工程档案：复合超早强型外加剂在HPC管桩混凝土中的应用技术

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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第2期

复合超早强型外加剂在HPC管桩混凝土中的应用技术

王海涛，张峰，徐锦富，王剑，洪强，刘阳，李春峰，李翠芬

［摘 要］本文主要考察了一种采用络合稳定手段制备而成的无机—有机杂化插层型纳米级悬浮均匀的活性晶种与聚羧酸高性能减水剂和适量保水组分、促凝组分复合而成的超早强聚羧酸外加剂，考察其净浆流动度对不同厂家水泥的适应性、混凝土新拌性能和力学性能及耐久性能的影响。结果表明，该超早强型聚羧酸外加剂相比普通聚羧酸外加剂，其初终凝时间提前 90min 以上，能有效促进水泥基材料早期强度，使用其制备的混凝土拌合物含气量与普通聚羧酸外加剂和传统早强型聚羧酸外加剂相比含气量没有变化，且灰态相对柔和，易于成型，不影响混凝土后期力学性能和耐久性能。与传统无机盐或有机物复合的传统早强型聚羧酸外加剂相比，优势明显。

［关键词］超早强；节能增效；PHC 管桩；耐久性

0 引言

节能减排是建材工业转型升级，实现可持续发展的基础，混凝土预制构件，如高强预应力管桩、地铁管片混凝土等，在生产过程中，为了加快模具周转速度，一般采用高温（60～90℃）蒸汽或蒸压养护工艺，导致养护能耗高，且影响到混凝土预制构件的长期耐久性能。传统早强剂能够加速水泥早期水化，然而传统的早强剂多为氯化物、硫酸盐和硝酸盐等无机盐类或者是三乙醇胺、甲酸钙等有机物类，其掺量高、成本高，对于混凝土24h内早期作用非常有限，并且容易导致混凝土的抗渗性和耐腐蚀性能降低。

预应力混凝土管桩作为一种广泛应用于基础工程领域的构件，在国内市场上拥有巨大潜力。全球对清洁能源的需求不断壮大，根据国际能源署的数据，到2025年，全球光伏发电装机总容量将达到150GW，其中中国、印度、美国等国家将是主要市场，这将进一步推动光伏发电管桩行业的发展。由于预制桩混凝土生产工艺的要求（混凝土离心前具有一定的保坍性）及使用需要（要求自身具有较高的混凝土强度），聚羧酸高性能减水剂对水泥有更好的分散作用，能大大提高拌合物流动性和大幅度降低用水量，符合节能低碳的发展要求。不过，在推广使用中发现，聚羧酸对环境温度与混凝土原材料要求较高，使用不当会加速坍落度损失，掺量过大容易泌水造成新拌混凝土板结，灰态发粘发沉等现象，不利于工人操作，影响成型，耽误下一道工序。为此，公司技术部根据京津冀周边管桩厂不同原材料和设计要求，利用L(3)正交表安排试验，主要考察混凝土的1d、3d、7d、28d的抗压强度比，经由极差分析和方差分析，寻找不同促凝组分、早强组分之间的关系，开发出一种由少量促凝成分和纳米活性晶种早强成分的新型复合超早强聚羧酸外加剂。在预制构件施工中，超早强型聚羧酸外加剂能够使对水泥早期水化过程中提供晶体生长位点，有效缩短水泥水化诱导期，从而有效提高混凝土早期强度。不同于传统的早强聚羧酸外加剂，该超早强型聚羧酸外加剂在改善新拌混凝土工作性能的同时，不会影响水泥混凝土后期力学性、耐久性等指标。该产品在缩短蒸养时间，可提高模具的使用效率，为预制构件厂节省能耗。

1 试验

1.1 混凝土原材料

（1）水泥：唐山冀东三友PO42.5R水泥，3天抗压强度35MPa，28天抗折、抗压强度分别为8.3MPa和51.0MPa。唐山燕东三友PO42.5R水泥，3天抗压强度36MPa，28天抗折、抗压强度分别为8.1MPa和50.0MPa。

（2）掺合料：唐山建鑫，28天活性指数97%。

（3）膨胀剂：天津豹鸣，水中7d限制膨胀率0.037%。

（4）防腐阻锈剂：天津豹鸣，抗蚀系数1.0。

（5）砂：使用河北遵化Ⅱ区中砂（机制砂），含泥量0.8%，细度模数2.7。

（6）石子：河北遵化尾矿石，粒径为5～20mm连续级配，压碎指标值6.1%，含泥量0.3%，针片状含量5.2%。

（7）外加剂：天津市飞龙砼外加剂有限公司样品① JFL-2聚羧酸高性能减水剂（标准型）；样品② JFL-2E型传统早强聚羧酸外加剂（有机胺＋无机盐复合型）；样品③ JFL-2E型复合超早强聚羧酸外加剂（无机盐促凝组份＋纳米活性晶核复合型）。

1.2 试验方法

水泥净浆流动度试验方法参照GB/T 8076—2008《混凝土外加剂》中规定的方法进行，水灰比为0.29，外加剂掺量按液体2.0%掺入（样品均为折固含量10%）。

新拌混凝土性能测试按照国家标准GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能测试方法》中规定的方法进行，混凝土力学性能、抗硫酸盐性能及氯离子渗透性能分别按GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能测试方法》和GB/T 50082—2016《普通混凝土长期性能和耐久性能测试方法》中规定的方法进行。外加剂的掺量均以试验的胶凝材料总质量为准，按液体2.0%计算。

1.3 试验强度

（1）超早强型聚羧酸外加剂与普通聚羧酸外加剂和传统早强聚羧酸外加剂对水泥净浆流动度的影响试验结果见表1。

从表可以看出，普通聚羧酸外加剂针对这两种水泥净浆流动度60min后，损失较小，传统早强型和超早强型外加剂30min后损失相差不大，60min超早强型减水剂损失明显高于传统早强型减水剂和普通聚羧酸外加剂（标准型）。这种现象是由于复合超早强型聚羧酸外加剂加速了水泥早期水化，从而促进了水泥絮凝结构的形成，加大了净浆流动度的损失。

（2）超早强型聚羧酸外加剂对混凝土新拌性能的影响，根据站里的材料通过优化砂石级配，确定最佳水胶比和砂率后设计试验用混凝土配合比，见表2。水胶比0.26，分别采用冀东和燕东两种水泥，采用相同配合比和用水量，考察了超早强聚羧酸外加剂与早强聚羧酸外加剂和普通聚羧酸外加剂（标准型）对混凝土出机和30min坍落度的影响，以及凝结时间。见表3。

在两种不同水泥中，与普通聚羧酸外加剂和传统早强型聚羧酸外加剂相比，超早强型聚羧酸的掺入对混凝土含气量基本无影响。从混凝土30min损失观察，传统早强型聚羧酸外加剂损失明显高于普通聚羧酸外加剂和超早强聚羧酸外加剂；从凝结时间来看，传统早强型和复合超早强型聚羧酸外加剂初凝时间明显缩短，不同水泥中缩短幅度略有差距，但超早强型聚羧酸外加剂初终凝时间差比普通聚羧酸外加剂明显提前90110min，复合超早强聚羧酸外加剂初凝和终凝时间差比传统早强聚羧酸外加剂提前1015min

（3）复合超早强聚羧酸外加剂与普通聚羧酸外加剂和传统早强聚羧酸外加剂对混凝土早期和后期力学性能的影响见表4。

通过在两种水泥中，复合超早强型聚羧酸外加剂相比较普通聚羧酸外加剂和传统的聚羧酸早强外加剂，在6h蒸养强度上和1d标准养护强度方面优势明显，高出8～14MPa，7d强度方面也高出8MPa，后期强度28d和56d强度相差不大，没有出现强度早期强度过快发展造成后期强度受损现象，且发展规律明显。早期和后期强度增长如图1、图2。

2 工程应用实例

天津鼎金新材料有限公司年产20万吨聚苯乙烯项目，工程地址位于天津经济开发区南港工业区，HKFZ 500-300AB，桩长20～25米，合同签订30000延米。预应力混凝土空心方桩由天津潘庄建材有限公司提供，因该项目地处大港海边，根据其地质勘察结果，地下水对混凝土结构具有腐蚀性，腐蚀介质为SO^2-，在长期浸水条件下，地下水对混凝土结构及混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性，腐蚀介质为Cl。桩身预应力钢筋保护层厚45mm，支架基础型号为PHC400(95)B，单根长约14m，抗硫酸盐型号为PHC400(95)C，单根长约15m，16m，17m，型号为PHC500(100)AB，单根长约18.0m：抗硫酸盐一体机基础PHC桩型号为 PHC 400 AB 单根长约15m。

混凝土设计要求：抗硫酸盐混凝土强度等级C80，混凝土抗渗等级P12，桩身混凝土28d龄期氯离子迁移系数7，抗冻等级150，等级KS1500.85，56d氯离子迁移系数DRCM1.5×10^-12/s。

实际施工过程中混凝土性能：为了更好地检验超早强聚羧酸外加剂在现场应用过程中工作性能，现场对混凝土进行取样检测。混凝土出机至30min状态柔和，和易性优良，粘度适中，布料一次成型。离心后，内壁光滑，余浆很少。复合超早强聚羧酸外加剂的使用，混凝土早期强度提高，脱模时间提前，缩短了蒸汽养护时间由原来的6个小时降到5个小时，见图3、图4。

混凝土耐久性能各项指标均能满足该项目工程设计要求，检测结果见表5。

结语

（1）与普通聚羧酸外加剂和传统早强聚羧酸外加剂相比，复合超早强聚羧酸外加剂通过找好促凝、早强组分在水泥水化中的平衡点，能加速水泥早期水化，从而促进水泥絮凝结构的形成，能够为水泥早期水化过程中提供晶体生长位点，有效缩短水泥水化诱导期，从而有效提高混凝土早期强度。

（2）复合超早强聚羧酸外加剂，对新拌混凝土含气量和30min后的坍落度损失基本无影响，且混凝土柔软度，用手揉搓成型可塑度均优于普通聚羧酸外加剂和传统早强聚羧酸外加剂。

（3）通过对混凝土氯离子渗透性能、抗渗性能、抗硫酸盐及抗冻性能的检测结果来看，该复合超早强聚羧酸外加剂对混凝土长期耐久性能未见负面影响。

（4）蒸养强度及早期强度的提高，脱模时间提前了近60min，节省了燃气并加快了模具的周转，为预制工厂节省了能耗。

参考文献

[1] 张永胜．地铁管片蒸汽养护工艺及其改进[J]．混凝土与水泥制品，2006(5): 35-37．

[2] 杜志芹，祝烨然，陈国新，等．早强型聚羧酸系高性能减水剂的性能研究[C]．聚第六届全国聚羧酸系高性能减水剂及其应用技术交流会暨“混凝土外加剂应用技术专业委员会”2017 年会[A]，2017: 116-117．

[3] 张光华，陈淼，相瑞，等．早强型聚羧酸减水剂的合成及性能研究[J]．陕西科技大学学报，2014,32(8): 61-65．

[4] 彭波，蒸养制度对高强混凝土性能的影响[D]．武汉：武汉理工大学，2007．

[5] 马保国，许永和，董荣珍．三乙醇胺对水泥初始结构和力学性能的影响[J]．建筑材料学报，2006(1): 6-9．

[6] 明维，周展钊，周鹏，等．PHC 管桩的免蒸养免蒸压工艺研究[J]．混凝土与水泥制品，2016(9): 35-35．

供稿人：王海涛，张峰

编辑员：李海亮

审核人：孙继成，宁夏

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《建筑固废再生砂粉应用技术规范》行标

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