| 丙烯酸系减水剂在水工混凝土中的应用 | |
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摘要:本文系统分析了三峡工程高标号抗冲耐磨 关键词：丙烯酸系； 萘系；高性能减水剂；水工混凝土；应用1引言水利水电工程是我国国民经济建设中最重要的基础产业之一，从上个世纪50年代开始，我国水利水电工程的发展相当迅猛，从102m的浙江新安江水电站，240m的四川二滩水电站，185m的三峡工程，以及即将开工的298m云南小湾水电站、283m的溪落度和300m的锦屏一级水电站等等，这些大型水利水电工程除了混凝土工程量大、强度等级多、温控要求严外，更重要的是对混凝土的耐久性和安全性要求高[1]。但是，长江科学院刘崇熙教授在“三峡大坝混凝土寿命500年的设计构想”一文中分析得出：建国以来，我国兴建的混凝土坝，大坝的耐久寿命充其量为50年，三峡工程也不例外，到21世纪中叶，三峡混凝土坝将投入病害整治的非良性循环[2]。事实证明，我国目前已进入混凝土坝的整治维修期，浙江的新安江、江西的罗湾等水电站由于混凝土耐久性的严重劣化已进入半运转状态。世界上的一些水利水电工程亦遭受同样的命运，有的已经完全废弃。当然，引起混凝土耐久性劣化的因素很多，但要实现大坝混凝土的超耐久化一般采用以下途径:掺入高性能减水剂和高效活性矿质混合材，引入结合性碱性化合物，降低混凝土水化温升和保证混凝土强度等[3]。掺用减水剂是提高混凝土耐久性的主要途径，从上世纪50年代开始，减水剂在我国水工混凝土中开始普遍使用，经历了木钙减水剂、糖蜜减水剂、萘系缓凝高效减水剂的发展阶段，混凝土寿命由以往的不到30年提高到现在的50年。到90年代末期三峡工程抗冲耐磨混凝土采用丙烯酸系高性能减水剂满足三峡工程特殊工程部位的需要。这些都生动地记录了减水剂在水工混凝土发展史中的重要作用。丙烯酸系减水剂是近20年发展起来的第三代新型高性能减水剂，与萘系高效减水剂相比，它具有30%以上的高减水率、1～2小时坍落度基本不损失、能配制C100以上的混凝土、混凝土水化温升小、不泌水不离析以及耐久性高、硫酸钠含量极低等优点。基于这些优点，丙烯酸系减水剂在水工混凝土中更能发挥其积极性能，尤其是在混凝土碱-骨料反应、低水灰比、水化热、混凝土的温控等一系列问题上具有其无可比拟的优势。2 丙烯酸系减水剂在水工混凝土中的优势 2.1 有效地降低混凝土中的碱含量众所周知，碱是诱发混凝土碱—骨料反应的主要因素之一，而由于碱-骨料反应导致大坝损毁的在国内外屡见不鲜，如巴西的Moxoto大坝和法国的Chambon大坝，前者在工程完工3年后便出现了碱-骨料反应，后者在建成后50～60年发生了碱-骨料反应。混凝土中碱主要来源于水泥、粉煤灰、减水剂等原材料。世界上对于碱含量的控制也非常重视，南非规定混凝土碱总量不得超过2.1kgm3，我国在三峡工程中规定混凝土碱总量不得超过2.5kgm3，美国规定混凝土碱总量不得超过3.3kgm3。而作为混凝土五组分之一的减水剂，碱含量特别是Na2SO4含量直接影响到混凝土的碱总量。目前我国高效减水剂中90%以上是萘系减水剂，由于萘系减水剂的生产采用浓硫酸磺化和氢氧化钠中和等工艺，有些厂家的萘系减水剂中Na2SO4的含量高达30%，大多数维持在10%左右[4]。而丙烯酸系减水剂是通过水溶液聚合、非磺化的高性能减水剂，在生产中只需极少量氢氧化钠来调整其pH值，因此此类减水剂的含碱量极少。由于丙烯酸系减水剂优异的综合性能，同等强度混凝土的胶凝材料用量要少得多。三峡工程R28400#和R28450#抗冲耐磨混凝土掺用丙烯酸系减水剂比萘系减水剂的胶凝材料分别少47kgm3(水泥37kg+粉煤灰10kg)和40kgm3(水泥36kg+粉煤灰4kg)。而中热525#硅酸盐水泥的R2O的含量在0.34%～0.47%之间，粉煤灰的R2O的含量在1.63%～1.68%之间。由此可以估算，与掺用萘系减水剂的混凝土相比，丙烯酸系减水剂还可减少胶凝材料总的R2O含量为0.3kgm3(R28400#混凝土)和0.2kgm3(R28450#混凝土)。其次，与萘系减水剂相比，丙烯酸系减水剂本身还能有效减少混凝土中的含碱量。在三峡工程混凝土减水剂的优选过程中，比较了国内外十几种高效减水剂。以TMS、FDN、FDN9001、ZB-1A、X404为例，(Na2O+K2O)的含量分别为7.66%、7.08%、14.36%、9.59%和2.13%，前四种掺量为1.18kgm3混凝土，X404的掺量为1690mLm3混凝土，分别带入混凝土中碱量为90gm3、83gm3、169gm3、112gm3、36gm3混凝土[5]。作者1998～1999年在三峡从事监理期间，抽检到萘系减水剂个别样的碱含量也达14%，一般维持在9%左右。综合丙烯酸系减水剂双重作用，在萘系减水剂的基础上还可减少混凝土中的总碱量0.4kgm3(R28400#混凝土)和0.3kgm3(R28450#混凝土)，分别相当于三峡工程混凝土控制总碱量的16%和12%。由此可见，丙烯酸系减水剂对混凝土中碱含量的减少相对于水泥、粉煤灰、骨料等原材料的含碱量的控制难度更为有效和简单。2.2延缓混凝土的水化热、降低混凝土温升水泥水化热问题一直是困绕大体积混凝土的难题，虽然在水利工程中采用了骨料预冷、加冰、通水冷却等各种各样的国际通行温控措施来减少了温度裂缝的产生。但是这些措施是借助外部条件的降温，无法从水泥水化本身解决，仍然存在一定的弊端。比如通水冷却，冷却管的埋设是在每一仓混凝土的底部，而不是均匀布置在混凝土中，这样对于底部混凝土的水化温升能起到一定的效果，但对于中上部混凝土便无能为力；一般来讲，防止温度裂缝采取的主要措施是控制混凝土的内外温差不超过25℃，但在混凝土内部由于冷却管的作用，肯定存在的温度梯度，是否会引起温度裂缝，至今尚未进行过研究。而在我们从外表发现的裂缝仅仅是由于内外温差所引起。三峡工程所采用的丙烯酸系和萘系混凝土减水剂研究中表明[5]：对于525#纯中热硅酸盐水泥和80%的525#中热硅酸盐水泥+20%I级粉煤灰，12h、24h、48h和72h的掺萘系和丙烯酸系减水剂相对于空白样的水化热百分比见图1、图2。从图中可以看出，采用粉煤灰+减水剂对延缓水泥水化作用更为明显；而丙烯酸系减水剂对于延缓早期水泥水化热更为有效。 从三峡工程R28400#混凝土现场观测对比数据看，由于胶凝材料的减少和丙烯酸系减水剂的双重作用，混凝土温峰比萘系低6℃，减少温度应力0.5MPa左右。这样，对于混凝土的内部温升和温控是相当有利的。 2.2能大幅度提高粉煤灰的掺量随着粉煤灰技术的发展，粉煤灰成为了水工混凝土中不可或缺的掺合料，能减少混凝土的绝热温升、提高混凝土的耐久性的优点。然而，粉煤灰的掺量一直受到限制，三峡工程 |