聚羧酸系高性能減水劑的性能檢測(cè)
2007-01-29 00:00
1 前言
聚羧酸系高性能減水劑（以下某些段落中簡(jiǎn)稱PCE 劑）是近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的新一代高性能減水劑。相比于萘系等傳統(tǒng)的高效減水劑，聚羧酸系高性能減水劑具有許多獨(dú)特的技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)：
（1）摻量低，減水率高；
（2）對(duì)混凝土拌合物的流動(dòng)度保持性好；
（3）與水泥的相容性好；
（4）配制的混凝土收縮率小，有利于改善混凝土體積穩(wěn)定性和耐久性；
（5）生產(chǎn)及使用過(guò)程中環(huán)保無(wú)污染，屬于綠色外加劑。
正是由于上述性能優(yōu)勢(shì)，聚羧酸系高性能減水劑近年來(lái)開始在國(guó)內(nèi)引起工程界的廣泛重視，許多重要工程已經(jīng)大量使用這種新型減水劑，例如上海磁懸浮、上海環(huán)球金融中心、杭州灣跨海大橋、東海大橋、北京銀泰大廈、北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程等?？梢灶A(yù)見，由于上述諸多獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，聚羧酸系高性能減水劑必將迅速成為減水劑市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。
GB8076 等標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)高效減水劑系列的試驗(yàn)方法及其指標(biāo)是針對(duì)于萘系等傳統(tǒng)高效減水劑的，由于聚羧酸系高性能減水劑許多性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)高效減水劑，原有標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)試驗(yàn)方法及指標(biāo)取值范圍已經(jīng)不適用于聚羧酸系高性能減水劑或不能充分地反映其性能優(yōu)勢(shì)，所以需要尋求新的試驗(yàn)方法，確定新的指標(biāo)取值范圍來(lái)評(píng)價(jià)聚羧酸系高性能減水劑性能。
由中國(guó)建筑科學(xué)研究院作為主編單位，組織10 余家參編單位，正在制定《聚羧酸系高性能減水劑》的國(guó)家建筑工程產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)制定工作從2004 年11 月開始啟動(dòng)，目前已經(jīng)完成了全部試驗(yàn)工作，并即將形成征求意見稿。本文內(nèi)容就是根據(jù)各參編單位對(duì)國(guó)內(nèi)外的11 種聚羧酸系減水劑進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)整理而成。
2 聚羧酸系高性能減水劑性能檢測(cè)方法
2.1 凈漿流動(dòng)度及其損失
按照GB/T 8077－2000“混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法”進(jìn)行凈漿流動(dòng)度測(cè)試。測(cè)試水泥凈漿在玻璃板上流動(dòng)30s 時(shí)的直徑，作為初始凈漿流動(dòng)度。 等到漿體停止流動(dòng)時(shí)，再測(cè)一次最終擴(kuò)展直徑（簡(jiǎn)稱最大流動(dòng)度），作為初始凈漿最大流動(dòng)度。分別于1h、2h 之后測(cè)得凈漿流動(dòng)30s 的流動(dòng)度和凈漿最大流動(dòng)度。
2.2 砂漿減水率
按照GB/T 8077－2000“混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法”進(jìn)行砂漿減水率測(cè)試。
2.3 混凝土性能檢測(cè)
2.3.1 參照GB8076－1997“混凝土外加劑”，設(shè)計(jì)配合比a：
水泥：330kg/m3
砂： 710 kg/m3
碎石：1155 kg/m3
參照GB 8076－1997，利用配合比a 來(lái)進(jìn)行減水率、泌水率比、含氣量、凝結(jié)時(shí)間差、抗壓強(qiáng)度比、28d 收縮率比試驗(yàn)。基準(zhǔn)混凝土和受檢混凝土（即摻PCE 劑的混凝土，下同）坍落度均控制為（80mm±10mm）。
2.3.2 參照J(rèn)C473－2001“混凝土泵送劑”，設(shè)計(jì)配合比b：
水泥：390kg/m3
砂： 782 kg/m3
碎石：994 kg/m3
參照J(rèn)C 473－2001，利用本配合比來(lái)進(jìn)行泌水率比、含氣量、混凝土拌合物1h 和2h坍落度損失率及坍落擴(kuò)展度損失率試驗(yàn)。基準(zhǔn)混凝土坍落度控制為（100mm±10mm），受檢混凝土坍落度控制為（210mm±10mm）。利用本配合比測(cè)定減水率時(shí)，試驗(yàn)方法參照GB8076－1997，但是基準(zhǔn)混凝土和受檢混凝土的坍落度都控制為（100mm±10mm）。
3 聚羧酸系高性能減水劑性能檢測(cè)及發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題
以下分析是在若干個(gè)單位分別對(duì)11 個(gè)聚羧酸系高性能減水劑進(jìn)行測(cè)試的實(shí)測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上而進(jìn)行的。
3.1 凈漿性能試驗(yàn)
3.1.1 采用基準(zhǔn)水泥：
由各單位的實(shí)測(cè)結(jié)果得出的共同規(guī)律是：凈漿流動(dòng)30s 的流動(dòng)度（F0）及其損失規(guī)律與凈漿最大流動(dòng)度（D0）及其損失規(guī)律類似，多數(shù)樣品的F0 介于270mm~300mm，只有一個(gè)樣品的F0 小于200 mm，D0 介于280 mm～320 mm；在1h 或2h 后各樣品的F0 或 D0 均有所損失；F0 或 D0 的1h 損失率，最小的僅有不到3％，最大的卻高達(dá)近50％，2h 損失率最小的不到7％，最大的達(dá)到近50％；前1h 的損失速度明顯大于后1h 的損失速度，大多數(shù)樣品的F0 或 D0 后1h 的損失率小于10％，有的樣品后1h 的損失率幾乎為零，這說(shuō)明對(duì)于凈漿來(lái)說(shuō)，2h 內(nèi)流動(dòng)度損失主要集中于前期。在測(cè)試過(guò)程中，有的樣品配制的凈漿發(fā)生了泌水現(xiàn)象。
通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)F0 與D0 數(shù)值比較接近，經(jīng)時(shí)損失率發(fā)展規(guī)律也類似，所以，為了提高試驗(yàn)效率，同時(shí)為了便于確定測(cè)試終點(diǎn)時(shí)間（30s），建議采用F0。
3.1.2 采用地方水泥：
當(dāng)采用不同的地方水泥進(jìn)行凈漿性能測(cè)試時(shí)，產(chǎn)生的結(jié)果大相徑庭。一方面，不同樣品對(duì)同一種水泥的作用結(jié)果不同。例如當(dāng)采用某水泥C1 時(shí)，某些樣品的F0 或 D0 在1h 甚至2h 后都不僅沒(méi)有損失反而增大（見表1），而采用同一種水泥某些樣品的F0 或 D0 卻損失明顯（見表2）。
另一方面，同一個(gè)樣品對(duì)不同水泥的作用結(jié)果也差別很大。例如同一樣品對(duì)一種水泥作用后， 1h 甚至2h 后的流動(dòng)度或最大流動(dòng)度沒(méi)有損失而是增大的，對(duì)另一種水泥作用后，1h 或2h 后的流動(dòng)度和最大流動(dòng)度卻明顯損失（見表3）。由表3 也可以看出，同一樣品對(duì)不同水泥作用后的初始流動(dòng)度和最大流動(dòng)度也差別很大。這些現(xiàn)象在一定程度上反映出，同一聚羧酸系高性能減水劑對(duì)不同水泥的減水率不同，也預(yù)示出對(duì)不同水泥配制的混凝土的坍落度保持效果不同，這將在后面的混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中得以驗(yàn)證。
3.2 砂漿性能試驗(yàn)
3.2.1 基準(zhǔn)水泥：
砂漿減水率最大的達(dá)到29%，最小的僅有16%，可見同樣是聚羧酸產(chǎn)品，采用同樣的基準(zhǔn)水泥，砂漿減水率差別很大。這一差別在后續(xù)的混凝土減水率中也將有體現(xiàn)。
3.2.2 地方水泥：
在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，同一樣品對(duì)不同水泥的砂漿減水率不同，有的差別還較大，例如某樣品對(duì)一種水泥的砂漿減水率是24%，對(duì)另一種水泥的砂漿減水率卻高達(dá)30%。另外，同一樣品在此水泥的砂漿拌合物試驗(yàn)中并沒(méi)有出現(xiàn)泌水、氣泡多、沉降離析等現(xiàn)象，但是在彼水泥的砂漿試驗(yàn)中卻出現(xiàn)了這些現(xiàn)象。上述情況也進(jìn)一步說(shuō)明聚羧酸系高性能減水劑同樣存在與不同水泥的相容性不同的問(wèn)題。
3.3 混凝土性能試驗(yàn)
3.3.1 試驗(yàn)采用配合比a、基準(zhǔn)水泥，參照GB 8076－1997，進(jìn)行如下測(cè)試：
（1）減水率：
不同樣品對(duì)混凝土的減水率不同，有的樣品混凝土減水率高達(dá)33%，有的樣品則僅有20%，但是最小的減水率也遠(yuǎn)高于GB8076－1997 中高效減水劑一等品不低于12%的減水率。就這一點(diǎn)而言，采用GB8076－1997 中減水率指標(biāo)來(lái)衡量聚羧酸系高性能減水劑的減水性能已經(jīng)不能很好地反映出聚羧酸系高性能減水劑產(chǎn)品之間的優(yōu)劣。
總體看來(lái)，與基準(zhǔn)水泥的砂漿減水率相比，混凝土減水率普遍高于砂漿減水率。
（2）泌水率比：
綜合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各種聚羧酸系高性能減水劑樣品的混凝土拌合物泌水率比普遍都很?。ㄆ毡樾∮?0%，大多數(shù)小于10%），很多樣品配制的受檢混凝土的泌水率為零，可以認(rèn)為，聚羧酸系高性能減水劑對(duì)混凝土的保水性能普遍較好。所以，GB8076－1997 中高效減水劑一等品泌水率比不大于90%的指標(biāo)要求對(duì)于聚羧酸系高性能減水劑過(guò)于寬松，無(wú)法體現(xiàn)出聚羧酸系高性能減水劑良好保水性的優(yōu)點(diǎn)。
（3）含氣量：
試驗(yàn)過(guò)程中，有些樣品的混凝土拌合物的漿體中出現(xiàn)了很多氣泡而且氣泡尺寸較大。由于所采用的測(cè)試儀不同及操作環(huán)節(jié)方面的差別，不同的試驗(yàn)實(shí)施單位測(cè)得的含氣量數(shù)值差別很大，同一樣品，有的單位測(cè)得的含氣量高達(dá)8%以上，有的單位測(cè)得的僅為3%。但是，從各個(gè)單位的測(cè)值看出，不同樣品之間混凝土的含氣量差別也較大，測(cè)值高的含氣量可達(dá)測(cè)值低的含氣量的兩倍以上。這說(shuō)明不同的聚羧酸系高性能減水劑的引氣性能差別較大，在制定聚羧酸系高性能減水劑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)予以充分考慮。
（4）凝結(jié)時(shí)間差：
在所測(cè)試的11 個(gè)樣品中，有兩個(gè)樣品的初凝和終凝時(shí)間都比基準(zhǔn)混凝土縮短，其他樣品則都比基準(zhǔn)混凝土凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，不同樣品的凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)程度差別較大，但是不少樣品的混凝土凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)值都大于120min（見表4），呈現(xiàn)出一定的緩凝效果。由凝結(jié)時(shí)間測(cè)試結(jié)果看出，以GB8076 中高效減水劑的混凝土凝結(jié)時(shí)間差指標(biāo)（－90min ~ +120min）來(lái)約束聚羧酸系高性能減水劑并不合適，應(yīng)該重新確定指標(biāo)取值范圍。
（5）抗壓強(qiáng)度比：
綜合各單位測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，幾乎所有樣品1d、3d、7d 的抗壓強(qiáng)度比都遠(yuǎn)大于GB8076-1997 中高效減水劑一等品的相應(yīng)齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度比指標(biāo)要求，例如1d、3d、7d 抗壓強(qiáng)度比最高的分別達(dá)到240%、200%、200%以上，低的也分別達(dá)到了180%170%、160%以上，但是對(duì)于28d 抗壓強(qiáng)度比，則有的樣品的抗壓強(qiáng)度比遠(yuǎn)高于GB8076-1997 中高效減水劑一等品的120%的28d 抗壓強(qiáng)度比指標(biāo)要求（達(dá)到了170%以上），有的則高出并不（125%~130%），有兩個(gè)樣品甚至還小于120%（僅為113%~116%）。所以，對(duì)于聚羧酸系高性能減水劑的混凝土抗壓強(qiáng)度比，采用GB8076-1997 中的相關(guān)指標(biāo)也是不適合的，需要另行確定指標(biāo)。
（6）收縮率比：
摻聚羧酸系高性能減水劑的受檢混凝土28d 收縮率比，僅一個(gè)樣品達(dá)到了120%，其余的都在110%以內(nèi)，而且在105%以內(nèi)的居多數(shù)，有幾個(gè)樣品的收縮率比甚至在100%以內(nèi)（但都在90%以上）。就這一點(diǎn)而言，聚羧酸系高性能減水劑混凝土的收縮率明顯小于萘系等傳統(tǒng)高效減水劑配制的混凝土（后者的28d 收縮率比一般都會(huì)達(dá)到120%以上），這十分有利于保證混凝土的體積穩(wěn)定性及耐久性，十分適合于配制以耐久性為核心特征的高性能混凝土。GB8076-1997 中對(duì)高效減水劑等的混凝土28d 收縮率比要求為不大于135%，顯然，這一指標(biāo)對(duì)于聚羧酸系高性能減水劑來(lái)說(shuō)過(guò)于寬松，不能體現(xiàn)出聚羧酸系高性能減水劑相對(duì)于萘系等傳統(tǒng)高效減水劑收縮率低的優(yōu)點(diǎn)。
3.3.2 采用配合比b、基準(zhǔn)水泥，參照J(rèn)C473-2001，進(jìn)行下列試驗(yàn)：
（1）常壓泌水率比：
總體來(lái)看，采用配合比b，拌合物的常壓泌水性能和配合比a 相比沒(méi)有明顯變化，大多數(shù)樣品的拌合物泌水率比很小，而且多數(shù)樣品的拌合物泌水率為零。這一試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步反映出聚羧酸系高性能減水劑對(duì)混凝土拌合物的保水性能普遍較好。
（2）含氣量：
采用采用配合比b 測(cè)得的拌合物含氣量與配合比a 相比也沒(méi)有明顯變化，兩者數(shù)值較為接近。
（3）拌合物1h 和2 h 坍落度損失率及坍落擴(kuò)展度損失率
拌合物初始坍落度控制在210mm±10mm，并測(cè)定其初始坍落擴(kuò)展度，之后測(cè)定1h 和2 h 坍落度保留值及坍落擴(kuò)展度保留值。
試驗(yàn)結(jié)果表明，拌合物的初始坍落擴(kuò)展度一般介于450mm~510mm 之間；采用基準(zhǔn)水泥的拌合物的坍落度損失普遍較快，1h 后的損失率一般達(dá)到20%~40%（損失快的達(dá)到近80%），2h 后的損失率一般在50%~80%之間；坍落擴(kuò)展度一般在2h 后就很難測(cè)得（拌合物基本不擴(kuò)展），有的樣品的拌合物在1h 之后就已經(jīng)不擴(kuò)展了。但是，采用某些地方水泥，聚羧酸系高性能減水劑配制的拌合物的坍落度損失就小得多，這將在后文專門敘述。
另外，與前面已經(jīng)分析過(guò)的基準(zhǔn)水泥凈漿試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出，凈漿的流動(dòng)度保持效果與混凝土拌合物流動(dòng)度保持效果并不直接相關(guān)：同一樣品，同樣采用基準(zhǔn)水泥，凈漿1h 流動(dòng)度損失率為7.5%，混凝土拌合物1h 坍落度損失率卻高達(dá)42%；也有樣品使得凈漿1h 流動(dòng)度損失率高達(dá)37%，混凝土拌合物1h 流動(dòng)度損失率卻僅為8%。這一現(xiàn)象說(shuō)明，不能簡(jiǎn)單地用凈漿的試驗(yàn)規(guī)律來(lái)推斷混凝土的性能規(guī)律。
（4）減水率
之所以還要采用配合比b 進(jìn)行減水率測(cè)試，是因?yàn)楦鲉挝黄毡榉从常诓捎门浜媳萢進(jìn)行減水率測(cè)定時(shí)，受檢混凝土的坍落度對(duì)用水量十分敏感，操作起來(lái)較為困難。而改用配合比b 進(jìn)行減水率測(cè)定時(shí)，就很好地避免了上述問(wèn)題。試驗(yàn)表明，采用這一配合比進(jìn)行測(cè)試，拌合物工作性對(duì)用水量不十分敏感，試驗(yàn)的可操作性較好。用該方法測(cè)得的減水率普遍較采用配合比a 測(cè)得的減水率為高。事實(shí)上，采用這一方法得到的減水率應(yīng)該更接近于工程實(shí)際中的減水率，因?yàn)楣こ虒?shí)際中的商品混凝土膠凝材料用量一般不會(huì)僅僅為330kg/m3，也即采用配合比a 測(cè)得的減水率與聚羧酸系高性能減水劑在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮出來(lái)的減水率相比偏小。但是，為了和傳統(tǒng)減水劑性能進(jìn)行對(duì)比，目前仍舊只能按照GB 8076來(lái)進(jìn)行聚羧酸系高性能減水劑的減水率測(cè)試。本文建議在修訂GB 8076－1997 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，充分考慮對(duì)其中混凝土配合比的修改，以適應(yīng)目前減水劑及混凝土工程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。3.3.3 采用地方水泥，參照J(rèn)C473-2001 測(cè)定混凝土拌合物坍落度及坍落擴(kuò)展度損失各單位分別采用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫牡胤剿噙M(jìn)行了混凝土拌合物坍落度及擴(kuò)展度損失試驗(yàn)。
試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用某些水泥時(shí)，拌合物的1h 和2h 坍落度及擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失很小，有的樣品的拌合物1h 甚至2h 坍落度和擴(kuò)展度都保持不變，這一點(diǎn)對(duì)于萘系等傳統(tǒng)高效減水劑來(lái)說(shuō)是無(wú)能為力的，這說(shuō)明聚羧酸系高性能減水劑在保持拌合物流動(dòng)性方面還是具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。
3.4 甲醛含量
按照GB18582－2001 《室內(nèi)裝飾裝修材料 內(nèi)墻涂料中有害物質(zhì)限量》規(guī)定方法來(lái)測(cè)定聚羧酸系高性能減水劑中的甲醛含量。測(cè)試結(jié)果表明，各種聚羧酸系高性能減水劑中的甲醛含量極微小，最多的也不到0.001%，而萘系（粉劑）高效減水劑中的甲醛含量一般都大于0.3%。聚羧酸系高性能減水劑生產(chǎn)過(guò)程中也不涉及苯酚、萘等有害物質(zhì)，所以，稱聚羧酸系高性能減水劑是綠色環(huán)保型的外加劑是名副其實(shí)的。這一點(diǎn)，萘系等傳統(tǒng)高效減水劑望塵莫及。
4 結(jié)論
（1）在減水率、泌水率、抗壓強(qiáng)度、收縮率、坍落度保持性等關(guān)鍵性能方面，聚羧酸系高性能減水劑比萘系等傳統(tǒng)高效減水劑普遍具有性能優(yōu)勢(shì)。
（2）GB 8076－1997 中有關(guān)高效減水劑的性能評(píng)價(jià)或約束指標(biāo)限定值多數(shù)不適用于評(píng)價(jià)聚羧酸系高性能減水劑的性能，因此需要制定關(guān)于聚羧酸系高性能減水劑的專門標(biāo)準(zhǔn)。
（3）聚羧酸系高性能減水劑配制的凈漿的性能規(guī)律與混凝土的性能規(guī)律并不直接相關(guān)，不能簡(jiǎn)單地用凈漿的規(guī)律來(lái)推斷混凝土的性能。
（4）聚羧酸系高性能減水劑對(duì)不同水泥的作用結(jié)果不同，甚至大相徑庭。聚羧酸系高性能減水劑也存在于水泥的相容性問(wèn)題。
（5）GB 8076－1997 中的混凝土配合比用來(lái)檢測(cè)聚羧酸系高性能減水劑，試驗(yàn)的可操作
性較差，建議在修訂GB 8076－1997 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，充分考慮對(duì)其中混凝土配合比的修改。
致謝：
本文采用了以下單位提供的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)：中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程
材料及制品研究所、上海市建筑科學(xué)研究院建筑材料技術(shù)研究所、上海建研建
材科技有限公司、上海申立建材有限公司、中冶集團(tuán)建筑研究總院北京冶建特
種材料有限公司、江蘇省建筑科學(xué)研究院、同濟(jì)大學(xué)材料學(xué)院、深圳市邁地砼
外加劑有限公司、四川柯帥外加劑有限公司，在此一并表示感謝！
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