聚羧酸鹽高性能減水劑性能試驗研究

一、LEX—9聚羧酸鹽減水劑在混凝土中的應用

  課題組合成的聚羧酸鹽聚合物經(jīng)稍加調整即成為基本的LEX—9高性能減水劑,它同時滿足我國“混凝土外加劑”標準(GB8076—1997)中高效減水劑(一等品)和行業(yè)標準“混凝土泵送劑”(JC473-2001)泵送劑(一等品)的各項指標。

   本報告在評價LEX—9品質并與日本SP—8N、HP—11等比較時,采用了GB8076-1997、JC473-2001和日本混凝土高性能AE減水劑標準JISA6204—1995。

   1、水泥凈漿流動度

  按照“混凝土外加劑勻質性試驗方法”(GB/T8077-87)中凈漿流動度試驗方法,將LEX—9與SP—8N、HP—11和萘系高效減水劑比較,結果見表—1。

 表—1. 水泥凈漿流動度試驗結果

減水劑品種 水泥 (g) (g) 減水劑 摻量(g) 流動度(mm)
初始 60分鐘 120分鐘
LEX—9 500 145 4 250 250 235
SP—8N 500 145 4 240 230 200
HP—11 500 145 4 225 220 202
SN—Ⅱ(固) 500 145 4 187 154 流不開
改性三聚氰胺 500 145 7.5 200 185 165

*試驗采用江南小野田Ⅰ型波特蘭水泥

 **液體減水劑按其濃度扣除水份

 2、混凝土減水率

  總所周知,減水劑在不同配合比和不同坍落度的混凝土中減水率不盡一致,以下,采用不同的標準方法和標準規(guī)定配合比來判別LEX—9的減水率。表—2—表—4是LEX—9在常用經(jīng)濟摻量下的減水率。

 表—2. 按GB8076—1997方法測定的減水率

水泥品種 減水劑 混凝土配比(kg/m3 坍落度 (mm) 減水率 (%) 高效減水劑一等品指標
水泥 減水劑
上海聯(lián)合525P.O 基準 192 330 726 1092 0 100 - >12%
LEX-9 143 330 726 1092 2.64/0.8 95 25.5  
SP-8N 145 330 726 1092 2.64/0.8 95 24.5  

 

表—3. 按JC473-2001建議配比測定的減水率*

水泥 品種 減水劑 混凝土配比(kg/m3 坍落度 (mm) 減水率 (%)
水泥 減水劑
上海聯(lián)合 525#PO 基準 230 390 733 967 0 215 -
LEX-9 156 390 733 967 3.12/0.8 211 32.2
  SP-8N 160 390 733 967 3.12/0.8 225 30.4
  FDN(固) 170 390 733 967 3.12/0.8 210 26.1

*按標準規(guī)定,以等水灰比下,摻外加劑混凝土的坍落度增加值為判別依據(jù),但摻LEX-9

混凝土,在等水灰比情況下,因用水量過大而無法配制混凝土,因此,采用標準建議配

比,使基準與受檢混凝土達到同樣坍落度情況下,測定其減水率。

 表—4.按日本JISA6204-1995方法比測定的減水率

水泥 品種 減水劑 混凝土配比(kg/m3 坍落度 (mm) 減水率 (%) 標準指標
水泥 減水劑
江南小野田P. 基準 211 320 847 924 0 185 - ≥ 18
LEX-9 157 320 847 924 3.20/1.0 190 25.8  
SP-8N 160 320 847 924 3.20/1.0 196 24.2  
HP-11 162 320 847 924 3.20/1.0 190 23.5  

從以上數(shù)據(jù)可以看出,甲以上三種標準方法和建議配比,LEX—9在常用經(jīng)濟摻量下的減水劑平均超過25%,稍高于同摻量的SP—8N和HP—11。

用LEX—9來配制高流動性自密實混凝土的時候,摻有LEX—9的混凝土有明顯的“自流”趨勢,物料的擴展度很大,減水率顯得更高,甚至超過35%。

表—5.在高流動性混凝土中的減水率

減水劑品種 混凝土配合比(kg/m3 坍落度 (mm) 擴展度 (mm) 減水率 (%)
水泥 粉煤灰 減水劑
基準 242 400 100 690 815 - 240 540 -
LEX-9H 157 400 100 690 815 6.0/1.2 255 680 35.1

3、流動度損失

 坍落度損失少是聚羧酸鹽類高性能減水劑最重要的特征。

a、常溫下的坍落度損失

按照JC473-2001和JISA6204-1995建議的混凝土配合比,在20℃左右室溫條件下的坍落度損失試驗,結果見表—6。

 表—6. 常溫條件下坍落度損失

采用標準 和水泥品種 減水劑 品種 水 (kg/m3) 水泥 (kg/m3) 減水劑 摻量(mm) 起始坍 落度(mm) 經(jīng)時坍落度(mm)
30’ 60’ 120’
  基準 218 390 - 208 186 130 85
JC473-2001江南小野田 LEX-9 172 390 0.50 205 200 175 145
LEX-9 164 390 0.75 208 208 195 185
LEX-9 156 390 1.00 205 213 217 185
JISA6204-1995上海聯(lián)合 LEX-9 160 320 1.00 200 190 180  
SP-8N 163 320 1.00 200 190 176  
HP-11 163 320 1.00 191 165 145  
萘系 172 320 折干0.70 196 120 80  

以上數(shù)據(jù)表明了LEX-9具有明顯的坍落度保持作用,完全符合泵送劑標準規(guī)定的坍落度保留值(一等品)30分鐘150mm和60分鐘120mm的規(guī)定以及日本“高性能AE減水劑”標準規(guī)定的1小時損失不大于60mm的規(guī)定。同時,也可以看出,摻量增加,有利于流動度的保持。

b、在非常溫條件下的坍落度損失 與絕大都數(shù)表面活性劑一樣,溫度越高,穩(wěn)定性越差。試驗表明,在高于室溫條件下,低摻量的混凝土坍落度損失略有增大,但是當LEX-9摻量超過1%后,2小時內仍幾乎無損失。表—7是在模擬夏季高溫條件下的坍落度損失試驗。

表—7 .模擬夏季高溫條件下的坍落度損失

外加劑 品種 環(huán)境溫度(℃) 水泥 減水劑 摻量(%) 料溫 (℃) 起始 坍落度(mm) 經(jīng)時坍落度(mm)
30’ 60’ 120’
LEX-9 32 169 400 0.7 27 200 195 170 152
LEX-9 32 160 400 1.0 27 207 213 200 197
SD-8N 32 170 400 0.7 27 210 190 171 143

c、在不同水泥品種的混凝土中坍落度損失

 水泥的礦物組成、細度和摻合料等均可能對減水劑的作用變化,課題組在研制過程中也曾發(fā)現(xiàn)過有些聚合物的水泥適應性特差而不能使用。LEX—9卻有較廣泛的適應性。

 表—8.不同水泥中的坍落度損失

  水泥 LEX—9 摻量(%) 起始 坍落度(mm) 經(jīng)時坍落度(mm)
30’ 60’
江南小野田P1 160 320 0.8 189 185 163
上海聯(lián)合PO 165 320 0.8 198 185 170
蘇州金錨PO(R) 170 320 0.8 180 160 140
上海象牌425礦 173 320 0.8 195 170 135

表—8數(shù)據(jù)表明LEX—9在幾種典型水泥中均能滿足泵送劑標準和日本標準的規(guī)定,在425#礦渣水泥中稍顯遜色。

 4、LEX—9對混凝土強度貢獻

LEX—9具有很高的減水作用,因此,對混凝土強度有很大貢獻。按照GB8076—1997和JISA6204—1995二種標準方法,分別用SP—8N進口產品作對比,經(jīng)過十余次試驗,統(tǒng)計比較結果列于以下表格。

 表—9. 按JISA6240—1995方法的強度統(tǒng)計*

減水劑 品種 試驗 次數(shù) 平均 坍落度(mm) R1 均值 R3 均值 R7 均值 R28 均值 R90 均值 R180 均值
基準 6 205 6.4/100 14.1/100 20.7/100 30.8/100 42.6/100 50.7/100
LEX-9 14 203 9.4/150 22.2/158 33.6/162 44.0/143 58.6/137 65.9/130
SP-8N 6 206 9.8/153 22.6/160 32.1/155 43.2/140 48.6/114 61.8/122

表—10.按GB8076-1997方法的強度統(tǒng)計*

減水劑 品種 試驗 次數(shù) 平均 坍落度(mm) R1 均值 R3 均值 R7 均值 R28 均值 R90 均值
基準 7 8.7 10.0/100 17.0/100 25.5/100 39.6/100 55.7/100
LEX-9 7 8.5 18.7/187 34.4/202 48.6/191 62.1/157 70.2/126
SP-8N 2 8.8 18.5/185 33.7/198 45.9/180 55.8/141 64.8/116

*部分齡期試驗次數(shù)不到“試驗次數(shù)”列中的次數(shù)。

 5、LEX—9在混凝土中摻量 LEX—9是以聚羧酸鹽為主要成分的水溶液,百分濃度20%左右,正常摻量為0.5-1.5%。按固體含量計,LEX—9的摻量比木質素磺酸鈣更少,相當萘系摻量的1/5左右。日本SP-8N等產品摻量與之相仿。表—12是按照JC473-2001泵送劑標準建議配比作的摻量試驗,表中數(shù)據(jù)為二次試驗的平均值。

表—12摻量試驗

外加劑 摻量 (%) 用水量 (kg/m3) 水泥用量 (kg/m3) 坍落度 (mm) 減水率 (%() 強度及強度比 經(jīng)時坍落度(mm)
R1 R7 R28 30’ 60
基準 0 218 390 208 - 8.5/100 28.7/100 45.1/100 - -
LEX-9 0.30 190 390 185 12.8 11.1/130 35.9/125 55.5/123 170 155
LEX-9 0.50 172 390 205 21.3 14.5/171 48.8/170 58.7/130 201 188
LEX-9 0.75 164 390 213 25.0 17.0/200 57.9/3201 67.4/149 190 185
LEX-9 1.00 156 390 210 28.6 18.0/221 62.1/216 71.9/159 220 210
LEX-9 1.25 156 390 213 28.6 18.7/221 60.0/209 70.0/155 220 220
LEX-9 1.50 152 390 215 30.4 16.2/191 55.5/194 68.4/152 200 205

當LEX-9H摻量僅為0.3%時,就具有12%的減水率和23%的強度增長,超過目前市場上普通型泵送劑(一等品)的效果,摻量為0.5%時性能已超過一般萘系和嘧胺類高效減水劑的水平。當摻量小于0.7%時,坍落度保持能力有所降低,但仍強于木鈣和萘系減水劑。

 摻量達到1.2%以后,LEX-9的減水劑作用增幅趨緩,強度不再增加,但坍落度保持更趨穩(wěn)定,因此,建議LEX-9的常規(guī)經(jīng)濟摻量為0.3-1.2%,配制高標號混凝土,大摻量粉煤灰(或礦渣粉)混凝土和有特殊要求的混凝土時,摻量可放大至1.5或1.5以上,但一般不宜超過2.5%。實驗表明,LEX-9摻量放大至5%時,混凝土也不產生嚴重粘聚和骨料一漿體分離現(xiàn)象,減水率仍有上升,但含氣量增加,凝結延緩,強度有所下降。

6、凝結時間

LEX-9H在混凝土中因形成在水泥顆粒表面的立體隔離層,因而對凝結硬化有一定延緩作用。

 表—13凝結時間測試結果*

減水劑型號 減水劑摻量(%) GB8076-1997方法 JC473-2001方法
初凝 終凝 初凝 終凝
基準 - 5:00 7:10 5:25 8:05
LEX-9 0.75 5:55 8:15 6:40 9:20
1.25     7:30 9:30

*試驗采用海螺525PO水泥。

以上數(shù)據(jù)說明,LEX-9確有一定緩凝作用,并隨摻量增大而更明顯。

7、引氣性 LEX-9在正常摻量下,用于混凝土,并不明顯引氣,引氣性指標均符合各種標準,摻量增加使引氣量有上升趨勢。表—14是把一些實驗數(shù)據(jù)進行歸納統(tǒng)計的結果。

 表—14 混凝土含氣量試驗*

外加劑品種 摻量范圍 試驗次數(shù) 最小值 最大值 平均值
LEX-9 0.6-0.8 6 1.2 3.5 2.4
LEX-9 1.0-1.5 4 1.7 4.6 3.1
SP-8N 0.7-0.8 4 1.0 2.6 1.8
SP-8N 1.0-2.0 3 2.2 4.5 3.5

*含氣量試驗采用GB8076-1997和JISA6204-1995建議混凝土配比,試驗儀器為英國進口。

 8、水泥適應性 為了考證LEX-9對各種水泥的適應性,選擇了四種市場常見的PⅠ、PⅡ、PO和礦渣水泥進行試驗。試驗按JC473-2001標準方法進行?;鶞驶炷撂涠瓤刂圃?0-100mm范圍中,摻LEX-9的混凝土,坍落度控制210±20mm,而用水量比基準混凝土有所減少。

表—15 水泥適應性

水泥品 種 LEX-9 摻量(%) 坍落度 (mm) 凝結時間 抗壓強度
初凝 終凝 R3 R7 R28 R90
江南小野田P1 - 90 5:05 7:10 25.5/100 35.2/100 50.8/100 55.5/100
江南小野田P1 0.8 20.9 6:25 8:20 31.9/125 45.1/128 53.1/105 63.6/109
海螺PO - 80 5:55 8:00 22.2/100 30.2/100 42.6/100 6.9/100
海螺PO 0.8 196 6:50 9:20 29.0/132 36.9/122 49.0/115 54.5/116
金錨PO - 86 6:15 8:25 17.7/100 26.7/100 40.6/100 51.2/100
金錨PO 0.8 191 7:00 9:25 22.4/126 34.2/128 43.6/107 50.6/99
象牌礦425 - 85 6:25 9:20 15.3/100 21.7/100 35.8/100 43.5/100
象牌礦425 0.8 195 8:00 10:35 18.0/118 25.7/118 35.9/100 42.6/98

以上數(shù)據(jù)表明,LEX-9對各種典型水泥均有很好適應性,強度超過了JC473-2001中一等品技術指標。相比之下,在425#礦渣水泥中效果稍遜于各種525#水泥。

 9、LEX-9對摻合材料的適應性 上海地區(qū)幾乎所有的預拌混凝土都摻有粉煤灰和礦渣粉,LEX-9在含摻合材料的混凝土中同樣表現(xiàn)出很高的減水率和強度增長作用。

表-16. LEX-9對摻合材料適應性

編號 混凝土配合比(kg/m3) 坍落度(mm) 減水率(%) 抗壓強度(MPa)
水泥 摻合料* 減水劑 R1 R7 R28 R90
J-97 215 390 - - 710 1030 190 - 9.0/100 30.2/100 41.6/100 58.8/100
J-99 170 273 FA117 2.93 729 1053 213 20.9 9.6/107 343.114 45.0/108 61.4/104
J-100 158 273 FC117 2.93 734 1060 205 26.5 10.2/113 38.4/127 49.6/119 65.6/111
J-104 161 273 FA47/FC70 2.93 734 1060 203 25.1 9.9/110 39.1/129 53.9/130 71.7/122
J-101 154 195 FK117/FC78 2.93 734 1060 206 28.4 8.1/90 33.0/109 48.9/118 71.2/121

*摻合材料如下:

FA-低鈣灰石洞口,符合Ⅱ級灰指標

 FC-高鈣灰,石洞口電廠,符合Ⅰ級灰指標

FK-礦渣粉、寶力建出品,符合S95級指標

從表—16數(shù)據(jù)可以看出,在用Ⅱ級低鈣灰、Ⅰ級高鈣灰以及兩者混合灰等量代替30%水泥時,混凝土各齡期強度等高于基準,用30%礦渣粉和20%高鈣灰等量取代50%水泥后,除1天強度稍低外,其余各齡期強度也高于基準混凝土。根據(jù)這個規(guī)律,可以用LEX-9來配制的水泥用量很低的混凝土,如J-101組試驗,僅用195kg/m3水泥,就配制出強度超過45MPa的高流動性混凝土。

 10、摻LEX-9混凝土的其它物理性能和力學性能

由于LEX-9大幅度減少了用水量,因而,無疑會改善混凝土的一系列物理力學性能,表-17、表-19,反映了摻LEX-9的混凝土性能優(yōu)越。

表-17 力學特征試驗

編號 水泥 品種 水泥 摻合材 減水劑 坍落度 抗壓強度(MPa) 軸壓 強度 彈模 (×10-3MPa) 劈拉 強度 抗折強度
R1 R7 R28
LE60 小野田PⅠ 340 120 460 220 22.7 53.3 73.1 61.3 3.9 4.98 9.4
高強混凝土結構設計與施工規(guī)程中C65級設計取值 41.0 3.65   2.9

表-18 收縮試驗

編號 水泥 摻合材 減水劑 坍落度 28天強度 收縮值(×10-6
1d 3d 7d 14d 28d 60d 90d 180d
LEO 340 179 120 木鈣0.8 205 52.8 61 98 139 210 288 380 421 505
LE60 340 148 120 3.6 220 73.1 25 67 119 143 220 311 330 404
L-16 305 130 110 3.9 180 74.8 16 67 110 134 204 291 315 387

表-19 耐久性試驗*

抗?jié)B試驗 人工碳化28天 凍融試驗50次循環(huán)(快速)
等級 滲水高度(mm) 碳化深度 凍后 對比 強度損失
S20 37 <1mm 77.4 74.8 不損失

*混凝土配比同表-17、-18中編號LE60。

以上數(shù)據(jù)顯示了,由于摻加LEX-9,混凝土水泥用量很少而強度很高,用水量低而材料微密,因而,呈現(xiàn)出彈性模量較高,抗(水、氣)滲透性好和收縮減少等優(yōu)點。

 由于LEX-9的cl-含量、堿含量等都低于萘系減水劑,因此,摻LEX-9的鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土的耐久性更好,對體積安定性也有利。

11、用LEX-9配制高強混凝土

由于LEX-9具有很高的減水作用和坍落度保持作用,能用以配制流動性很好的高強和超高強混凝土。以下舉幾個列子。

 表—20 用LEX-9配制高強混凝土范例

混凝土配比(kg/m3) 坍落度(mm) 抗壓強度
水泥 摻合料 LEX-9(%) R1 R7 R28
148 340 120 1.0 717 1075 220 22.7 53.3 73.1
129 350 130 1.5 718 1077 220 26.3 65.1 82.7
128 400 180 1.5 708 1077 235 33.4 73.0 91.4
151 500 120 1.5 620 1011 240 39.8 86.1 98.6

*配合比中水泥—海螺525#PO(R)水泥

砂—長江砂、細度模數(shù)2.5

石—5-25mm碎石(浙江湖州)

摻合料—摻合料為粉煤灰、礦渣粉或兩者混合物,不含硅粉。

從表-20例子看,用LEX-9H配制的高強混凝土有以下特點:

a、 水泥用量很低,即使加上摻合料,膠凝材料總量也很低。

 b、 減水劑用量少,一般情況下,用萘系復合減水劑,摻量(折干)約為膠凝材料總量的1%以上,而LEX-9(折干)僅用0.2-0.3%。

c、 由于以上特點,用LEX-9配制的高強混凝土漿體過粘,與粗骨料分離的現(xiàn)象有所減少,在混凝土硬化后收縮值相對較少。

二、經(jīng)濟技術分析

LEX-9是石油制品為原料經(jīng)接枝共聚而成,其材料和生產成本較高,不可能指望其單價低于目前市場上的老產品。但是,由于減水劑僅僅占混凝土生產成本的2-5%,如果在試配中,充分發(fā)揮LEX-9的高減水作用和坍落度保持作用,合理降低水泥用量,就可以彌補因外加劑價格高帶來的差價。在配制高標號混凝土時,由于摻LEX-9的混凝土水泥用量很少,無疑將帶來效益。

為了分析摻LEX-9的混凝土和傳統(tǒng)混凝土的成本,收集了一些拌站的基本配比,與達到等強度的摻LEX—9混凝土配比進行比較,粗細骨料略有變動的造價差異暫排除不計,分析結果如下,表中水泥單價315元/噸,粉煤灰80元/噸,LEX-9單價9000元/噸。

 表-21. 摻LEX-9混凝土成本分析

表號 減水劑 品種 有關成分用量及成本*(元/m3) 差價 (元/m3) 達到同成本時LEX-9的價格
水泥 粉煤灰 減水劑 小計
C20 普泵 260/81.90 70/5.60 1.40/2.66 90.16 +8.11 4900元/噸
LEX-9 230/72.45 100/8.00 1.98/17.82 98.27
C30 普泵 320/100.80 80/6.40 3.00/5.70 112.90 +2.78 7470元/噸
LEX-9 265/83.48 110/8.80 2.60/23.40 115.68
C40 高泵 360/113.40 80/6.40 5.28/16.90 136.70 -1.77 9500元/噸
LEX-9 305/96.08 120/9.60 3.25/29.25 134.93
C60 高泵 450/141.75 100/8.00 9.90/34.65 184.40 -31.43  
LEX-9 360/113.40 120/9.60 3.33/29.97 152.97

可見,在C20混凝土和C30混凝土中,如不采取特殊措施,摻LEX-9的造價高于通?;炷?;在C40混凝土中,摻LEX-9可以降低成本1.77元/m3,配制C40以上混凝土時,摻LEX-9的效益更大。

值得強調,由摻LEX-9,混凝土水泥用量和水灰比明顯減少,由此,使混凝土更加致密,混凝土的各種力學性能,耐久性能和變形性能明顯改善。由于水泥用量減少,可以節(jié)省能耗,減少對環(huán)境的污染。因此,LEX-9的研制成功,將有力促進綠色高性能混凝土的發(fā)展,為我國可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。

 三、結論

1、LEX-9減水劑的各項性能指標均優(yōu)于國家和行業(yè)有關高效減水劑和泵送劑標準(一等品)的指標值。其主要性能達到和超過日本同類產品(SP-8N,HP-11)的水平。

 2、LEX-9具有很高的減水劑效果,實測最高減水率超過35%,能大幅度降低混凝土的水灰比,從而提高混凝土的強度和其它性能,特別能改善混凝土的可易性、耐久性和收縮變形。是配制高性能混凝土和高強、超高強混凝土的優(yōu)選材料。

 3、LEX-9能在水泥顆粒表面形成穩(wěn)定的立體保護層,使混凝土流動性持久保持,尤其在摻量為1.0%以上時,2小時內幾乎無坍落度損失。從本質上能解決了困撓預拌混凝土的坍落度損失問題。LEX-9對各種水泥適應性好,安全摻量范圍大,能廣泛應用于商品混凝土。

4、預測LEX-9的售價不足進口同類產品的1/2。用于高標號混凝土可以降低生產成本,用于中等強度混凝土時,只要合理調整配比,充分發(fā)揮LEX-9的作用,有可能做到不增加混凝土成本。

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