C50混凝土配合比生产减水剂和水泥适应性特征分析

C50混凝土配合比生产减水剂和水泥适应性特征分析

郑李杰1   涂德泉2

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摘要：本文主要针对鄂州机场高速公路二期工程在C50预制箱梁在预制过程中遇到的实际问题，查询相关文献，通过试验、收集、整理与分析，研究C50预制箱梁在预制过程中遇到的容重偏小、塔损过快、状态波动过大，外观发黑、有大量的小气泡聚集、有明显的色差，3天强度达不到张拉要求、28天强度偏低等实际问题；分析原因，提出解决办法，从而有效指导C50预制箱梁施工质量。

关键词：塔损、容重、强度偏低、预制箱梁

1引言

现代化的建设项目正在快速进行，这也导致了混凝土的运用日益普遍。同时，在这些项目的实施过程中，对于混凝土的品质的期望也日益提升。在混凝土试配中掺入适量的外加剂，能够有效的改善混凝土的工作性、减少水的用量和水泥用量，提高混凝土强度，降低工程成本。而外加剂和水泥等胶凝材料反应，是改善混凝土的工作性的重中之重，因此现代建筑工程对混凝土外加剂的要求也越来越高。

近年来，中国道路建设的步伐日益加速，混凝土作为道路建设不可或缺的核心材料，其施工要求也随之不断提升。具体而言，混凝土施工对预拌混凝土的粘聚性、保水性及稳定性等指标的要求愈发严格。为满足这些施工要求，建筑施工企业对预拌混凝土的原材料质量，尤其是外加剂的选择，提出了更高的标准。

桥梁作为道路工程的关键组成部分，预制箱梁则是桥梁结构中的重要元素。在箱梁的预制流程中，混凝土的状态控制占据着举足轻重的地位。随着外加剂技术的不断进步，聚羧酸系外加剂逐渐取代了奈系外加剂，有效解决了预拌混凝土耐久性的问题。然而，聚羧酸系外加剂对混凝土原材料及环境条件的波动表现出高度的敏感性，这对施工条件提出了更为苛刻的要求。因此，在实际施工过程中，预拌混凝土频繁遭遇诸如坍损过大且迅速、前期与后期强度均偏低、箱梁外观色差显著及局部发黑等共性难题。

以C50混凝土开盘为例，首车混凝土出机时的坍落度为200mm，抵达施工现场后坍落度损失极小，满足箱梁入模的施工要求。然而，仅过15分钟后，坍落度便锐减至120mm，半小时后更是降至80mm。尽管经过调整，混凝土的保坍时间仍未能满足施工需求。此外，预制出的箱梁外观存在显著的色差、大面积发黑区域及大量小气泡，尤其在翼板位置更为突出。经预留同条件养生试件3天的抗压试验，其抗压强度低于设计强度的90%，无法满足张拉要求；而标准养生试件28天的抗压试验强度亦未达到设计强度的1.15倍，不符合《混凝土强度检验评定标准》GB50107-2010的相关规定。

针对上述问题，经过与外加剂生产商的多次试验、深入沟通及结合实际生产经验，分析得出以下原因：

首先，聚羧酸外加剂的性质是导致问题的根源之一。在高温环境下，聚羧酸外加剂与胶凝材料的反应速率加快，导致混凝土坍落度迅速损失；而在低温条件下，反应速率减慢，出机时的混凝土坍落度无法真实反映实际生产中的坍落度。经过罐车运输及现场放料等待，聚羧酸外加剂与胶凝材料充分反应后，可能导致现场混凝土的坍落度异常增大甚至离析。

其次，混凝土方面的问题主要与含气量、原材料的稳泡性以及混凝土外加剂中引气剂的种类及掺量密切相关。新拌混凝土的含气量直接影响硬化混凝土中气泡的数量。尽管高频振捣在预制箱梁施工中能有效降低混凝土的含气量，但部分区域，尤其是翼板位置钢筋网密集，振捣困难，成为施工中的薄弱环节。因此，硬化混凝土中仍会保留大量细小孔径的气泡，翼板位置尤为显著。

再者，混凝土原材料各批次间的颜色差异是导致色差问题的主要原因之一。其中，粉煤灰的颜色差异尤为显著，不同烧失量及助燃剂所烧制的粉煤灰颜色各异。尤其是含碳量较高的粉煤灰，会显著影响箱梁的表观颜色。此外，控制混凝土入模状态的均一性，确保坍落度的稳定，避免混凝土出现离析泌水或稠度过大等问题，也是预防色差的关键。混凝土离析泌水往往会导致麻面及色差现象。

最后，采用新型蒸养设备时，需确保蒸养箱的密闭性良好，以维持适宜的温湿度条件。然而，若蒸养箱密闭不严，导致热量和湿度散失，将无法满足蒸养要求。同时，在移动台车将箱梁送出蒸养箱后，若洒水养生不及时、不到位，将导致箱梁前期强度不足，无法达到设计强度的90%，从而无法进行张拉。此外，水泥的前期强度偏低，以及减水剂与水泥的相容性不佳，也是导致混凝土标养试件强度不足、不满足《混凝土强度检验评定标准》GB50107-2010要求的重要原因。

2试验方案

2.1试验原材料选用

粗集料配置说明：本次所采用的粗集料源自湖北登华绿色建材有限公司，具体规格包含5～10mm与10～20mm两种碎石。为形成5～20mm的连续级配碎石，我们按照科学的比例——20%（5～10mm碎石）:80%（10～20mm碎石）进行了掺配。

细集料选用情况：细集料则选用了河西黄沙超市有限公司提供的天然砂，其粒度规格为中砂，满足细集料在混凝土中的使用要求。

水泥品质说明：水泥作为混凝土的重要胶凝材料，我们选用了两种品质上乘的水泥，分别是娲石水泥有限公司生产的娲石牌P.O 42.5级水泥和湖北华新水泥有限公司生产的同品牌同级别水泥。这两种水泥均具有较高的强度和良好的稳定性，能够满足混凝土施工的各项要求。

粉煤灰品质介绍：粉煤灰方面，我们采用了湖北华电西塞山发电有限公司生产的F类I级粉煤灰。该粉煤灰具有较高的活性指数和较低的烧失量，能够有效提升混凝土的各项性能。

外加剂选用说明：外加剂对于混凝土的性能提升同样至关重要。本次我们选用的外加剂为湖北聚福德建材科技有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂（JFD-9000标准型）。该减水剂具有优异的减水性能、增强效果和良好的工作性，能够显著提升混凝土的流动性和强度。

综上所述，本次混凝土配料采用了高品质的原材料，通过科学的配比和掺配，旨在制备出性能优异的混凝土，以满足各类工程需求。

2.2试验方案

通过室内混凝土试拌和现场箱梁预制相结合、以及加不加减水剂和不同水泥的胶砂强度试验，对试验数据结果进行汇总统计分析。试验配合比见表一，胶砂配合比见表二。

表一：C50配合比

表二：胶砂配合比

2.3研究内容

（1）粉煤灰对箱梁外观的影响，（2）含气量对箱梁外观的影响和对混凝土容重的影响，（3）蒸养对箱梁早期强度的影响，（4）减水剂中不同掺量保坍和缓凝对混凝土的保坍时间、滞后的影响，（5）减水剂与水泥适应性对混凝土强度的影响。

2.4试验结果统计与分析

2.4.1粉煤灰对箱梁外观的影响

经过一系列详尽的室内混凝土试拌实验（包括掺入粉煤灰与不掺入粉煤灰的对比试验）以及现场箱梁预制过程的观察与分析，我们得出了以下结论：

在混凝土中掺入粉煤灰后，其外观呈现出明显的发黑现象，且箱梁表面易于形成黑色条纹及黑白色差。相比之下，未掺入粉煤灰的混凝土外观较为洁白，箱梁表面颜色均匀一致，既无色差也无黑色条纹的出现。进一步的研究发现，当降低粉煤灰的掺量或采用矿粉等替代性粉料时，上述发黑、色差及黑色条纹的问题得到了有效的缓解。

通过调整粉煤灰的掺量或引入其他粉料作为替代，可以显著改善箱梁的外观质量，减少发黑、黑色条纹及色差等问题的发生，从而提升箱梁的整体美观度和观赏性。这一发现对于优化混凝土配比、提升工程质量具有重要的指导意义。

2.4.2含气量对箱梁外观的影响和对混凝土容重的影响

在预制箱梁混凝土浇筑的过程中，参考《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080-2016中的含气量试验和表观密度试验，进行混凝土的含气量和表观密度试验 ，试验结果见图一。

图一：含气量与表观密度关系曲线

经过系统的试验观测与详尽的数据分析，我们得出以下结论：当混凝土中的含气量维持在3.5%至4.5%的区间内时，箱梁表面的气泡数量达到最少，且混凝土的容重偏差能够严格控制在设计容重的±2%误差范围之内。这一发现表明，在该含气量范围内，混凝土的物理性能表现最优。

进一步地，当混凝土中的含气量超过5.0%时，我们观察到混凝土的容重呈现出显著的下降趋势，同时箱梁表面的气泡数量也随之增加，特别是在施工中的薄弱环节——翼板区域，气泡现象尤为突出。这一变化揭示了含气量过高对混凝土性能及箱梁外观质量的负面影响。

在模板脱模剂的选择方面，我们对油性脱模剂与水性脱模剂进行了对比试验。结果显示，采用水性脱模剂的箱梁表面气泡数量明显少于使用油性脱模剂的情况。这一发现为优化箱梁外观质量提供了新的思路。

综上所述，通过精确控制混凝土的含气量，我们可以有效地调控混凝土的容重，并显著减少箱梁表面的气泡数量。同时，选择使用水性脱模剂作为模板的脱模介质，能够进一步降低箱梁外观的气泡产生，从而提升整体工程质量。这些结论为混凝土施工中的质量控制提供了重要的理论依据和实践指导。

2.4.3蒸养对箱梁早期强度的影响

在箱梁浇筑作业完成后，需严格遵循8至10小时的时间窗口进行拆模及凿毛处理，以确保施工流程的紧凑性与效率。随后，利用移动台车将箱梁移送至蒸养箱内进行一个完整的养护周期，该周期包括升温阶段4小时、恒温阶段4小时以及降温阶段4小时。养护周期结束后，箱梁被转移至喷淋区域进行为期一天的喷淋养护，紧接着进入自然养生区再养护一天。这一系列养护措施旨在确保箱梁的最终强度能够达到或超过设计强度的90%，以满足结构安全及性能要求。

为了深入探究蒸养工艺对箱梁强度的影响，我们进行了对比试验：选取同一天、同一时间段浇筑的箱梁，一部分进行蒸养处理，另一部分则直接推入喷淋区进行自然养生。回弹试验结果揭示了一个有趣的现象：在8至9月份，经过蒸养的箱梁强度反而低于未蒸养的箱梁。

经过细致的分析与排查，我们发现蒸养蓬存在密闭不严的问题，导致热气泄露，影响了蒸养效果。此外，蒸养设备采用的是新型干蒸法装置，该装置通过加热少量水产生热气，并通过管道传输至蒸养蓬内，同时在蒸养蓬内增设喷淋系统以调节湿度，旨在同时满足温度与湿度的养护要求。然而，试验结果显示，蒸养蓬内的温度和湿度均未能达到预期的蒸养标准（

具体数据见图二：新型干蒸法蒸养箱温湿度图），这直接导致了箱梁前期的强度发展不足，无法满足张拉作业的要求。

相比之下，其他项目采用的传统湿蒸法（即直接利用蒸汽进行蒸养）则表现出了显著的优越性（以及图三：传统湿蒸法温湿度图）。在一个完整的蒸养周期结束后，采用湿蒸法的箱梁强度均能达到或超过设计强度的90%，充分证明了湿蒸法在提升箱梁前期强度方面的有效性。

图二：新型干蒸法蒸养箱温湿度图

图三：传统湿蒸法温湿度图

本研究表明，传统的湿蒸法在促进箱梁前期强度提升、满足张拉要求方面更具优势。因此，在箱梁养护工艺的选择上，应优先考虑采用湿蒸法，以确保箱梁的结构安全与性能达标。

2.4.4减水剂中不同掺量保坍和缓凝对混凝土的保坍时间、滞后的影响

严格按配合比进行拌和，砼拌和后用砼输送车运输，到达位置后卸入料斗内，现场采用料斗循环放料，放料时现场对混凝土坍落度进行检测，混凝土坍落度控制在160～200mm检测合格后采用龙门吊机起吊入模。

在浇筑过程中，经与现场技术员沟通和试验检测发现，在环境温度较高时，混凝土塌落度损失过快，经历15分钟塔损80mm，塔损曲线见图四。在外界环境温度较低时，混凝土出机坍落度不能反应真实情况，出现反大现象和滞后现象；并且混凝土在实际生产过程中，发现混凝土存在稠度变化十分大，包裹性也不是很好。

图四：坍损曲线

经过广泛的室内混凝土试拌试验，并与外加剂生产厂家进行了深入的沟通与协作，对减水剂的配方进行了持续的优化调整，旨在实现减水剂与水泥之间的最佳适应性。在不改变减水剂掺量或仅在最小范围内调整其掺量的前提下，我们成功达到了以下目标：在环境温度较高的情况下，混凝土的保坍时间能够满足现场施工的实际需求；而在外界环境温度较低时，则能有效避免混凝土出现反坍落度增大（即“反大”）或凝结时间滞后等不良现象。这一系列措施的实施，对于有效控制混凝土的质量，进而确保箱梁施工的整体质量，起到了至关重要的作用。通过这一系列精细化的调控与优化，我们为箱梁施工提供了坚实的质量保障。

2.4.5减水剂与水泥适应性对混凝土强度的影响

预制箱梁强度以28天标准养护立方体试件（150×150×150）抗压强度为准。28天标准养护试件做抗压试验时，其强度偏低（28天强度见图五 ），达不到设计强度的1.15倍，不满足《混凝土强度检验评定标准》GB50107-2010的要求。

图五：标准养护28天试件强度

针对混凝土强度未达预期的问题，经严格检测分析，发现所采用的娲石水泥在三天龄期时的强度显著偏低，具体数值为22.4MPa，未达到预期标准。为进一步探究原因，我们进行了系列对比试验，其中包括添加与否减水剂以及采用不同品牌水泥的胶砂强度测试。试验结果显示，聚福德品牌的减水剂与娲石牌水泥的相容性表现不佳，相比之下，与华新牌水泥的反应则更为理想（具体数据见图六：娲石水泥三天胶砂强度对比图，以及图七：华新水泥三天胶砂强度对比图）。

鉴于上述发现，我们立即与娲石水泥生产厂家进行了深入沟通，明确提出了提升水泥前期强度的要求，以确保混凝土施工质量的稳定性。同时，我们也向外加剂生产厂家提出了调整其配方以适应当前水泥特性的需求，旨在实现减水剂与水泥之间的最佳相容性，从而有效提升箱梁的强度。

在此基础上，我们同步启动了配合比的重新设计工作，决定更换为华新牌水泥，以期进一步提升施工质量的整体水平。这一系列举措不仅体现了对材料选择与配比优化的严谨态度，也彰显了我们对提升工程质量与性能的不懈追求。通过这一系列科学、系统的改进措施，我们有信心能够显著提升混凝土的强度，确保箱梁施工质量的稳步提升。

图六：娲石牌水泥3天胶砂强度

图七：华新牌水泥3天胶砂强度

3结论

（1）通过精确调控减水剂中的缓凝组分与保坍组分，可以有效优化混凝土的坍落度损失特性，并缓解其滞后效应，从而确保混凝土在工作性上的稳定性。

（2）对减水剂中的引气组分进行适当调整，能够显著改善混凝土的容重指标，并有效减少混凝土试件表面的小气泡数量。同时，采用水性脱模剂有助于促进混凝土内部小气泡的排出，进一步提升混凝土外观质量。

（3）在混凝土中掺入高含碳量的粉煤灰，可能会在浇筑过程中引发黑色条纹的形成，并导致明显的颜色过渡现象（即黑白相间），这可能对混凝土建筑物的整体美观性产生不利影响。

（4）试验结果表明，聚福德减水剂与娲石水泥的相容性相对较差，这导致在28天标准养护条件下成型的混凝土立方体试件强度偏低。相比之下，聚福德减水剂与华新水泥的适应性较好，所成型的混凝土立方体试件在相同养护条件下的强度表现更为优异。

（5）通过精确调整减水剂的组分及其掺量比例，可以实现对混凝土流动度的有效控制，防止其发生大幅度的波动，从而确保混凝土在施工过程中具有良好的工作性能。

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