聚羧酸高性能减水剂在南水北调箱涵混凝土中的应用.pdf

第 1 O卷O 2期 2 0 1 2 年 7 月 南水北调与 水利科技 S o u t h - t o - N o r t h Wa t e r Di v e r s i o n a n d Wa t e r S c i e n c e& Te c h n o l o g y Vo 1 ． 1 0 No ． 0 2 J u 1 ． 2 0 1 2 聚羧酸高性能减水剂在南水北调箱涵混凝土中的应用 韩玉莲， 王铁强， 潘全路 ， 马 东， 赵继勋， 李志学， 杨四华 ( 河北省水利科学研究院， 石家庄 0 5 0 5 7 ) 摘要 ： 在南水北调箱涵工程 中， 混凝土是用途最广 ， 用量最大的建筑材料之一 。减水剂 的应用改善 了新拌 和硬化混凝土性能 ， 促进 了混凝土新技术的发展。试验研究了南水北调中线工程中用到的萘系高效减水剂和聚羧酸高性能减水剂， 对掺加两种不同减水剂 混凝土的工作性能、 力学性能和耐久性能进行试验。结果表明， 掺加聚羧酸高性能减水剂的混凝土具有掺量低、 减水率高等一系列 优点 ， 并且较好的提 高了混凝土的工作性 能 ， 增 强效果 明显 。 关键词 ： 混凝土； 减水剂 ； 性能 中圈分类号： TV4 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 — 1 6 8 3 ( 2 0 1 2 ) 0 0 2 — 0 0 1 5 — 0 3 Ap p l i c a t i o n 0 f Hi g l l E ffi c i e n t P o l y c a r b o x y l i c Ac i d Wa t e r Re d u c i n g A g e n t i n B o x a n d Du c t Wo r k s i n t h e S o u t h - t o - N o r t h wa t e r D i v e r s i o n P r o j e c t HAN Yu - l i a n ， W ANG Ti e - q ia n g ， P AN Qu a n - lu， M A Do n g ， Z HAo J F x u n， I A Z h ~ x u e ， YANG S i - h u a ( He b e i Pr o v i n i c a l Ac a d e my o fWa t e r Re s o u r c e s ， S h ij i a z h u a n g 0 5 0 0 5 7 ， C ^ i n a ) Ab 6 t r a e t ： C o n c r e t e i s o n e o f t h e wi d e ly a n d l a r g e l y u s e d c o n s t r u c t io n ma t e r i a l s f o r b o x a nd d u c t wo r k s i n t he S o u t h - t o - No r t h Wa t e r Div e r s i o n P r o j e c t ． Th e a p p l ic a t io n o f wa t e r r e d u c in g a g e n t imp r o v e s t he p e r f o r ma n c e o f f r e s h l y mix e d h a r d e n i n g c o n c r e t e a n d p romo t e s t h e d e v e l o p me n t o f n e w c o n c r e t e t e c h n o l o g y ． Th e t e s t s t u d y f o — c u s e s o n t he h i g h e f f i c ie n t n a p h t h a l e n e a n d p o l y c a r b o x y l i c a c i d w a t e r r edu c in g age n t a p p l i ed i n t h e mi d d le r o u t e p r o j e c t o f t h e S o u t h - t o - N o r t h Wa t e r Div e r s io n ． T l l e wo r k i ng p e r f o rma n c e ， me c h a n i c a l p r o p e r t i e s an d d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e a r e t e s t e d b y mi x in g t wo d i f f e r e n t wa t e r r edu c i n g a g e n t s ． The r e s u l t s h o ws t h a t t h e c o n c r e t e mi x e d h ig h e f f ic i e nt p o l y c a r b o x y l i e a c i d wa t e r r e d u c i n g a g e n t h a s a s e r i e s o f a d v a nta g e s ， s u c h a s l o w a d mi x i ng v o lu me ， h i g h wa t e r r e d u c t i o n r a t e e t c ． B e s i d e s ， t he wo r k i n g pe r f o r n ls n c e o f co n c r e t e is imp r o v ed ， t he e n h a n c e d e f f e c t i s s ig n i fi c an t ． Ke y w o r d s ： con c r e t e t wa t e r r ed u c i ng a g e n t ； p e r f o f ina n c e 南水北调中线一期工程 天津干线起点位 于河北省保定市徐水 县 西黑 山村西 ， 终点位于天津市外环河 出口闸， 全 长 1 5 5 ． 3 5 2 k m， 共 分 6 个设计单元。 保定市 1 段设计单元为天津干线第 2 设计单元 该段 起点位于保定市徐水县丁家庄村西， 终点位于保定市雄县辛许庄村 东 ， 沿线经过河北省徐水县、 容城县 、 高碑店市 、 雄 县等县 ( 市 ) 。起 止 桩号 为 X W l 5 +2 0 0 ~X W6 0 +8 4 2 ， 线路全 长 4 5 ． 6 4 2 k m。设计输 水 流量 为 5 O r n 3 ／ s ， 加大输水 流量为 6 0 IT 1 0 ／ s 。工程 以现 浇混凝土箱 涵 为主， 皆为有压输水段 。主要承担 输水任 务 ， 因此 对混凝 土的 防渗、 抗冲磨、 抗冻、 抗裂等性能都有特殊要求。水胶 比是决定混凝土耐久 性 的关键 因素 。在保持混凝土拌 合物流 动性不变 的前提 下 ， 低水 胶 比意味着用水量增加 ， 而单一 的提高用水 量不仅 仅增加 了胶凝材 料 的用量， 而且增大了混凝土水化热等一系列不利影响。减水剂作为 当今混凝土 的第五种组份在改善混凝土各 种性 能方面发挥着 不可替 代 的作用 。随着混凝土技术 的发 展 ， 高性 能混凝 土越来 越被广泛 的 应用。高性能混凝土的核心是高耐久性， 耐久性提高的同时需要降 低水 灰比。已有研究表明 ， 制 备高性 能混凝 土， 水灰 比应在 0 ． 4 0以 下 ； 某些特殊工程 ， 水灰 比甚至低于 0 ． 3 0 E 1 ] 。这 么低 的水胶 比一般的 的高效减水剂 ( 如萘系减水 剂) 已不 能满足施工 要求 ， 同时用萘 系减 水 剂新拌制 的混凝土坍落度损 失快在泵 送混凝 土施工 中非常 不利。 与萘系减水剂相比聚羧酸高性能减水剂具有梳形分子结构与水泥适 应性好、 掺量低， 减水率高[ ] ， 新拌制混凝土坍损小具有一定的含气 量在配制 高强混凝土和高性 能混凝土 时， 具有 明显的技 术优势 和较 高的性价 比。为 了更好的说 明聚羧酸减 水剂在 拌制混凝 土 的优 势 ， 本文对聚羧 酸减水剂和萘系减水剂进行试验研究 。 1 试验原材料 1 ． 1 胶凝材料 1 ． 1 ． 1 水泥 试验用水泥为赞皇金隅水泥厂生产 的 P 0 4 2 等级水泥 ， 其检验 结果见表 1 。 赞 皇金隅 P0 4 2 ． 5等 级水 泥 品 质检 验 结果 均符 合 GB 1 7 5 — 2 0 0 7 标准要求 。 1 ． 1 ． 2 粉煤灰 试验用粉煤灰为石家庄华石天泉工贸有限责任公司生产的 F类 Ⅱ级粉煤灰 ， 其检验结果见表 2 。 混凝 土用粉煤灰 品质检验 结果 均符合 符合 D L ／ T 5 0 5 5 — 2 0 0 7 I I 级灰标准要求 。 1 ． 2 骨料 1 ． 2 ． 1 二级 配粗 骨料 试验用粗骨料为天福水泥建材厂生产的人工碎石 ， 粒径为 5 ～ 2 0 mm、 2 0 ~4 0 IT l r n二级配粒级 。根据 D I T 5 1 4 4 — 2 0 0 1 标 准要 求对 5 ～2 O mm、 2 0 ~4 0 mm进行检验 ， 其检验结果见表 3 。 混凝土用粗骨料品质所检结果均符合 D L ／ T 5 1 4 4 — 2 0 0 1 标准要求 。 1 ． 2 ． 2细骨料 试验用细骨料为临城射兽砂场生产的天然砂， 其检验结果见表 4 、 表 5 。 筛分 曲线见 图 1 。混凝土 用细骨 料品质 检验结果 均符合 D L ／ T 5 1 4 4 — 2 0 0 1标准要求 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 — 0 3 — 0 7 修 回日期 ： 2 0 1 2 — 0 3 — 2 6 作者简介 ： 韩玉莲 ( 1 9 6 4 一 ) ， 女， 河北石家庄人 ， 正高级工程师 ， 主要从事水利水电工程研究。 ． 1 5 第 l 0卷 O 2 期 南水北调与水利科技 2 0 1 2年 7月 检验项 ⋯度模数 泥 量 有 量 云 量硫 量 1 ． 3减 水 剂 试验用外加剂为石 家庄长安育才建材有 限公 司生产的 GK - 3 0 0 0 聚羧酸高性能减水剂( 淡黄色液体) 推荐掺量 1 ． O ～1 ． 5 ； G K 一 4 A 萘系高效减水剂( 棕褐色液体) 推荐掺量 2 ． 0 ～2 ． 5 ； 依据《 混凝土 外加剂 》 GB 8 0 7 6 - 2 0 0 8和《 水工混 凝土外 加剂技 术规程 》 D L ／ T5 1 0 0 — 1 9 9 9 ， 分别对 上述外加 剂进行检验 ， 检测 GK - 3 0 0 0时 掺量为 1 ． 0 、 检测 GK一 4 A 时掺量为 2 ． 0 ， 其 检验结果见表 6 一表 9 。 2混凝 土试 验 2 ． 1 基准配 比 试验采用基准配合比 见表 1 0 。 G K- 3 0 0 0品质检验结果符合《 混凝土外加剂 B 8 0 7 6 - 2 0 0 8标准要求。 2 ． 2试 验 配 比 分别采用两 种外 加 剂拌 制 混凝 土 ， 并 控制 混凝 土 的坍 落 度 在 1 4 0 ~1 8 0 mm 的范 围， 同时测定混凝土坍落度及坍落度经时损失； 混 ．、 黾． 戢 验 一礅 |宄 三 婪 羹 5 25 I _ 2 5 06 3 0 3 1 ，0 l 6 孔程 - m m 图 1 砂筛分 曲线 凝土含气量 ； 3 d 、 7 d 、 2 8 d的抗压强度 ； 经冻融循环 5 O次后 的质 量损 失和相对动弹模量。通过多次试拌 最终确定 配合 比见 表 l 1 ， 混凝 土 各项性能见表 l 2 。 ∞ ∞加 ∞∞柏 如∞m 0 韩玉莲等 聚羧酸高性能减水剂在南水北调箱涵混凝土中的应用 裹7 G K - 3 0 0 0 聚羧酸高 性能 减水剂( 液体) 匀质性检验结果 3 试验结果分析 3 ． 1 减水剂检 验 由表 6和表 8可得出在满足规 范要求的前提下 ， GK- 3 0 0 0聚羧 表 8 G K - 4 A萘系高效减水剂( 液体) 混凝土性能检验结果 衷 9 G K - 4 A萘系高效减水剂( 液体) 匀质性检验结果 GK - 4 A 品质检验结果符合 D L ／ T 5 1 0 0 - 1 9 9 9 标 准要求 。 表 1 O 混凝基准配合比 誉 S P0 0 ． 5 0 2 0 4 0 2 4 0 6 0 7 8 0 5 3 8 6 5 8 1 5 0 注： 混凝土配合比计算采用体积法， 骨料以饱和面干状态为基准。 酸高性能减水剂相对于G K 一 4 A萘系高效减水剂而言， G K 一 3 0 0 0 掺量 小减水率高， 强度提高明显， 2 8 d收缩率比更接近 1 0 0 。两种减水 剂表现 出来的差异性 ， 主要是 由于他们 的分 子结构 与作用机 理不 同 所致 。从分子结构看聚羧 酸减水剂是在高分子 主链 上和侧链上选择 性的带有大量的极性较强的活性基团， 如聚乙烯侧链、 羧基、 羟基、 酯 基 、 聚氧烷基的阴离子表面活性剂 ， 这些活性基 团在水泥水化过程 中 与水泥 中的 阳离子相互作用延缓 水泥初期 水化 ， 使后 期水化 更为充 分 ， 有利于生成更大更完整 的结晶[ 3 ]3。而萘系减水剂 属于线 型聚合 物分子 ， 并且分子中只存在一种极性基 团。 由表 7和表 9比较可看 出 GK- 3 0 0 0碱含 量低为 1 ． 4 9 ， 含 固量 为 2 O ． 1 8 ％； 而 GK - 4 A的碱含量 为 6 ． 3 2 ， 含 固量 3 6 ． 2 4 ， 从而更 进一步说明聚羧酸减水剂减水率高， 同时由于碱含量低对抑制混凝 土碱骨料反应有利 。 表 l 1 混凝土配合 比 3 ． 2混 凝 土 试验 由表 9 可以看出在用水量一定时， G K - 3 0 0 0 只掺了0 ． 8 ％坍落度 就可达到 1 7 8 r m ， 而G K 一 4 A却掺了2 ． 2 ％才达到1 6 1 m E； 在分析其 坍落度经时损失， G K - 3 0 0 0 经 3 0 ra i n后坍落度为 1 6 7 m E损失率为 6 ． 2 ， 1 h后 坍落度仍 有 1 4 8 m E， 损失率为 1 6 ． 9 ， G K - 4 A经 3 0 mi n 后坍落度为1 3 8 m E损失率为 1 4 ． 3 1 h 后坍落度为7 7 m m， 损失率为 5 2 ． 2 ％。这是 由于一般水 泥厂采用二水 石膏做调凝 剂 ， 但 在球磨机粉磨 时由于温 度升高 ， 二水石 膏可能脱 水转变 成半水 石膏 或无水石膏， 也有少数厂家直接使用硬石膏， 或工业废石膏。而萘系 减水剂中为了延缓凝结时间的加人一定的缓凝组份， 其中带入的还 原糖大大降低了硬石膏在液相中的溶解度， 不能溶出足够的 S O 。 生 成钙矾石 来抑制 c3 A的水化 ， 使 C 3 A在短 时间 内急速 水化 ， 产 生大 量的水化铝酸钙晶体导致混凝土拌合物经时损失明显增大， 严重时 甚至发生“ 假凝” 现象。可见聚羧酸减水剂的混凝土流动性好且具有 良好保塑效果。预示着在 配制低水胶 比的混 凝土时 ， 采用聚 羧酸减 水剂能够得到工作性 能较优 的混凝土 。 从含气量和抗冻结果看 G K - 3 0 0 0 聚羧酸高性能减水剂在拌制混 凝土过程中有一定 的引气做用 ， 能提高硬化混凝 土的抗冻性能 。 从抗压强度来看掺 G K 一 3 0 0 0的混凝土 3 d 抗压强度比掺 G K - 4 A 的混凝土 3 d 抗压强度高， 两者 2 8 d 抗压强度相差不大。整体来看 掺 GK - 3 0 0 0的混凝土强度增长较为正常 。 从碱含量来看 ， 不掺减水剂 的混凝土其碱含量 为1 ． 4 4 k g ／ ms ， 掺 GK 一 3 0 0 0的混凝土碱含量为 1 ． 4 7 k g ／ m3 ， 而掺 GK- 4 A 的混凝土碱含 量为 1 ． 8 6 k g ／ m3 ， 比较来看掺 G K- 4 A减水 剂 比掺 G K- 3 0 0 0减 水剂 每方混凝土多引入 0 ． 3 9 k g碱量 。抑制碱骨料反应 ， 是世界各 国都在 ( 下转 第 2 4页) | 1 7 第 1 O卷 O 2期 南水北调 与水利科技 2 0 1 2年 7月 式 中： w一荷 载箱上部桩的 自重及配重； y 一容重 ， 对于黏性土 、 粉 土 y 4 ．1 五根 试验桩的主要 试验结果 一0 8 ， 对 于砂土 ， y 0 7 ， 对 于岩石 ， y —i o 。 五根试验桩的主要试验结果汇总见表 4 。 4 检测结果 表 4 自平衡试验结果 4 ． 2 检测结论与结果分析 2 — 1 O 号桩单桩极限承载力≥1 9 2 1 4 k N； 4 - 7 号桩单桩极限承载 力≥2 7 6 6 7 k N， 6 - 8号桩单桩极限承载力≥2 8 1 0 0 k N， 1 0 - 4 #桩单桩 极限承载力≥2 2 6 4 0 k N； 3 - 1 1 号桩单桩极限承载力≥8 6 0 8 k N， 不满 足设计要求 。 五根桩的 自平衡试验结果表明 ， 在现有地质情况 和施工工艺下 ， 基桩上段桩桩身侧阻力 系数值为 8 O ～1 1 8 k P a 。 前期试验的 2 - 1 0号桩及 1 O 一 4号桩在检 验 中发现 桩侧 阻力 先达 到极限状态， 侧阻系数明显小于规范规定值； 从 3 — 1 1 号桩的试验可以 看到 ， 该基桩的下段桩承载力 已达到极限且远小于设计值 。 5建 议 ① 因地域不 同或地质条件复杂 ， 一般侧摩阻系数变化较 大， 采用 自平衡 一堆载结 合法 。即在上 部预备 了堆 载配重 作 为上部反 力储 备 ， 当试验过程中出现上部反力 不够而下部 承载力 未达极 限时 即可 及 时向上段桩进行施压提供反力继续进行试验。 ② 现场试验采用 慢速加 密荷载法 。采用 电动油泵 逐级加 载 ， 5 级加载后可 以再加密划分 1 O级加载 ， 每级加 载量 为预定最大加载力 的 1 ／ 2 0 ， 以获得最接近真实最 大荷载值 。 参考文献 [ 1 ] 翟晋． 自平衡测桩法的应用研究[ D ] ． 南京： 东南大学， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 龚维明， 翟晋， 薛国亚． 桩承载力 白平衡测试法的理论研究[ J ] ． 工业建 筑 ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 1 ) ： 3 7 — 4 O ． [ 3 ] 戴国亮， 蒋永生， 翟晋． 桩承载力 自平衡测试法口] ． 岩土工程学报， 2 0 0 0 ， 2 2 ( 5 )： 5 3 2 — 5 3 6 ． [ 4 ] 龚维明． 桩承载力 自 平衡测试技术及工程应用[ M] ． 北京： 中国建筑工业 出版社 。 2 0 0 6 ． [ 5 ] D B J ／ T 1 4 — 0 5 5 — 2 0 0 9 ， 基桩承载力自平衡检测技术规程[ S ] ． [ 6 ] J G J 1 0 6 — 2 0 0 3 ， 建筑基桩检测技术规范[ s ] ． [ 7 ] 张忠苗． 桩基工程[ M] ． 北京： 中国建工出版社， 2 0 0 7 ． [ 8 ] 程宝辉． 自平衡试桩法极限承载力不同计算方法计算结果的对比分析 口] ． 桥梁建设， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 2 3 — 2 6 ． [ 9 ] 陈贵博． 自平衡深层平板载荷试验在大直径端承桩中的应用[ J ] ． 安徽建 筑 ， 2 0 0 7 ， ( 5 ) ： 1 7 7 — 1 7 9 ． [ 1 O ] 赵鹏宇． 大直径桩承载力桩顶加载自锚式测桩法[ D ] ． 哈尔滨： 哈尔滨工 业大学 ， 2 0 0 8 ． [ 1 8周明星， 王鹏， 程宝辉． 自平衡试桩法关键问题探讨[ 阳． 桥梁建设， 2 0 0 8 ( 6 ) ； 7l - 7 5 ． ( 上接 第 1 7页) 考虑的问题 ， 最有效 的方法就 是使混凝 土不 具备碱 骨料反 应发生 的 条件， 所 以就要求在混凝 土配置过程 中采取措 施。在南水 北调 中线 干线工程建设管理局发布的《 预防混凝土工程碱 骨料反应技术条例 》 ( 施 行) 中要求混凝土 中的总碱量不 大于 2 ． 5 k g ／ m。 。混凝土 中的碱 量不仅来 自 水泥， 而且来自掺合料、 # l- ； 0 n 剂、 水等， 显然单一控制水泥 碱含量是不科学 的， 控制混 凝土总碱 量更为科 学。 由此 可见使用 聚 羧酸减水剂对抑制碱骨料 反应相对来说 更为有 利 ， 特别 是在配 制低 标号混凝土时这 一效果更为突 出 4 结论 ①聚羧酸高性能减水剂掺量小， 减水率高， 强度增长快且明显， 2 8 d收缩率小 。 ②聚羧酸高性能减水剂坍落度经时损失小 ， 保塑效果好有利于 配制泵送混凝土。 ． 2 ． 醢 ③用聚羧酸配制的混凝土有一定的含气量 ， 对混凝土抗冻有利 。 ④掺有聚羧酸减水剂的混凝 土早期强度能较快发展 。 ⑤ 聚羧酸减水剂碱含量低， 对抑制混凝土碱骨料反应影响小 。 ⑥ 由于萘系减水剂掺量 已经 接近上 线其减 水效果 仍不是 很好 ， 所以在 配制低水胶 比的混凝 土是用聚羧 酸减水 剂 ， 更有 利于保 证混 凝图的施工性能 。 参考文献： 1- 1 ] 尹训周， 杨医博． 聚羧酸系减水剂与萘系减水剂的对比实验研究[ J ] ． 广 东建材． 2 0 0 5 ， ( 0 3 ) ． [ 2 ] 邓珂， 杨学贵． 聚羧酸系减水剂与萘系减水剂的对比实验研究口] ． 科技 信息( 科学教研) ． 2 0 0 7 ， ( 2 3 ) [ 3 ] 黄雪红， 林埔， 郑木霞， 等． 聚羧酸减水剂在水泥水化过程中的微观表现 _ J ] ． 广州化学， 2 0 0 8 ， ( O 1 ) ．