劉加平：外加劑對(duì)混凝土質(zhì)量控制的影響

　　一、研究背景

　　我國(guó)目前水泥和混凝土的用量占全球用量的50%以上，尤其在國(guó)家重大工程水電、核電、高鐵、地鐵等項(xiàng)目上混凝土的質(zhì)量一直是關(guān)注重點(diǎn)，對(duì)混凝土的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，對(duì)混凝土行業(yè)提出了更多的挑戰(zhàn)，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)與嚴(yán)酷環(huán)境，超高層、超大體積、復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑要求混凝土的初始流動(dòng)性好，保持時(shí)間要長(zhǎng)。

　　同時(shí)混凝土組分越來(lái)越復(fù)雜，質(zhì)量控制越來(lái)越難，水泥生產(chǎn)時(shí)混合材的摻入，混凝土攪拌時(shí)摻合料的添加，尤其是廢石膏，和大量工業(yè)廢渣，大量低品位骨料的添加，雖然可以實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的無(wú)害化、資源化利用，但使混凝土組分更復(fù)雜，初始分散慢，分散保持更難，質(zhì)量控制更難。使混凝土出現(xiàn)很多問(wèn)題，流動(dòng)性不足，導(dǎo)致混凝土不均勻，不密實(shí)，流動(dòng)性損失快，易堵泵，難以澆筑 ，后期自收縮，結(jié)構(gòu)性開裂，耐久性降低，縮短了混凝土構(gòu)筑物的服役壽命，使工程隱患增多。新型高性能外加劑為解決上述問(wèn)題提供了技術(shù)途徑，

　　二、高性能外加劑的開發(fā)

　　總體思路是從外加劑適應(yīng)性差、初始流動(dòng)性不足、流動(dòng)性保持難、收縮開裂這四大方面出發(fā)，從外加劑的分子構(gòu)效關(guān)系來(lái)解決混凝土高分散、高適應(yīng)性、快分散、流動(dòng)性保持、減縮抗裂等問(wèn)題。

　　1.高分散關(guān)鍵技術(shù)

　　高減水型聚合物外加劑增大空間位阻效應(yīng)，改善吸附性提高飽和摻量，有效改善吸附特性，提高飽和吸附量，極限減水提升至50%以上，為低水膠比、超高強(qiáng)混凝土提供了技術(shù)支撐。

　　2.高適應(yīng)性關(guān)鍵技術(shù)

　　高適應(yīng)性聚合物外加劑增加優(yōu)先吸附驅(qū)動(dòng)力，弱化氫鍵作用解決了骨料含泥量高、SO42-含量高條件下混凝土初始流動(dòng)度不足的難題。

　　3.快分散關(guān)鍵技術(shù)

　　快分散降粘型聚合物外加劑提高電荷密度主鏈提升初始吸附驅(qū)動(dòng)力，增加多支化長(zhǎng)側(cè)鏈增加水膜層厚度，降粘型單體降低溶液粘度，解決了低水膠比（W/B=0.18）、大摻量工業(yè)廢渣（大于50％）復(fù)雜組分混凝土初始分散慢、粘度大的難題。

　　4.流動(dòng)性保持關(guān)鍵技術(shù)

　　高溫長(zhǎng)時(shí)間保坍型外加劑的長(zhǎng)側(cè)鏈M=2000~5000可以減少早期水化掩埋，通過(guò)水解型側(cè)鏈快速補(bǔ)充高溫?fù)p失，緩釋基團(tuán)主鏈持續(xù)補(bǔ)償長(zhǎng)時(shí)間損失實(shí)現(xiàn)了高溫環(huán)境下復(fù)雜組分混凝土流動(dòng)性的多階段調(diào)控，中低坍落度保坍型外加劑的親水性網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)技術(shù)降低用水量敏感性逐步水解提供保坍，快速水解型聚醚單體快速釋放補(bǔ)充早期損失，滿足了核電、水電混凝土流動(dòng)性保持的特殊需求。

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　　5.減縮抗裂關(guān)鍵技術(shù)

　　塑性階段：根據(jù)水泥基材料表層單分子膜抑制水分蒸發(fā)的作用機(jī)理，通過(guò)建立了單分子膜結(jié)構(gòu)和抑制水分蒸發(fā)性能之間的構(gòu)效關(guān)系，闡明了單分子膜組裝調(diào)控機(jī)理：膠束破乳，乳化劑協(xié)同遷移聚集。

　　減蒸劑的“狹長(zhǎng)”乳化劑提高成膜速率和單分子膜致密性，高彈性長(zhǎng)側(cè)鏈兩親性化合物提高單分子膜的穩(wěn)定性，有效抑制復(fù)雜嚴(yán)酷條件下混凝土水分的蒸發(fā)。

　　減少大風(fēng)、鎢燈直射條件下水分蒸發(fā)40% ；減少大風(fēng)條件下水分蒸發(fā)75%；表面無(wú)開裂；推遲孔隙負(fù)壓拐點(diǎn)增長(zhǎng)時(shí)間 1倍 以上，減少塑性收縮50%以上，有效降低塑性開裂風(fēng)險(xiǎn)；

　　提升表層水泥水化程度15%，混凝土抗?jié)B性降低45%。為極端環(huán)境(高溫、低濕和大風(fēng)）條件下高性能混凝土的塑性開裂和結(jié)殼難題提供解決方案

　　硬化階段：理論研究證實(shí)了毛細(xì)管張力和K+、Na+濃度是影響減縮效果的最關(guān)鍵因素；率先提出了基于孔溶液低表面張力和低離子濃度的協(xié)同作用減縮機(jī)理 ；建立了K+、Na+濃度與收縮變化值之間的量化關(guān)系。突破了傳統(tǒng)“毛細(xì)管張力” 單一減縮理論的局限，為減縮性能的大幅提升提供理論支撐。

　　減水減縮型聚合物外加劑烷基聚醚側(cè)鏈提供分散作用，減縮基團(tuán)發(fā)揮減縮功能，引入極性基團(tuán)調(diào)控界面張力，解決了傳統(tǒng)低分子減縮劑摻量高、降低強(qiáng)度的難題，大幅降低高性能混凝土的自收縮和干燥收縮，為隧道、箱梁等薄壁混凝土結(jié)構(gòu)抗裂提供保障。

　　與低分子減縮劑減水率及抗壓強(qiáng)度對(duì)比

　　6.專用聚醚關(guān)鍵技術(shù)

　　關(guān)鍵原材料--專用聚醚大單體：以上五種關(guān)鍵技術(shù)都依賴于專用聚醚的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多元多相催化，二元協(xié)同增效阻聚 ，高效立體超細(xì)霧化 ，改變分子結(jié)構(gòu)，突破了現(xiàn)有技術(shù)瓶頸,專用聚醚的自主化制備，為功能型外加劑優(yōu)良性能的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

　　三、成果轉(zhuǎn)化及工程應(yīng)用

　　核電工程：解決了中等坍落度保坍、核島薄壁結(jié)構(gòu)易開裂的技術(shù)難題，首次實(shí)現(xiàn)核島混凝土外加劑國(guó)產(chǎn)化，打破國(guó)際壟斷，成果在臺(tái)山、田灣、嶺澳、陽(yáng)江和防城港等核電工程得到成功應(yīng)用，市場(chǎng)占有率達(dá)85% 。

　　高鐵工程：解決了夏季高溫施工流動(dòng)度損失大、大摻量工業(yè)廢渣初始分散慢、粘度大的技術(shù)難題，成果在京滬、滬寧、貴廣、武廣等高鐵工程得到成功應(yīng)用 。

　　橋梁工程：滿足了橋梁工程提出的高減水、高保坍和低粘度的綜合要求，成果在杭州灣跨海大橋、蘇通大橋、港珠澳大橋等大型橋梁工程得到成功應(yīng)用。

　　水電工程：滿足水電工程低膠材用量常態(tài)混凝土坍落度保持和復(fù)雜組分混凝土的高效分散及分散保持的要求。成果在三峽大壩、小灣、溪洛渡、錦屏等大型水電工程得到成功應(yīng)用。

　　制品行業(yè)：解決了低膠材、低砂率、高磨細(xì)石英砂制品混凝土快速分散、流動(dòng)度保持及低粘度的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)泵送施工，成果在建華管樁、中技樁業(yè)進(jìn)行了示范推廣應(yīng)用。

　　市政民用：提高了外加劑對(duì)民用商混原材料波動(dòng)的適應(yīng)性；滿足了商混高溫、長(zhǎng)距離運(yùn)輸對(duì)流動(dòng)度保持的要求。解決西北極端嚴(yán)酷條件下200萬(wàn)m2高性能混凝土塑性開裂和施工難題。

　　海外工程：解決了伯利茲地區(qū)夏季溫度高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，混凝土坍落度損失大的技術(shù)難題；流動(dòng)性調(diào)控技術(shù)綜合性能優(yōu)于國(guó)外同類技術(shù)。

　　四、結(jié)論與展望

　　現(xiàn)代混凝土組分復(fù)雜，流動(dòng)性要求越來(lái)越高，初始流動(dòng)性及流動(dòng)性保持越來(lái)越難，注重硬化前和硬化后的養(yǎng)護(hù)，抑制塑性和收縮開裂，混凝土外加劑是解決流動(dòng)性和開裂的最有效途徑，但選擇高性能的外加劑，并注重應(yīng)用技術(shù)的研究。