高性能减水剂在混凝土配合比设计中的应用
高性能减水剂在混凝土配合比设计中的应用
高性能减水剂在混凝土配合比设计中的应用研究，对于提高混凝土的耐久性和施工质量具有重要意义。本文以铁路港口堤坝机场核电房建项目为例，详细探讨了聚羧酸减水剂的实践应用、混凝土配合比方案以及高性能减水剂的复配方法，为相关工程项目的材料选择和施工提供了科学依据。
1. 高性能减水剂的实践应用
本文以铁路港口堤坝机场核电房建项目为实践应用，为防止工程结构在长期运行时受环境因素影响而出现磨损、裂缝等质量问题，需使用高性能减水剂，改变混凝土性能，使工程结构更具耐用性，从而提高工程建设质量。
1.1 材料选择
（1）硅酸盐水泥（P.O52.5）。根据《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007），硅酸盐水泥比表面积为367m2/kg，用水量为29.1%（标准稠度状态），初凝时间为35min，终凝时间为6h，采用雷氏夹法安定性检测合格。使用硅酸盐水泥施工后，7d结构抗压强度达到40.56MPa，28d结构抗压强度为54.10MPa。本项目所选硅酸盐水泥性能符合工程要求。
（2）粉煤灰（F类Ⅱ级）。根据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017），粉煤灰细度为10.9%，含水量为0.518%，混凝土活性达到82%。
（3）矿渣粉（S105级）。根据《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T18046-2008），矿渣粉密度为3.6g/cm3，7d活性指数为96%，流动度比为88%。
（4）膨胀剂。根据《混凝土外加剂》（GB8076-2008），膨胀剂使用1.18mm筛孔处理的筛余值为29.1%，在水中养护7d限制膨胀率为0.038%，含碱比例为0.56%。
（5）河砂。根据《建设用砂》（GB/T14684-2011），河砂含泥量为1.3%，云母掺量为0.2%，细度模数为2.7，碱活性为0.03%。
（6）粗集料。粗集料选择石灰岩，符合《建设用卵石、碎石》（GB/T14685-2011）中5-31.5的连续级配。
（7）减水剂。根据《混凝土外加剂》（GB8076-2008），选择聚羧酸减水剂，该种减水剂性能较好，黏度不高、无沉淀物。聚羧酸减水剂的特征如表1所示。
（8）引气剂。引气剂选择TQN-D类型。
1.2 混凝土配合比方案
参照施工方案，房建楼板现浇层利用泵车浇筑混凝土。在此种浇筑工艺中，混凝土坍落度的初期设计值为200～220mm，混凝土含砂比例相比吊斗浇筑工艺高出2%左右。适量掺配引气剂，能切实增强混凝土的整体性能。依照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011），设计混凝土配合比方案，如表2所示。使用表2的混凝土配合比方案进行施工，工程性能如表3所示。
混凝土强度等级小于C50时，坍落度应控制在180mm以内；混凝土强度等级大于C50时，坍落度应大于180mm。案例项目的混凝土强度为52.5MPa，坍落度为210mm，符合施工要求。基准混凝土的抗渗级别最低为P6，指混凝土能抵抗0.6MPa水压环境，保持不渗水。案例项目根据表2配制的混凝土，抗渗级别为W10，能够有效应对1.0MPa的水压作用，抗渗性能较好。混凝土7d抗压强度应达到设计值的70%～80%，28d抗压强度应达到设计值的100%。
案例项目的混凝土抗压强度设计值为63.25MPa，而使用高性能减水剂配制的混凝土7d抗压强度测值为52.45MPa＞63.25MPa×70%=44.275MPa，28d抗压强度测值为63.25MPa，与设计值一致。由上述可知，案例项目所配制的混凝土工程应用性能符合相关要求。
1.3 配比注意事项
（1）外加剂类型。结合施工环境特点、工艺要求、工程耐用性等因素，在配制混凝土时，需科学选择外加剂。例如，环境温度较高时，选择添加缓凝型减水剂；环境温度较低时，选择添加复合早强型减水剂。
（2）减水剂与水泥的相互作用。水泥因矿物组成和各矿物质的含量不同，具有不同的化学物理性能，在使用相同类型高性能减水剂时，会产生差异性的工程效果。因此，在设计配合比时，需进行相容性试验。如果水泥能够相容减水剂，可正常发挥减水剂的功能，达到施工要求，且不会改变工程强度。如果水泥与减水剂不相容，混凝土坍落度损失较大，甚至出现假凝、瞬凝等现象，导致初期性能不达标。根据相容性试验结果，选择合适的水泥材料，以充分发挥高性能减水剂的性能。
（3）骨料含泥量。骨料中含有一定量的泥，能够有效吸附减水剂，使减水剂掺量变少，导致减水剂的性能得不到有效发挥。为测定骨料含泥量对减水剂性能的影响，案例项目设计了3组含泥量方案。
方案一含泥量为1%，1h坍落度为188mm、28d抗压强度为51.45MPa；方案二含泥量为3%，1h坍落度为171mm、28d抗压强度为48.78MPa；方案三含泥量为5%，1h坍落度为62mm，28d抗压强度为44.45MPa。当含泥量增加时，混凝土1h坍落度逐渐减少，28d抗压强度逐渐降低。说明骨料含泥量增多时，会引起减水剂效能发生较大变化，致使混凝土强度降低。当骨料含泥量为3%时，混凝土28d抗压强度至少为48.78MPa，大于案例项目混凝土抗压强度设计值的70%（63.25MPa×70%=44.275MPa），可见方案二符合相关要求。而方案一混凝土28d抗压强度相比方案二高出2.67MPa，同样符合相关要求，且性能较好。当骨料含泥量低于5%时，可适当增加减水剂的掺量，以此保证混凝土性能。当骨料含泥量高于5%时，增加减水剂掺量的措施则不适用，无法削减骨料泥对减水剂的吸附作用，且减水剂处于持续减少状态，难以发挥减水剂的性能，一定程度上会降低混凝土性能。因此，在使用骨料时，将减水剂性能作为参考，需要保证骨料含泥量处于5%以内，以控制骨料泥对减水剂的吸附作用。
（4）水泥温度。高温对水泥水化有很大影响，温度越高，水泥水化速率越快。在配制混凝土时，使用高温水泥会缩短混凝土的凝结时间，混凝土成型后极易产生裂缝。因此，在使用水泥时，需合理测定水泥温度，及时调整水泥的温度，防止混凝土内部出现温度不均问题，减小混凝土出现裂缝的概率。
2. 高性能减水剂的复配方法
2.1 缓凝剂
（1）在复配高性能减水剂时，复配人员需综合考虑天气条件、凝结时间、提浆效果、包裹效果等多个因素，确定缓凝剂掺量。当减水剂掺量为1%时，缓凝剂用法如下：1)冬季温度≤10℃时，缓凝剂最大掺量不超过20kg。2)春秋温度≤25℃时，缓凝剂最大掺量不超过40kg。3)夏季温度≤35℃时，缓凝剂最大掺量不超过60kg。当减水剂掺量大于1%时，可适当调整缓凝剂的添加比例。
（2）在春秋季节复配减水剂时，可适当添加糖类缓凝剂的掺量，以此增强混凝土的包裹性和黏性，达到保坍目标。高性能减水剂复配时，糖类混凝剂的各类成分掺量方案如下：1)白砂糖掺量约为5kg。2)葡萄糖掺量过多，会提高混凝土的泌水性，因此，葡萄糖掺量需控制在15kg以内。3)三聚磷酸钠掺量可增加至20kg。4)柠檬酸掺量增加时，能够增强混凝土黏性，因此，柠檬酸掺量应控制在8kg以内。虞六偏磷酸钠掺量为8kg。
（3）在夏季复配减水剂时，为降低环境温度过高对缓凝剂的影响，可适当添加白砂糖，掺量设计为30kg。葡萄糖酸钠的掺量需控制在20kg以内。三聚磷酸钠掺量设计为15kg。柠檬酸掺量不超过8kg。六偏磷酸钠的掺量增加至10kg。
（4）在冬季复配减水剂时，无须添加白砂糖，而葡萄糖酸钠具有减水性，在提浆、包裹等方面的性能略差，掺量需控制在15kg以内。三聚磷酸钠与柠檬酸相混具有较好的提浆、包裹等效果，掺量约为5kg。六偏磷酸钠具有提浆、保塑作用，可增强混凝土光泽性，掺量为3kg左右。
2.2 引气剂
（1）案例项目在使用聚羧酸减水剂时添加了引气剂。引气剂是一种表面活性剂，在搅拌期间会形成较多的微小气泡，在混凝土内部分布均匀、闭合性较好、性能稳定。在复配高性能减水剂时，适量添加引气剂，能够改善混凝土内部流动性，增强减水效果。在使用引气剂期间，可使用稳泡剂、消泡剂，增强增强引气剂的泡沫稳定性，防止出现大量泡沫消失、较多泡沫生成的情况。稳泡剂能够增强泡沫保持的长久性，而消泡剂能够控制泡沫生成。
（2）案例项目中引气剂掺量为2.384%，约占减水剂掺量的50%。在选择引气剂类型时，需重点考虑引气效果：淤在相同掺量条件下，起泡高度增加时，含气量损失越小或消泡时间越长，引气效率越高。于在同等含气量条件下，各个气泡的间距系数平均值较低时，气泡越小，气泡组成更好。案例项目使用的是黄引引气剂，引气效果好，引气分子多为玻璃型，气泡规格不大，在提浆、包裹等方面具有促进作用，能够有效增强高性能减水剂的适用性。
2.3 消泡剂
消泡剂具有控制泡沫生成的功能，能够消除已有的泡沫。当混凝土内部形成分布混乱的小气泡时，可使用消泡剂转化成弹性膜，以控制泡沫生成。在使用消泡剂时，需要采取微滴形式，将消泡剂摊铺在泡膜表层，后续使用微滴膜将消泡剂渗入泡膜中，替换活性剂组分。最终在消泡剂的张力作用下，泡膜张力大于消泡剂，会向四周蔓延，直至泡膜破裂。消泡剂的水溶性不强，多为油状液体，在水中具有较强的分散性，可进行搅匀、摇匀等操作。在高性能减水剂中添加消泡剂后，摇匀静放1d，观察液体的分层情况，判断消泡剂与母液之间的适应性。案例项目选择的科莱恩消泡剂表现出较强的水溶性，复配期间能够优化母液的气泡组成，去除其中有害大型气泡，消除完成后，会生成一定量的有小气泡。多数情况下，在成品减水剂中，混有消泡剂的引气剂掺量小于等于0.3kg/t。在确定具体的引气剂掺量参数时，案例项目选择0.1kg/t、0.2kg/t、0.3kg/t，3组掺量方案，通过对比分析，综合确定最佳掺量为0.2kg/t。
3. 结语
在铁路港口堤坝机场核电房建项目施工中，要根据相关规范选择水泥、粉煤灰、矿渣粉、膨胀剂、河砂、粗集料、减水剂、引气剂等材料，制定科学的配合比方案。为提高工程建设质量，案例项目选择聚羧酸减水剂，掺量为11.3kg/m3。此外，在复配高性能减水剂时，需要从缓凝剂、引气剂和消泡剂等方面，确定可行的复配方法，使混凝土7d抗压强度和28d抗压强度符合设计值，改善混凝土性能。