聚羧酸KJ-JS高性能減水劑配制C20-C100高性能混凝土的試驗與應用

關鍵詞：KJ-JS高性能減水劑；高性能混凝土；高強超高強混凝土；試驗；工程應用  

1.前言  

　　隨著科學技術的發(fā)展和施工技術的進步，工程建設的規(guī)模日趨宏大，結構形式更加復雜，施工工藝發(fā)生了巨大的變化，各種在嚴酷環(huán)境使用的重大混凝土結構，施工難度大，耐久性要求高，一旦出現(xiàn)事故，則后果十分嚴重，修補耗資巨大。

　　“高性能混凝土”(High Performance Concrete，縮寫為HPC，以下同)是國外20世紀80年代末90年代初基于混凝土結構耐久性設計提出的新概念的混凝土，自此概念提出以來，一直是混凝土科研與工程技術人員的努力方向。其最大特點是：高耐久性（其使用壽命應能達到100年以上），高體積穩(wěn)定性，足夠的力學性能及良好工作性。用HPC來替代傳統(tǒng)的混凝土結構和建造在嚴酷環(huán)境中的特殊結構，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，并被認為今后混凝土技術發(fā)展方向。

　　HPC必須流動性好、可泵性好、可控制坍落度損失，以保證施工要求的工作度，高性能減水劑是生產(chǎn)HPC不可缺少的外加劑。聚羧酸系高性能減水劑是目前世界上科技最前沿的一種高性能減水劑，是減水劑發(fā)展史上的第三次重大突破，是目前國內(nèi)外的研發(fā)熱點。我司已研制成功聚羧酸KJ-JS高性能減水劑，并形成萬噸/年以上的生產(chǎn)規(guī)模。

　　現(xiàn)將KJ-JS高性能減水劑的主要性能，配制C20～C100高性能混凝土應用試驗，以及在高速鐵路武廣客運專線、新廣州站、廣深港客運專線、廣珠輕軌、溫福鐵路白馬河特大橋等路橋工程與高432m的廣州西塔等重大工程50多萬m3C20～C90高性能混凝土的工程應用介紹如下：

2007年水泥與混凝土技術交流年會

2.0 KJ-JS高性能減水劑的主要性能 

 2.1 KJ-JS高性能減水劑對水泥的適應性試驗

　　減水劑的重要性，除了高減水增強率外，更重要的性能是與水泥的適應性，因它對混凝土的性能影響非常大，為此研究適應性問題尤其重要。

　　適應性試驗（按GB8077-2000標準檢驗）主要針對廣東廣州的粵秀、粵花、金羊、石井；梅州的塔牌、東莞的華潤、云浮的金鷹、英德的海螺等多個常用主要水泥品種，在不同摻量下對水泥凈漿流動度的影響，并和傳統(tǒng)的萘系、脂肪族（KJ）、氨基磺酸鹽（KJ-FB）等高效減水劑[1]及國內(nèi)外有代表性的聚羧酸系產(chǎn)品進行了適應與經(jīng)時損失對比試驗。（見表1、表2）

　　試驗結果表明，KJ-JS高性能減水劑與國內(nèi)外聚羧酸系一樣，由于具有獨特的梳狀分子結構，能在水泥顆粒表面形成立方體保護層，因此，同萘系、脂肪族、氨基磺酸鹽等高效減水劑相比，對多種水泥適應性更好，水泥凈漿流動度更大，經(jīng)時損失少，綜合性能優(yōu)越

2.2 KJ-JS高性能減水劑對混凝土主要性能的試驗與質量檢驗報告

　　試驗主要參照中國建筑科學研究院等擬定的《聚羧酸系高性能減水劑（PCE劑）產(chǎn)品標準制定的試驗方案》、GB8076-1997《混凝土外加劑》、科技基[2005]101號《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》、JC473-2001《混凝土泵送劑》進行。用廣東的粵秀P·II 42.5R水泥，對KJ-JS不同摻量與水泥量的減水增強試驗；并與部分國內(nèi)聚羧酸（簡稱內(nèi)羧）和國外聚羧酸（簡稱外羧）等進行對比試驗（外加劑摻量均為折固摻量）（見表3、表4）；KJ-JS產(chǎn)品質量檢驗報告（見表5）

從試驗與檢驗結果可看出：

　　KJ-JS摻量少。一般摻量為0.1～0.4%（含固量計，下同），常用摻量0.15～0.25%。當KJ-JS摻量達0.2～0.4%時，混凝土減水率大幅度增加（最高可達40%），不同水泥用量，減水效果不同；增強度也顯著提高（早期30～140%，后期20～80%）；坍落度損失少，特別適合于配制高強高性能混凝土。

　　聚羧酸減水劑由于分子結構中支鏈較多，表面張力較低，因此摻用后對混凝土具有一定的引氣性，常用摻量下，混凝土含氣量一般為2～6%，這有利于改善混凝土的和易性，減小泌水；硫酸鈉、氯離子、堿含量等無害雜質少，提高混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗化學侵蝕、抗堿集料反應等耐久性能。           

3.0 高性能混凝土的工程應用試驗  

　　中國工程院院士吳中偉教授認為：高性能混凝土是一種新型高技術混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現(xiàn)代混凝土技術制作的混凝土，它以耐久性作為設計的主要指標。針對不同用途要求，高性能混凝土對下列性能有重點地予以保證：耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。為此，高性能混凝土在配制上的特點是低水膠比，選用優(yōu)質原材料，并除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物細摻料和高效外加劑。

　　他還提出將HPC高性能混凝土的強度下限從C50～C60降低到C30左右，以不損及混凝土內(nèi)部結構為度，以保證其耐久性與體積穩(wěn)定性 [2]。再根據(jù)《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》結合工程需要，進行工程應用試驗如下：  

3.1 摻KJ-JS配制C25~C35HPC耐久性試驗

高性能混凝土由于其很低的水膠比而具有很低的滲透性，同時由于摻了活性礦物細摻料而有更高的密實度和抗化學侵蝕的能力。HPC對抗凍性、抗化學侵蝕性、抗鋼筋銹蝕性、抗碳化性、抗堿集料反應性、抗磨耗性、耐火性等耐久性檢測和評價方法基本上仍沿用對普通混凝土性質的方法是不盡全面的。由于影響混凝土耐久性的各種破壞過程幾乎都與水不無密切的關系，因此混凝土的滲透性認為是評價混凝土耐久性的重要指標。目前世界上最流行的用混凝土滲透性（Cl-滲透電通量，C或庫侖）評價方法進行試驗。

　　新建溫福鐵路白馬河特大橋按設計使用年限為100年，采用高性能混凝土。混凝土拌合物施工性能要求為：a）11#-13#F坍落度：180~220mm，1h后＞150mm，初凝時間＞12h；b）17#~19#坍落度：150~180mm，1h的＞120mm，初凝時間＞6h。

　　主要材料：新華P·O 42.5水泥；中粗砂，細度模數(shù)2.7；二級配5-25mm碎石；II級粉煤灰；KJ-JS聚羧酸高性能減水劑（20%水劑）。

　　根據(jù)抗壓強度和主要耐久性56d電通量指標試驗檢驗結果（見表6），可滿足設計與施工要求，配合比17#、18#、19#分別滿足作為C25、C30、C35混凝土配合比用于相應工程部位的混凝土工程 [3]。

 



3.2 C50 HPC預制梁應用試驗

　　從武客運專線C50 HPC預制梁設計主要參數(shù)：使用壽命100年，強度等級：C50；抗?jié)B≥P20；56 d電通量﹤1000C；坍落度：180~200mm。其配合比設計主要材料 (見表7) 與主要性能指數(shù)（見表8）

考慮到預應力混凝土預制梁的施工工藝和環(huán)節(jié)較多,對梁體張拉的強度、周期要求比較高，結合經(jīng)濟性指標分析比選3個方案后，實際施工選定C50-2號配合比作為預應力箱梁C50混凝土的配合比。　　

　　該配合比相關原材料及成型混凝土試件送鐵道部產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心橋梁與基礎檢測站，進行了混凝土耐久性指標的檢測，其中：（1）混凝土早期抗裂性試驗，28 d 齡期混凝土圓環(huán)試件無裂紋；（2）混凝土抗?jié)B大于P20；（3）混凝土護筋良好，符合《客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件》鐵科技函[2004]120號文中3.4.5款規(guī)定；（4）電通量試驗其56 d電通量指標為656C；（5）骨料的堿集料反應滿足要求；（6）抗凍融試驗凍融循環(huán)200次，質量損失率為0，相對動彈性模量62.2%，滿足要求。

通過對混凝土原材料的檢驗和混凝土配合比的各項參數(shù)的試驗和檢算，C50-2號配合比各項性能指標滿足《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》和《客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件》要求，可以用于預應力C50梁體混凝土的施工。

3.3 摻KJ-JS新拌HPC工作性的應用試驗  

　　根據(jù)不同工程應用要求，對不同強度等級HPC工作性進行試驗， #1為中鐵十七局；#2為中建二局、大橋局二工區(qū)；#4~#6為粵秀等，從試驗結果（見表9）表明能滿足工程應用要求。 
  

3.4 低水泥用量配制C80~C90 HPC的試驗（見表10）

　　試驗結果表明用300 kg/m3水泥與50%左右的摻合料仍可配制28d強度達102~110 MPa的HPC

3.5 KJ-JS配制C50～100HPC試驗

　　用KJ-JS與常規(guī)材料配制高強與超高強高性能混凝土的情況進行了探索試驗。

　　主要材料：用粵秀P·II 42.5R水泥；黃埔電廠II級粉煤灰；韶關韶鋼S95礦渣粉；挪威硅灰；基本上都是采用II區(qū)的中砂；5～25mm的碎石，其中C100的采用5～20mm的碎石，較圓滑，針片狀少。



　　試驗結果（見表11）表明摻20～35%摻合料與KJ-JS可配制出合格的C50～C100HPC。

3.6 摻KJ-JS配制C60軌枕蒸養(yǎng)試驗

　　為探索KJ-JS在蒸養(yǎng)混凝土中的應用，在軌枕廠進行工程應用試驗。

　　蒸養(yǎng)過程是先靜停2～2.5h，然后升溫，最后升溫至55℃恒溫。試驗結果（表12）表明KJ-JS可用于混凝土蒸養(yǎng)。 



   4.0 KJ-JS主要工程應用實例  

　　KJ-JS聚羧酸高性能減水劑已在高速鐵路武廣客運專線I標（湖北咸寧）、V標（廣東韶關）、新廣州站及相關工程區(qū)間站前工程ZQ-II標段，廣深港客運專線、廣珠輕軌、以及溫福鐵路白馬河特大橋、廣州西塔等重大工程項目50多萬m3C20～C90的高性能混凝土工程中的應用，取得了顯著技術效果、與社會經(jīng)濟效益。  

4.1 KJ-JS在350km/h高速鐵路武廣客運專線高性能混凝土Ⅴ標二工區(qū)的應用

　　工程為武漢至廣州客運專線烏龍泉至花都段新建工程Ⅴ標（廣東韶關段），其設計最高時速為 350km/h。中鐵十九局二工區(qū)的施工里程長度總計18.6km。全段共有隧道8座；特大橋7座，大橋3座，中橋2座，總投資為8.6億元。

　　工程所用的混凝土均是稱為“綠色混凝土”的高性能混凝土，結合環(huán)境條件為二級碳化環(huán)境（T2）及二級化學侵蝕環(huán)境（H2），故在現(xiàn)有的膠凝材料及骨料的條件下，對外加劑的要求非常之高。

　　選用優(yōu)良適宜的外加劑是高性能混凝土配合比設計的一個重要環(huán)節(jié)。經(jīng)對14家16種聚羧酸類高性能減水劑進行試驗對比，再經(jīng)對廠家質量保障、生產(chǎn)能力、企業(yè)信譽等方面考察，最終確定廣東柯杰的KJ-JS型聚羧酸高性能減水劑為工程所用。經(jīng)試驗確定在樁基及擴大基礎泵送混凝土中其摻量為0.65～0.70%。其中：減水率為27%、堿含量為0.71%、氯離子含量為0.06%。

　　在實際施工使用過程中，不但保證了施工現(xiàn)場對混凝土拌合物的工作性能要求，而且還保證了混凝土的強度和耐久性能。以擴大基礎C30泵送混凝土設計（W/b=0.44）為例，在現(xiàn)場試件抽檢中，28d在實測強度都在39.4～43.4MPa之間，56d電通量為834～877C，小于T2H2≦1200(C)的要求。

　　通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)顯示，KJ-JS型聚羧酸高性能減水劑具有高減水率、低堿、低氯離子含量、高工作性能、強度高，抗裂性能好（連續(xù)28天觀察，無肉眼可見裂紋）等特點。

4.2 KJ-JS在武廣客運專線XXTJI標（湖北咸寧段）的應用

　　由鐵十一局二工區(qū)承建的有16.2km，主要工程包括3423.2m的淦河特大橋、3167.96m的丁泗河特大橋等十多項。

　　KJ-JS高性能減水劑已在該標段混凝土工程中大量使用，在一年多的使用過程中，無論配制中、低標號的混凝土，KJ-JS效果都十分良好，能夠很好地滿足設計與施工要求，施工中制作的混凝土試件強度與配合比設計時的強度比較一致。減水增強幅度高（28d強度達設計標號的130～152%），保塑性好，電通量低（432～681C），抗裂性好（連續(xù)28d觀察，無肉眼可見裂紋）。

4.3 KJ-JS在武廣客運專線新廣州站C50高性能混凝土的應用

　　由中鐵大橋局股份公司承建的標段為武廣客運專線新建鐵路新廣州站及相關工程區(qū)間站前工程ZQ-Ⅱ標段，全長11.859公里。其主要工程包括：跨環(huán)城高速特大橋一座，全長11.322雙線公里，預制架設32米與24米箱梁共278孔;現(xiàn)澆連續(xù)梁(剛構)14座?；A設施設計速度目標值350km/h，全線采用高性能耐久性混凝土，主體結構設計壽命100年。

　　KJ-JS已在該工程的樁、墩、承臺及箱梁中大量使用。根據(jù)《客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件》、《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》規(guī)定，該標段預應力混凝土梁混凝土的設計使用壽命為100年，碳化環(huán)境類別為T2，無氯鹽環(huán)境、化學侵蝕環(huán)境、凍融破壞環(huán)境和磨蝕環(huán)境的作用。同時依據(jù)客運專線無碴（有碴）軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁設計圖紙的要求，擬定如下混凝土設計參數(shù)：a)強度等級：C50；b)抗?jié)B等級：大于P20；c)電通量（56d）：小于1000C；d)要求坍落度：180～200mm。

　　選用主材：粵秀P·O 42.5水泥（390kg/m3左右）；正值I級粉煤灰（摻20%左右）；5～25mm連續(xù)級配碎石；北江河砂（砂率38%～39%）；KJ-JS聚羧酸高性能減水劑（摻20%水劑1.1%）。

　　實際施工中，考慮到預應力混凝土預制梁的施工工藝和環(huán)節(jié)較多，對梁體張拉的強度，周期要求較高，結合經(jīng)濟性指標分析后，選用w/b=0.33，抗壓強度3d達40～52MPa，10d達56～65MPa，28d強度都在68.5～78.3MPa之間，達到了設計強度的137%～157%；28d彈性模量38GPa左右；抗裂性能好，連續(xù)28d觀察未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂紋；抗?jié)B試驗大于P20；電通量為678C左右。（圖1，C50HPC預制梁）

4.4 KJ-JS高性能減水劑在溫福鐵路白馬河特大橋上C25～C45HPC的施工應用

　　大橋全長為3126.96m雙線橋，主橋寬13m。由10×32m簡去箱梁+(80m+3×145m+80m)連續(xù)剛構+15×61m簡支箱梁+(48m+80m+48m)連續(xù)梁+31×32m簡支箱梁組成。全橋混凝土總量為23.4萬m3，樁、墩、承臺等為C25~C45HPC，梁為C50HPC，建成為可滿足200km/h高速的需要。

　　KJ-JS高性能減水劑已在大橋工程樁、墩、承臺等C25～C45各類HPC大量應用，施工時所制試件的28d強度達設計強度的130%～176%；主要耐久性56d電通量指標為800～2000C，實際只有362～627C；抗裂性好（連續(xù)28d觀察，無肉眼可見裂紋）。

4.5 KJ-JS在432m的廣州西塔中應用

　　廣州西塔高432m，地下4層，地上103層，是國內(nèi)第二高塔，世界第六高塔，廣州地標性建筑，建筑面積45萬m2，投資60億元。

　　從主塔樓現(xiàn)澆異型柱到直形墻等采用C70～C90HPC，需約4.5萬m。用KJ-JS高性能減水劑已用了約3萬m3，滿足設計與施工要求，應用技術。

5.0結束語  

5.1 KJ-JS高性能減水劑對水泥適應性好，摻量少，減水增強幅度高。一般摻0.1%～0.4%，通常摻量為0.15%～0.25%，當摻量達0.2%～0.4%時，減水率可達20%～40%，早期強度提高30%～140%，后期強度提高20%～80%。

5.2 摻KJ-JS混凝土拌和物的流動性和流動保持性好，坍落度損失??；適當?shù)囊龤饬?、低收縮；氯離子、硫酸鈉總堿含量極低；環(huán)境友好，可較大量摻用（20%～50%）粉煤灰與礦渣粉等摻合料，有利綜合利用，降低混凝土單方造價，是一種安全、綠色環(huán)保型高性能減水劑。

5.3 為實現(xiàn)HPC的高耐久性，利用KJ-JS降低水膠比，大量摻用優(yōu)質的粉煤灰和礦渣粉，提高混凝土的抗?jié)B性和降低氯離子滲透量（電通量低）。

5.4 C20～C100 HPC工程應用試驗結果表明：選用質量優(yōu)良的常規(guī)材料，配制C20～C50 HPC，56d電通量在362～656C之間；用300kg/m3水泥（粵秀P·II 42.5R，下同）與50%左右的摻合料可配制C80～C90 HPC，28d強度達102～110MPa；370kg/m3水泥與37%摻合料配制C90 HPC，坍落度與擴展度保持達4個小時，28d強度達104MPa；370～400kg/m3水泥與35～37%的摻合料配制C100 HPC，28d強度達115MPa以上。另外，C60枕軌蒸養(yǎng)12h強度≥50 MPa。

5.5 KJ-JS已在武廣客運專線及新廣州火車站相關工程、廣深港客運專線、廣珠輕軌、溫福鐵路以及廣州西塔等路橋與重大工程50多萬m3C20～C90高性能混凝土中大量使用，取得了顯著的技術效果、經(jīng)濟與社會效益，可大量推廣使用。