Mirko Cruber 劉歡 Serina Ng* 王進(jìn)春

1.石家莊市長(zhǎng)安育才建材有限公司 河北石家莊 051530；2.河北省混凝土用功能性材料工程技術(shù)研究中心 河北石家莊 051530；3.河北省建筑化學(xué)添加劑產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 河北石家莊 051530;4.四川砼道科技有限公司 四川成都 611139

隨著國(guó)家雙碳目標(biāo)(碳達(dá)峰、碳中和)配套政策的推廣，人們對(duì)混凝土材料綜合性能要求不斷提高，特別是對(duì)混凝土全生命周期的碳排放提出了更高要求，因此需要設(shè)計(jì)更環(huán)保、耐久性更好的混凝土。超高性能混凝土由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能及耐久性，混凝土新材料成為科研領(lǐng)域的重要材料。超高性能混凝土(UHPC)是以極低水膠比、多元微細(xì)顆粒密實(shí)堆積以及用鋼纖維增韌等為主要特點(diǎn)的水泥基復(fù)合材料。超高性能混凝土還被廣泛用來(lái)加固及修復(fù)橋梁、異性構(gòu)造物的澆筑等。超高性能混凝土配比中使用了大量的粉料，而且在極低的水膠比下，所以為了保持良好的施工性能，一般會(huì)加入大量的聚羧酸高性能減水劑(PCE)。超高性能混凝土研究比較多，但是針對(duì)不同聚羧酸結(jié)構(gòu)對(duì)超高性能混凝土的分散性能研究卻比較少，所以本文將研究8種不同結(jié)構(gòu)的聚羧酸減水劑對(duì)超高性能混凝土的流動(dòng)性的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

1.1.1 合成原材料

甲基丙烯酸，順丁烯二酸酐，引發(fā)劑，鏈轉(zhuǎn)移劑，河北產(chǎn)；大單體，德國(guó)產(chǎn)；合成用水，去離子水；氫氧化鈉，工業(yè)級(jí)，山東產(chǎn)。

1.1.2 UHPC試驗(yàn)用原材料

水泥，金隅P.O 52.5水泥；石英砂(0.125～0.5mm)，河北產(chǎn)；石英粉，河北產(chǎn)；硅灰，含量大于92%，比表面積大于20m/g，天津產(chǎn)；鋼纖維，細(xì)圈形表面鍍銅纖維，直徑0.22mm，長(zhǎng)度12～15mm，國(guó)產(chǎn)；拌合用水，自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 PCE的合成

甲基丙烯酸、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯和烯丙基聚氧乙烯醚，順丁烯二酸酐為原料合成第一代和第二代聚羧酸減水劑。這些聚羧酸減水劑(PCE)由帶有吸附性羧酸基團(tuán)的主鏈以及聚乙二醇側(cè)鏈組成如圖1、圖2所示。

圖1 PCE(1-4)結(jié)構(gòu)圖

圖2 PCE(6-8)結(jié)構(gòu)圖

聚羧酸酯類減水劑PCE1-4設(shè)計(jì)了不同的酸酯比、主鏈聚合度，與此同時(shí)保持側(cè)鏈聚合度不變，合成了4種不同的酯類聚羧酸減水劑。具體分子結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，分子結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

表1 酯類聚羧酸減水劑分子結(jié)構(gòu)參數(shù)

醚類減水劑PCE5-8設(shè)計(jì)了不同主鏈聚合度的聚羧酸減水劑，其中PCE8加入過(guò)量的馬來(lái)酸酐以確保鏈終止。具體分子結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2，分子結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

表2 醚類聚羧酸減水劑分子結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2.2 性能測(cè)試

根據(jù)表3配合比進(jìn)行小型流動(dòng)性試驗(yàn)，將水泥、硅微粉、水和PCE攪拌均勻后，填充到維卡環(huán)中使其擴(kuò)展度達(dá)到260±50mm。研究不同結(jié)構(gòu)PCE對(duì)水灰比為0.70至0.18的超高強(qiáng)度混凝土(UHPC)流動(dòng)產(chǎn)生影響。

圖5 小型模擬試驗(yàn)

圖6 擴(kuò)展度測(cè)試

表3 試驗(yàn)用UHPC配合比

2 結(jié)果與討論

小型模擬試驗(yàn)從水灰比為0.70開始，逐步降低水灰比，同時(shí)需要增加PCE摻量；隨著水灰比的降低，通過(guò)增加聚羧酸減水劑摻量使拌合物擴(kuò)展度達(dá)到260±50mm。第一類聚羧酸減水劑(酯類)試驗(yàn)結(jié)果如圖7，第二類聚羧酸減水劑(醚類)試驗(yàn)結(jié)果如圖8。

圖7 第一組聚羧酸減水劑(聚酯類)試驗(yàn)結(jié)果

圖8 第二組聚羧酸減水劑(聚醚類)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)PCE試驗(yàn)使表3中UHPC達(dá)到260±50mm，水膠比最低、所需聚羧酸減水劑最低摻量如表4所示。低于此值時(shí)，即使聚羧酸減水劑的摻量非常高(高達(dá)水泥的4.00%摻量)，也無(wú)法降低水膠比。

表4 不同結(jié)構(gòu)聚羧酸高性能減水劑達(dá)到設(shè)定流動(dòng)需要的摻量和水灰比

第一組聚羧酸減水劑(酯類)：可以看到在同水灰比條件下，PCE摻量由低到高依次是PC3

第二組聚羧酸減水劑(醚類)：在較高水灰比情況(即水灰比≥0.25)下，PC5，PC6減水率比PC7，PC8減水率高。小分子量的PCE如PC8在水灰比低至0.16的情況下，仍然能使UHPC保持良好的流動(dòng)性，但是摻量需要增加到3.10%

3 結(jié)論

(1)兩種類型聚羧酸減水劑都能夠通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足UHPC配合比流動(dòng)性要求。新一代聚羧酸高性能減水劑分子結(jié)構(gòu)，在w/z值高達(dá)0.19和w/b值高達(dá)0.16時(shí)，仍然能夠很好使UHPC有良好的流動(dòng)性。第一類聚羧酸(即酯類)與今天的商業(yè)產(chǎn)品相比，這一代產(chǎn)品的主鏈長(zhǎng)度相對(duì)較短，側(cè)鏈密度較低。例如，PC3聚羧酸鹽減水劑是非常經(jīng)濟(jì)的，1.40%的摻量就可以使UHPC具有良好的流動(dòng)性。

(2)第二類聚羧酸減水劑，聚醚類減水劑，我們可以看到，小分子量的PCE如PC8在水灰比低至0.16的情況下，仍然能使UHPC保持良好的流動(dòng)性，但是摻量需要增加到3.10%；相反，PCE5在僅僅1.45%的摻量下就能使UHPC保持良好的流動(dòng)性，但是它最低只能將水膠比降到0.22。

(3)不同結(jié)構(gòu)的聚羧酸減水劑經(jīng)濟(jì)效益是非常不一樣的。根據(jù)不同的水灰比的要求，需要合理分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使PCE達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約資源，更加環(huán)保。