗渗性

抗渗试验按照DL/T 5150-2001中规定的逐级加压法进行。水压从0.1MPa开始，每隔8小时增加0.1MPa，直至试验水压达到0.7MPa。之后稳压8小时，卸下试件劈开，测量渗水高度，取6个试件渗水高度的平均值来进行评价。三组试件的抗渗性试验结果列于表5.3。

表5.3 混凝土抗渗性试验结果

从试验结果看，三组混凝土抗渗性结果都达到了W7级，但从渗水高度看，使用SP1减水剂的混凝土渗水高度最低，平均渗水高度仅15mm，表现出很好的抗渗能力。

5.3.4 抗冻性能

混凝土抗冻设计等级是F200，抗冻试验按DL/T5150-2001中快冻法进行，试验龄期为28天。混凝土中心冻融温度为-17±2℃～6±2℃，一个冻融循环耗时3～4小时。当相对动弹模量降至60％或质量损失达到5％时，则认为混凝土已经破坏。三组混凝土的冻融循环试验结果见表5.4。

表5.4 混凝土抗冻试验结果

　从表中可以看出，三组混凝土动弹模量损失都比较小，反映出混凝土具有较好的抗冻性能。而使用SP1聚羧酸减水剂的混凝土在冻融初期动弹模量与质量有所增加，笔者认为，这可能是由于所配置的混凝土具有较高的强度，混凝土微观结构密实，孔隙率低，因而混凝土的水渗透系数很低。随着冻融次数的增长，冻融循环没有对混凝土试件造成破坏，而水分则逐渐缓慢渗入试件内部。因此，测试的混凝土初期平均动弹模量与质量均有所增加。

6. 实际施工混凝土配合比的确定

经过对以上数据的分析与讨论，并针对施工现场材料的最终调整，工程施工方确定了现场混凝土的配合比，如表6.1。按施工现场要求测得的技术性能如表6.2。

表6.1 渡槽槽身C50高性能混凝土配合比

表6.2 渡槽槽身C50高性能混凝土基本性能

7. 结语

马贝SP1超塑化剂在南水北调中线工程漕河渡槽段的应用，充分显示了聚羧酸系减水剂作为第三代减水剂，其低掺量、高减水率、高塌落度保持能力，在配制大流动性、高工作性、高强混凝土的优势。聚羧酸减水剂合成过程中布使用甲醛，更低的碱含量也为抑制混凝土碱－骨料反应，配置高环保性、高耐久性混凝土提供了可靠保证。

参考文献：

[1] 胡孟其,关令苇. 马贝丙烯酸高效减水剂的性能与应用. 聚羧酸系高性能减水剂及其应用技术. 北京: 机械工业出版社，2005: 223-228

[2] 孙振平,蒋正武，金慧忠等. 聚羧酸系减水剂在钢管混凝土桥拱施工中的应用. 聚羧酸系高性能减水剂及其应用技术. 北京: 机械工业出版社,2005: 216-222

[3] 宣怀平,林国英. 聚羧酸高性能减水剂及应用.

[4] 廖国胜,马保国. 丙烯酸系减水剂在水工混凝土中的应用.

[5] 苏志忠,林明穗,张宗伟等. 聚羧酸系减水剂缓凝机理探讨. 三明学院学报,Vol.22,No.4.

[6] 廉慧珍,童良,陈恩义. 建筑材料物相研究基础. 北京:清华大学出版社,1996.