聚羧酸高性能减水剂在南水北调箱涵混凝土中的应用
摘 要：南水北调工程是举世闻名的重点工程，对混凝土的要求更是精益求精，为达到标准要求，在选择混凝土配合比时，对外加剂的选择更是苛刻。聚羧酸系高性能减水剂以其掺量小、减水率高、强度高、低碱低氯又环保的特点在南水北调中线天津干线TJ2-1标建设中，使混凝土质量经过了考验。
关键词：聚羧酸高性能减水剂；南水北调天津干线；箱涵混凝土
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.088
1 工程概况
天津干线工程保定市1段TJ2-1标段是南水北调的中线一期工程， 位于河北省保定市的徐水县境内，全长约9.883Km。为3孔4.4m×4.4m现浇有压混凝土输水箱涵，起讫桩号为XW15+200～XW25+083，混凝土设计标号为C30W6F150。设计混凝土用量约30.1万方。
2 聚羧酸高性能减水剂的特点
聚羧酸高性能减水剂是通过单体的多元性聚合而制备的一种新型减水剂。由于独特的分子结构，该减水剂通过静电斥力及空间位置的双重作用来实现对水利颗粒的分散，表现出优异的分散性保持能力。
（1）该产品具有掺量低、减水率高的特点：高达40%的减水率特点，适用于配制较高强和高性能的混凝土；
（2）坍落度经时损失小的特点：预拌混凝土1h坍落度的损失值低于15%，这不仅有利于混凝土的长距离运输对泵送施工也非常有利；
（3）混凝土工作性好的特点：在高坍落度的情况下，混凝土如果是用聚羧酸高性能减水剂配制而成的，离析和泌水的现象就不会特别严重，外观上来看颜色也比较均一。流动性高土、自密实和清水饰面的混凝土也比较适用。若将聚羧酸配制高标号混凝土，混凝土的工作性会变好、粘聚性增强，也更容易搅拌。能降低水泥早期水化热，有利于夏季施工；
（4）适应性优良的特点：与水泥、掺和料相容性好；
（5）混凝土收缩小的特点：可以使混凝土的收缩性明显降低，同时混凝土体积的稳定性和耐久性得到显著提高；
（6）含碱量非常低的特点：含碱量≤0.2%，同时也不会产生混凝土碱骨料反应；
（7）产品稳定性好的特点：不仅长期储存不会出现分层和沉淀现象，而且低温时不会析出结晶；
（8）产品绿色环保的特点：该产品是无毒无害的绿色环保产品，符合可持续发展的理念；
（9）经济效益好的特点：同使用其它类型的产品相比，工程综合造价较低，相同的条件下可以节省15-25%的水泥用量；
（10）使用聚羧酸高效减水剂有方便、安全和高效的好处，但有优点的同时也存在一定的局限性，以下问题在施工生产的过程中有可能会遇到。①从搅拌车中卸出时比较困难，原因分析：水泥和聚羧酸的严重不适应性可能是这一问题的主要原因。应对措施：在开盘前对每一批要使用的水泥做一次复配试验，标准采用施工配合比。②在混凝土的拌和物坍的落度突然变大或者泌水的情况下，这批水泥和减水剂会有相对较好的适应性。应对措施：对外加剂的掺量进行适当的调整。③硬化之后表面会产生气泡，原因分析：为了施工方便，使用时加大了减水剂掺量。应对措施：施工时严格按照配合比进行，对施工的工艺进行改进，对施工的管理进一步加强。④混凝土在凝结硬化时较慢，原因分析：养护的温度达不到或者加大了减水剂的掺量。应对措施：施工时严格按照配合比进行，将养护的时间延长。⑤和实际的设计值相比混凝土的坍落度有较明显的差异，原因分析：混合使用了两种外加剂，会产生不相容的情况。应对措施：先做相容性试验再使用，根据情况对掺配比例进行调整。
3 聚羧酸高性能减水剂的作用机理
水泥水化过程中表面活性剂起的减水作用是一种非常重要的作用。在混凝土工作性不受影响的情况下，减水剂可以减少单位用水量；或者在单位用水量没有改变的情况下，混凝土的工作性可以得到改善；或者在以上两种效果都具有的情况下，含气量的外加剂没有被显著改变。
与水混合搅拌后，水泥会发生水化反应，一些絮凝状的结构会随之出现，很多的拌和水会包裹其中，新拌的混凝土的和易性（也称为工作性，主要指的是在施工中新鲜的混凝土，在经过了搅拌、运输和浇灌等的过程中，没有发生分层离析的现象，仍然能保持均匀而又密实的良好性能）会因此而有所降低。为了和易性在施工过程中得到保持，拌和水量就必须相应的有所增加，如果增加水量，水泥石结构中就会形成相对较多的孔隙，硬化混凝土的物理力学性能就会受到严重的影响，如果这些包裹的水分可以被释放出来，这样就可大大地减少混凝土的用水量。在凝土制备的混过程当中，如果在掺入其中适量的减水剂，就可以明显地起到这样的作用。
将减水剂掺入混凝土中后，其憎水基团会在水泥颗粒的表面发生定向的吸附，而其亲水基团会指向水溶液，这样就会形成单分子或者多分子层的吸附膜。因为表面活性剂有定向吸附的作用，水泥胶粒的表面就会有相同符号的电荷产生，由于同性相斥，其产生的作用力，不仅可以使水泥-水体系的相对稳定的悬浮状态得到保持，而且可以让在加水初期水泥所形成的絮凝状的结构分散解体，这样一来絮凝结构内的水就会被释放出来，从而达到减水效果。加入减水剂之后，一方面可以改善新拌的混凝土的和易性，另一方面由于混凝土中的水灰比会有相对较大幅度下降的原因，混凝土的内部孔隙的体积就会明显地减少，这样混凝土就更加地致密，混凝土抗压的强度就会得到显著的提高。加入的减水剂，对水泥水化的速度和凝结的时间也都会产生影响。在实际应用中，这些性質都是十分重要的。
4 聚羧酸的高性能减水剂的掺量对拌合物的影响
混凝土可以其实现高性能化，聚羧酸的减水剂是非常关键的技术，其掺量是在实际的应用过程中需要特别注意的，如果掺量过高的话有可能会造成一定的质量事故，比如产生混凝土泌水的现象或者离析的现象，甚至会降低混凝土的强度，也会带来经济上的损失；如果掺量过少的话又不能实现其应有的效果。
5 聚羧酸高性能减水剂在南水北调中线天津干线工程保定市1段TJ2-1标段建设生产中的应用
（1）该工程的主体结构是混凝土，其强度等级是C30，抗渗等级是W6，抗冻等级是F150。建筑物的部分混凝土等级不完全相同，以相应的图纸说明为依据。该工程的外加剂是主要是TY-6A聚羧酸的高性能减水剂，生产企业是河北省铁园科技发展有限公司，由于建筑物的部分混凝土等级不是完全一样，其配合比也就不会完全相同。以TY-6A聚羧酸的高性能减水剂为举例，其掺量占比为0.7%，下表1是聚羧酸的高性能的减水剂的检验结果：
检验的混凝土是用聚羧酸的高效减水剂TY-6A（液体）配制的，表中所列检验项目的技术指标均符合JG/T223-2007的标准。
（2）C30、W6及F150的箱涵主体结构混凝土配合比的试验。试验试拌的混凝土选用的鼎鑫P·O42.5等级的水泥，表2和表3显示的是聚羧酸的高效减水剂TY-6A（液体）的试拌方案和试验结果。
注：①鼎鑫P·O42.5等级的水泥是选用恒盛砂场的中砂、石亢料场的碎石以及河北铁园外加剂配制而成的。
②28d抗压强度和胶水比的回归方程式如下：
Y=22.765X-12.541 相关系数r=1.000
其中：X表示胶水比；Y表示混凝土28d的抗压强度（MPa）。
③从上表的试验数据可以看出，对C30、W6及F150（泵送）混凝土试验，掺入比例为0.7%的聚羧酸高性能减水剂TY-6A，坍落度分别是173mm、177mm及187mm，可以满足设计的要求，观察现场浇筑的混凝土状态发现，混凝土的和易性较好，既没有泌水也没有发生离析的现象，可以满足施工技术的要求，28d的强度最低可以达到32.9Mpa，最高可以达到44.3Mpa，可以满足设计要求的强度，由此试图推荐如下表的施工配合比：
注：①鼎鑫P·O42.5等级的水泥是选用恒盛砂场的中砂、石亢料场的碎石以及河北铁园外加剂配制而成的。
②通过对上表4所推荐的混凝土进行检测显示，该施工配合比拌制的混凝土各项指标均符合设计要求，如下表5所示：
6 结论
天津干线工程的保定市1段TJ2-1即南水北调的中线一期工程的标段全都是有压的输水箱涵，并且被深埋在地下，受到周围环境的影响相对较大，比如温度、湿度和周围的大气以及地质情况还有当地的水文条件，其所承受的压力既有内部的也有外部的，相对来说极为复杂。本标段选用的气象资料是由徐水气象站发布的气象资料：本标段的平均气温是11.8℃。其中哦1～2月份的气温是最低的，1月份的平均气温是-4.9℃，极端的最低气温是-26.7℃。7月份的气温是最高的，月平均气温是24.9℃，极端的最高气温是42.1℃。根据徐水气象站的多年实测的资料显示发现，在冬季，地面的冻结深度最大是0.70m，地面的最早的稳定冻结日期是11月21日，最晚的稳定冻结日期是12月29日；开始解冻的最早日期是1月18日，开始解冻的最晚日期是为3月8日。工程区的冻土类型是属于季节性的冻土。
（1）因此较强的抗渗性能、较好的抗冻性能、较高的耐久性的特点是该工程混凝土應具备的，聚羧酸的高性能减水剂应当优先考虑作为主要的外加剂来使用。聚羧酸的高性能减水剂经过了实践的应用，可以确保混凝土在拆模后其外观质量不仅光洁平滑、色泽比较均匀而且尺寸比较平整，甚至可以说几乎是达到了清水混凝土的质量标准。
（2）天津干线工程的保定市1段TJ2-1即南水北调的中线一期工程标段在使用了主体结构混凝土后表明，混凝土符合了各项技术指标很大程度上得益于聚羧酸的高性能减水剂的使用，并且掺量较低而减水率较高，较好的增强了使用效果和适应性能，施工也非常方便，节约了成本获得较好的经济效益；总体的碱的含量、氯离子的含量和硫酸钠的含量都较低，这样就不会锈蚀钢筋而且是无毒无害的绿色环保产品，满足了可持续发展的战略要求。因此，聚羧酸的高性能减水剂是工程配制混凝土极其的理想材料，可以在铁路、公路、水利水电、工业和民用建筑等领域得到广泛应用。
作者简介：刘志森（1983-），男，河北冀州人，工学学士，研究方向：桥梁工程。
