研究探索：混凝土多功能外加劑的研發及其應用探究
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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第6期
混凝土多功能外加劑的研發及其應用探究
賈雷，張德星，王海濤，徐錦富，王劍，劉陽，洪強，劉永辰
［摘要］本文主要針對傳統聚羧酸減水劑應用中存在的適用性問題，通過聚羧酸特殊分子結構設計及特定酸醚比，預設減水劑分子量區間范圍的聚合工藝，合成出多功能外加劑，其可快速、高效的分散混凝土中水泥和細砂顆粒，使混凝土中水泥顆粒更加分散，有效防止水泥顆粒團聚，降低混凝土拌合時的粘度，使混凝土體系更加密實，對混凝土早、后期強度有明顯的提升效果，混凝土后期強度無倒縮現象，進而優化了各類混凝土的工作性能和力學性能。
［關鍵詞］聚羧酸減水劑；混凝土；多功能；研發；應用探究
引言
作為最大宗的建筑結構材料，混凝土被廣泛應用于工程建設中。砂是混凝土中主要原材料之一，我國為保護日益枯竭的天然砂資源，避免過度開采、濫采，影響生態以及江河防洪堤、航運和橋梁使用安全，天然砂資源越來越緊張，已逐漸被機制砂替代，2013年機制砂所占比重已達76%，天然砂的日益緊缺使得機制砂逐漸成為人們研究配制混凝土的焦點，機制砂在粒形特征、級配、石粉含量等物理性質方面有別于天然砂。不同產地的機制砂粒狀、顆粒表面粗糙程度、石粉含量不同，與混凝土外加劑的適應性也有著較大差異，尤其是砂中的泥土和石粉含量對于外加劑影響較大。
水泥是當今世界最重要的建筑材料，其年產量已超過40億噸。水泥混合材料如粉煤灰、高爐礦渣、火山灰、煅燒黏土等制備的硅酸鹽水泥，可在一定程度上減少熟料用量，這樣的水泥早期水化緩慢，早期強度較低，很多水泥廠通過使用助磨劑提高水泥粉磨細度，使水泥熟料磨得更細，尤其是增加了小于顆粒的含量來促進水泥水化早期強度的發展，助磨劑中的一些成分本身還可以促進水泥水化強度，從而影響聚羧酸減水劑在混凝土中的應用，影響混凝土的耐久性和后期強度，新的國家標準GB 1752023《通用硅酸鹽水泥》已經在2024日開始實施。
聚羧酸減水劑由于其具有減水率高、摻量低、強度增長快、保坍性能優異、生產綠色環保、適應性好、分子結構可預設計等優點，已成為混凝土外加劑行業的研究重點。聚羧酸減水劑在混凝土中使用也存在一些常見的問題，在砂石料品質較差、含泥含粉量高的情況下，易出現混凝土離析泌水、抓底、和易性差、損失過大、外加劑比較敏感等現象，并對水泥適應性也有很大差異，這些因素嚴重影響了混凝土的工作性能。
在針對這個問題時，通常以聚羧酸減水劑復配葡萄糖酸鈉、引氣劑、保水劑等來抑制水泥的水化和改善混凝土的工作性能，改善混凝土的保坍能力，減少混凝土的坍損，但緩凝劑的加入不能根本上解決混凝土的保坍問題，過度地摻加反而使混凝土的凝結時間延長，早期強度降低，在使用機制砂時，尤其當材料波動較大時，還容易引起后滯泌水，從而影響混凝土的工作性能。
研發原理
根據減水劑的吸附—分散作用機理，結合混凝土原材料的特點，現代水泥生產工藝中水泥助磨劑與減水劑相容性、不同細度水泥水化機理的作用、各種砂對于減水劑的吸附性影響等因素，通過分子結構設計，以新型乙烯基醚類結構大單體為基礎，通過常溫引發體系，水溶液自由基聚合得到了一種具有低敏性、高分散性、抗泥抗吸附等特點的多功能混凝土外加劑。
多功能混凝土外加劑采用特殊分子結構設計，通過特定酸醚比，預設分子量區間范圍的聚合工藝，獲得一種具有特定分子量的、對水泥具有高分散性的聚羧酸外加劑，該結構更加穩定，對水泥顆粒具有良好的分散效果，做到了從分子結構上、設計原理上的創新。該高分散性聚羧酸混凝土外加劑可與普通聚羧酸減水劑或其他混凝土功能外加劑材料復配使用，能快速、高效地分散混凝土中水泥和細砂顆粒，使混凝土中水泥顆粒更加分散，防止水泥顆粒團聚，降低混凝土拌合時的粘度，使混凝土體系更加密實，對混凝土早、后期強度有明顯的提升效果，混凝土后期強度無倒縮現象。
該外加劑具有良好的復配分散性、協同增效性，彌補了普通聚羧酸減水劑在混凝土中應用的某些不足，可有效降低減水劑摻量，改善材料對外加劑的吸附問題，改善使用機制砂出現后滯泌水、抓底現象，對于較粘的混凝土有明顯的降粘分散效果，并且可有效改善混凝土的工作性。
其合成機理與傳統聚羧酸減水劑合成思路不同，預設目標產物的分子結構，采用不同的分子設計思路，所得的聚羧酸共聚物有別于普通聚羧酸的主側鏈結構，既保證了減水劑的空間位阻作用，又增加了減水劑在水泥表面的吸附量，持續保證了聚羧酸減水劑在混凝土中的有效濃度，從而達到高分散性、協同增效性。采用外加劑多級配思路與普通聚羧酸減水來復配使用，可明顯改善混凝土的工作性能，同濃度的復配多功能外加劑與普通聚羧酸減水劑在同樣試驗材料、同條件下對比混凝土試驗，多功能外加劑的適應性更好。
原料選擇
2.1合成試驗部分原料
EPEG3000，工業級；丙烯酸，分析純；丙烯酸甲酯，分析純；分子量調節劑，自制；引發劑：雙氧水，27.5%；還原劑：VC，工業級；液堿，32%，工業級；去離子水，工業級，自制；自來水，工業級。
2.2測試試驗部分原料
（1）水泥：天津冀東金隅水泥廠O42.5水泥，符合GB 1752023《通用硅酸鹽水泥》要求。
（2）石子：粒徑25mm連續級配碎石。
（3）砂：標準砂；河砂50%配機制砂50%，細度模數2.42.6，含粉、含泥量小于10%
（4）粉煤灰：天津電廠Ⅱ級灰。
（5）外加劑：合成多功能外加劑，自制。
（6）對比外加劑：天津市飛龍砼外加劑生產的傳統JFL-2型聚羧酸減水劑母液，固含量40%
（7）水：自來水，工業級。
性能測試
合成研發試驗以不同酸醚比、引發劑和調量劑，合成特定分子量的多功能混凝土外加劑，再以10%15%20%替代普通聚羧酸減水劑比例復配制得實施例樣品與JFL-2型減水劑對比，水泥膠砂強度檢測結果見表1，混凝土工作性能結果見表2。混凝土使用的細骨料為河砂與機制砂的混合砂。
圖 1～5為使用該多功能外加劑的工程現場圖。
經過大量實際攪拌站、管樁、裝配式構件廠試驗，多功能性聚羧酸混凝土外加劑可有效改善普通減水劑與水泥、機制砂存在適應性差的問題。通過合理試驗可顯著降低外加劑摻量，降低混凝土粘度，有效地增加混凝土的密實性，抗離析泌水，混凝土早、后期強度均明顯提升，不會出現強度倒縮問題。
對水泥砂漿、混凝土的物理性能有很大改善，混凝土強度可明顯提升。對水泥顆粒具有明顯的分散效果，可有效降低混凝土拌合時的粘度，尤其是高強混凝土或材料較粘的混凝土摻高分散性聚羧酸混凝土外加劑可大幅提升混凝土的工作性和流動性。
結論
根據聚羧酸減水劑分子結構特點，針對現有的混凝土材料特點研發了一種混凝土多功能外加劑。該多功能外加劑適用范圍廣，對各類混凝土工作性能有很大改善，對水泥顆粒和機制砂具有明顯的分散效果，可有效降低混凝土拌合時的粘度，尤其是高強度等級混凝土或材料較粘的混凝土，可大幅提升混凝土的工作性和流動性。該多功能外加劑適用性好、分散性好、抗離析泌水、泵送損失少。產品性能好、成本低、生產簡單，常溫可以合成，綜合效益高，具有廣闊的應用前景。
供稿人：賈雷，張德星等
編輯員：李海亮
審核人：孫繼成，寧夏
【標準規范】
【會議培訓】
第十屆全國建筑固廢和尾礦泥漿處理及資源化利用大會暨中國砂石協會建筑固廢利用分會年會
2025第二十一屆全國商品混凝土可持續發展論壇暨2025中國商品混凝土年會
【咨詢服務】
預拌混凝土質量追溯研究
高速公路及橋涵高性能混凝土技術咨詢
課題研究
研發中心建設
[綠滿庭院]《HJ建筑圍護結構自保溫技術體系》推廣等
【建材“雙碳”業務】
低碳膠凝材料研發與制備
復合摻合料和再生復合摻合料研發與制備
建筑垃圾處置與資源化利用
建筑垃圾再生砂粉應用技術
建筑垃圾再生輕粗骨料技術
碳化再生骨料制備技術
【期刊著作】
《常見預拌混凝土質量事故分析百例》圖書
《預拌混凝土企業標準化試驗室建設指南》圖書
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