1 前 言
高性能混凝土(HPC)是具有高强度(C60)、高工作性(泵送、免振、自流平)及高耐久性(使用寿命不小于100年)的混凝土。
发展高性能混凝土是21世纪我国混凝土工业的主要任务之一。把高效减水剂和高性能混凝土的发展联系在一起，是因为混凝土达到高性能的最重要的途径是使用优质的高效减水剂和矿物外加剂(亦称矿物外加掺料)。前者能降低混凝土的水灰比，增大混凝土坍落度损失，赋予混凝土高密实度和优异施工性能；后者能填充胶凝材料的孔隙，参与胶凝材料的水化，改善混凝土的界面结构，提高混凝土密实性、强度和耐久性。可以说，20世纪90年代高效减水剂和矿物外加剂的开发应用，使混凝土进入了高性能时代。
2 高效减水剂的作用机理
高效减水剂大都属于高分子阴离子表面活性剂。在其很长的碳氢链上含有极性基，由于定向吸附于水化的水泥颗粒表面，形成了双电层，使Zeta电位增大，水泥颗粒之间的排斥力增加，促进水泥浆体中的絮凝结构分散解体释放出自由水，使水泥浆流动性增加。在和易性相近时，可以降低水灰比，达到减水的目的，从而改善混凝土的内部结构，提高混凝土的强度和耐久性能。
3 高效减水剂的品种
高效减水剂的品种以原料来分，可分为下列几类：
(1)以萘为原料的萘磺酸钠甲醛缩合物；
(2)以三聚氰胺为原料的磺化三聚氰胺甲醛树脂；
(3)以甲基萘为原料的聚次甲基萘磺酸钠；
(4)以蒽油为原料的聚次甲蒽磺酸钠；
(5)以古马隆为原料的氧茚树脂磺酸钠；
(6)以栲胶为原料的高效减水剂；
(7)其它，如最近研究开发的有胺基磺酸盐。
4 在高性能混凝土中的应用
4.1 高效减水剂在C60高强混凝土中的应用
高效减水剂在工程中主要用于C60高强混凝土预应力梁、预应力叠合板、挂板等预制构件，应用的混凝土量为3980 m3，减水剂使用量为37.7 t。
4.1.1 高效减水剂在混凝土中的作用
(1)当混凝土配合比一定时，在保持坍落度和水泥用量不变的条件下，减少混凝土拌合水量近25％，极大地提高了混凝土结构的密实性和强度。
(2)在保持混凝土坍落度和强度不变时，可减少单方混凝土的水泥用量和25％的拌合水量，从而减少混凝土本身的收缩及温度变化(特指水化热引起的温度变化)带来的各种体积变化。
(3)在保持混凝土单方用水量不变的条件下，大幅度增加混凝土拌合物的坍落度，改善混凝土拌合物的和易性，从而极大地提高了混凝土结构的耐久性。
4.1.2 应用高效减水剂的经济效果
(1)在平均50 ℃低温蒸汽养护条件下，仅10 h即可达到预应力放张要求强度值，缩短蒸汽养护时间14 h，节省燃煤费用58.3％。
(2)利用低温蒸汽养护下混凝土强度增长速度快的特点，减少钢模板总投入量的30％～40％。
(3)缩短施工时间约80 d，节约人工费支出约26.6％。
(4)利用高效减水性能和采用Ⅰ级粉煤灰按等量代换法取代水泥400余t。
(5)通过利用高效减水剂在低用水量前提下提高混凝土浇筑坍落度，不仅彻底解决了漏振的通病，而且提高了混凝土强度的保证率，保证了该批预应力梁构件的质量。
4.2 高效减水剂在C80高性能混凝土中的应用
4.2.1 C80高性能混凝土的特点
(1)高强度；(2)高工作性：坍落度200～250 mm；(3)高耐久性：抗渗标号大于P30，抗冻性高，抗腐蚀性强；(4)高体积稳定性：弹性模量高达40～50 MPa，干缩率低于0.04 ％。
4.2.2 C80高性能混凝土配合比及性能指标
配合比和性能指标分别见表1、表2。
表1 C80高性能混凝土配合比 kg/m3
4.2.3 混凝土工作性能
不离析、不泌水、坍落度损失小，满足施工要求。
4.2.4 C80高性能混凝土施工注意事项
(1)混凝土搅拌车装料前清洗搅拌筒，并把筒内积水排清，严格控制拌合水量，高性能混凝土搅拌投料顺序为：将水泥、掺合料、砂及水混合搅拌40 s，然后加入外加剂、砂浆、石子及水，搅拌40 s出料。
(2)运输途中，拌筒以1～3 r／min速度进行搅动，卸料前，拌筒以8～12 r／min速度转1～2 min，再反转卸料，以保证混凝土充分的拌合。现场抽样时，应以搅拌车卸料1/4～3/4的混凝土为代表，且坍落度损失小于20 mm。
(3)浇筑混凝土时，混凝土自由下落高度不大于2 m，否则用串筒投料。
(4)混凝土分层浇筑，分层厚度不大于1 m，分层振捣，振捣间距不大于800 mm，振动时间每点控制在20～30 s，以混凝土表面呈现浮浆和不再沉落、不冒出气泡为止。浇筑混凝土应连续进行，应在前层初凝之前将次层混凝土浇筑完毕。
(5)充分的湿养护，养护时间不小于7 d，混凝土抹面后应立即覆盖，防止风干和日晒失水。
4.3 型多功能复合高效减水剂在C80高性能混凝土中的应用
4.3.1 原材料的选择
(1)水泥：邯郸525＃普通水泥。
(2)粗骨料：选用质地坚硬、表面粗糙、级配良好的河北三河机制碎石，粒径5～20 mm。
(3)砂子：采用洁净、级配良好的昌平龙凤山的中粗砂，Mx=3.0。
(4)拌合水采用自来水。
(5)外加剂：高效减水剂是配制高性能混凝土的技术关键，减水剂的减水率应在25％以上，以减少用水量，降低水灰比，大幅度提高混凝土强度。为此选择国内最常用的萘系高效减水剂分别与缓凝剂、分散剂、稳定剂、早强剂、高强剂等组分改性合成，配制成YGU－F3型多功能复合高效减水剂。
(6)掺合料：选择一种活性二氧化硅含量高、颗粒极细的掺合料，与另一种矿物组分复合。复合物掺量为6％～10％，其在混凝土中能填充水泥颗粒间及水泥与集料间的空隙，起“微集料”的作用。同时这些微粒与游离氧化钙、高碱性水化硅酸钙产生二次反应，生成低碱性水化硅酸钙。
4.3.3 混凝土配合比(见表3)
4.3.4 混凝土拌合物性能试验
(1)坍落度对比试验。在配合比和用水量不变的情况下，掺入YGU－F3后混凝土的塌落度可比基准混凝土提高210～225 mm。
(2)掺入减水剂的混凝土，其凝结时间比基准混凝土延缓2～3 h。这2～3 h的缓凝时间和2 h内不足15％的坍落度损失率给商品混凝土施工提供了极大的方便。同时对高强混凝土因水泥用量较高，过早出现水泥水化热高峰起到了抑制作用。
(3)通过实验测定，新拌混凝土的含气量达1.7％～2.5％。经振捣，气泡溢出，含气量降至0.7％～1.0％。所以在施工浇注过程中，应将混凝土充分振捣，使其密实，含气量降至最低限度。
(4)试验测得泌水值在80～150 ml，表明混凝土具有良好可泵性。
4.3.5 硬化混凝土性能试验
(1)抗渗性试验：抗渗标号达S35以上，可用于钢筋混凝土自防水结构。
(2)混凝土收缩性试验：各龄期的收缩率均小于普通混凝土，收缩率随时间的增长而增长，90 d的收缩率在(1.20～1.50)×10－4左右。通过理论计算，C80混凝土极限收缩值约为6.10×10－4，低于9.30×10－4的极限收缩要求。
(3)碳化速度对比试验：将C80混凝土试件与普通C30混凝土试件同时置于自然环境中，90 d测其碳化深度，C80混凝土的碳化深度为0，而普通C30混凝土碳化深度达到8～10 mm，证明高性能混凝土具有良好的护筋性。
(4)混凝土含碱量测定：由于C80高性能混凝土水泥用量高，为防止碱集料反应，应严格控制各组分带入混凝土的含碱量，尤其是外加剂。经检测高性能C80混凝土碱含量为0.762 kg/m3，满足混凝土碱含量要求。
(5)静力模量平均值为4.76×104 MPa，由于采用了高效减水剂，降低了水灰比，且由于集料与水泥石的粘结强度提高以及初始结构缺陷减少，使微裂缝开始形成的时间推迟，对工程结构有利。
(6)抗冻融性能试验：由于水灰比小，强度高，结构致密，抗冻融性能好，经150次冻融循环后强度损失率仅2.5％～3.1％，远低于普通混凝土。
(7)其它力学性能试验：试验表明，随着混凝土抗压强度的提高，混凝土抗折强度、轴心抗压强度、抗劈拉强度和弹性模量也随着提高。
现将目前高效减水剂研究开发的热点介绍如下：
5.1 聚羟酸盐系
(1)烯烃—马来酸碱共聚物
这是一种非水溶性的反应性高分子的微细粒子，在碱性介质中才慢慢转化为水溶性的高分子聚合物。这种化合物以缓慢释放的方式来防止混凝土坍落度损失。
(2)丙烯酸氨共聚物
这种共聚物对水泥粒子有很强的分散能力，在低水胶比(0.2)的情况下，采用该种外加剂比掺萘系有更好的流动性。这种性能与丙烯酸氨共聚物的化学结构有关。影响这种性能的因素包括分子量，磺酸基、羟基和阴离子的比例。
5.2 氨基磺酸盐系
为了配制高强高性能混凝土的需要，有时将分散性(减水剂)成分和保持分散性成分或将具有保持分散性(减水剂)的成分复合在一起，以求得更好的效果。
高性能混凝土(HPC)是具有高强度(C60)、高工作性(泵送、免振、自流平)及高耐久性(使用寿命不小于100年)的混凝土。
发展高性能混凝土是21世纪我国混凝土工业的主要任务之一。把高效减水剂和高性能混凝土的发展联系在一起，是因为混凝土达到高性能的最重要的途径是使用优质的高效减水剂和矿物外加剂(亦称矿物外加掺料)。前者能降低混凝土的水灰比，增大混凝土坍落度损失，赋予混凝土高密实度和优异施工性能；后者能填充胶凝材料的孔隙，参与胶凝材料的水化，改善混凝土的界面结构，提高混凝土密实性、强度和耐久性。可以说，20世纪90年代高效减水剂和矿物外加剂的开发应用，使混凝土进入了高性能时代。
2 高效减水剂的作用机理
高效减水剂大都属于高分子阴离子表面活性剂。在其很长的碳氢链上含有极性基，由于定向吸附于水化的水泥颗粒表面，形成了双电层，使Zeta电位增大，水泥颗粒之间的排斥力增加，促进水泥浆体中的絮凝结构分散解体释放出自由水，使水泥浆流动性增加。在和易性相近时，可以降低水灰比，达到减水的目的，从而改善混凝土的内部结构，提高混凝土的强度和耐久性能。
3 高效减水剂的品种
高效减水剂的品种以原料来分，可分为下列几类：
(1)以萘为原料的萘磺酸钠甲醛缩合物；
(2)以三聚氰胺为原料的磺化三聚氰胺甲醛树脂；
(3)以甲基萘为原料的聚次甲基萘磺酸钠；
(4)以蒽油为原料的聚次甲蒽磺酸钠；
(5)以古马隆为原料的氧茚树脂磺酸钠；
(6)以栲胶为原料的高效减水剂；
(7)其它，如最近研究开发的有胺基磺酸盐。
4 在高性能混凝土中的应用
4.1 高效减水剂在C60高强混凝土中的应用
高效减水剂在工程中主要用于C60高强混凝土预应力梁、预应力叠合板、挂板等预制构件，应用的混凝土量为3980 m3，减水剂使用量为37.7 t。
4.1.1 高效减水剂在混凝土中的作用
(1)当混凝土配合比一定时，在保持坍落度和水泥用量不变的条件下，减少混凝土拌合水量近25％，极大地提高了混凝土结构的密实性和强度。
(2)在保持混凝土坍落度和强度不变时，可减少单方混凝土的水泥用量和25％的拌合水量，从而减少混凝土本身的收缩及温度变化(特指水化热引起的温度变化)带来的各种体积变化。
(3)在保持混凝土单方用水量不变的条件下，大幅度增加混凝土拌合物的坍落度，改善混凝土拌合物的和易性，从而极大地提高了混凝土结构的耐久性。
4.1.2 应用高效减水剂的经济效果
(1)在平均50 ℃低温蒸汽养护条件下，仅10 h即可达到预应力放张要求强度值，缩短蒸汽养护时间14 h，节省燃煤费用58.3％。
(2)利用低温蒸汽养护下混凝土强度增长速度快的特点，减少钢模板总投入量的30％～40％。
(3)缩短施工时间约80 d，节约人工费支出约26.6％。
(4)利用高效减水性能和采用Ⅰ级粉煤灰按等量代换法取代水泥400余t。
(5)通过利用高效减水剂在低用水量前提下提高混凝土浇筑坍落度，不仅彻底解决了漏振的通病，而且提高了混凝土强度的保证率，保证了该批预应力梁构件的质量。
4.2 高效减水剂在C80高性能混凝土中的应用
4.2.1 C80高性能混凝土的特点
(1)高强度；(2)高工作性：坍落度200～250 mm；(3)高耐久性：抗渗标号大于P30，抗冻性高，抗腐蚀性强；(4)高体积稳定性：弹性模量高达40～50 MPa，干缩率低于0.04 ％。
4.2.2 C80高性能混凝土配合比及性能指标
配合比和性能指标分别见表1、表2。
表1 C80高性能混凝土配合比 kg/m3
525#水泥
中砂
碎石(5～20 mm)
水
磨细矿渣(6000m2/kg)
粉煤灰 Ⅰ级
减水剂
420
590
1100
160
120
52
0.63
表２ Ｃ80高性能混凝土性能指标
中砂
碎石(5～20 mm)
水
磨细矿渣(6000m2/kg)
粉煤灰 Ⅰ级
减水剂
420
590
1100
160
120
52
0.63
表２ Ｃ80高性能混凝土性能指标
水胶比/%
砂率/%
坍落度/mm
初凝时间/h
抗压强度/MPa
3 d
7 d
28 d
60 d
0.27
35.0
220～240
8～9
60
71
74
103
砂率/%
坍落度/mm
初凝时间/h
抗压强度/MPa
3 d
7 d
28 d
60 d
0.27
35.0
220～240
8～9
60
71
74
103
4.2.3 混凝土工作性能
不离析、不泌水、坍落度损失小，满足施工要求。
4.2.4 C80高性能混凝土施工注意事项
(1)混凝土搅拌车装料前清洗搅拌筒，并把筒内积水排清，严格控制拌合水量，高性能混凝土搅拌投料顺序为：将水泥、掺合料、砂及水混合搅拌40 s，然后加入外加剂、砂浆、石子及水，搅拌40 s出料。
(2)运输途中，拌筒以1～3 r／min速度进行搅动，卸料前，拌筒以8～12 r／min速度转1～2 min，再反转卸料，以保证混凝土充分的拌合。现场抽样时，应以搅拌车卸料1/4～3/4的混凝土为代表，且坍落度损失小于20 mm。
(3)浇筑混凝土时，混凝土自由下落高度不大于2 m，否则用串筒投料。
(4)混凝土分层浇筑，分层厚度不大于1 m，分层振捣，振捣间距不大于800 mm，振动时间每点控制在20～30 s，以混凝土表面呈现浮浆和不再沉落、不冒出气泡为止。浇筑混凝土应连续进行，应在前层初凝之前将次层混凝土浇筑完毕。
(5)充分的湿养护，养护时间不小于7 d，混凝土抹面后应立即覆盖，防止风干和日晒失水。
4.3 型多功能复合高效减水剂在C80高性能混凝土中的应用
4.3.1 原材料的选择
(1)水泥：邯郸525＃普通水泥。
(2)粗骨料：选用质地坚硬、表面粗糙、级配良好的河北三河机制碎石，粒径5～20 mm。
(3)砂子：采用洁净、级配良好的昌平龙凤山的中粗砂，Mx=3.0。
(4)拌合水采用自来水。
(5)外加剂：高效减水剂是配制高性能混凝土的技术关键，减水剂的减水率应在25％以上，以减少用水量，降低水灰比，大幅度提高混凝土强度。为此选择国内最常用的萘系高效减水剂分别与缓凝剂、分散剂、稳定剂、早强剂、高强剂等组分改性合成，配制成YGU－F3型多功能复合高效减水剂。
(6)掺合料：选择一种活性二氧化硅含量高、颗粒极细的掺合料，与另一种矿物组分复合。复合物掺量为6％～10％，其在混凝土中能填充水泥颗粒间及水泥与集料间的空隙，起“微集料”的作用。同时这些微粒与游离氧化钙、高碱性水化硅酸钙产生二次反应，生成低碱性水化硅酸钙。
4.3.3 混凝土配合比(见表3)
表3 混凝土配合比 kg/m3
水泥
水
砂子
石子
掺合料
减水剂
480
165
686
1119
55
21.4
水
砂子
石子
掺合料
减水剂
480
165
686
1119
55
21.4
4.3.4 混凝土拌合物性能试验
(1)坍落度对比试验。在配合比和用水量不变的情况下，掺入YGU－F3后混凝土的塌落度可比基准混凝土提高210～225 mm。
(2)掺入减水剂的混凝土，其凝结时间比基准混凝土延缓2～3 h。这2～3 h的缓凝时间和2 h内不足15％的坍落度损失率给商品混凝土施工提供了极大的方便。同时对高强混凝土因水泥用量较高，过早出现水泥水化热高峰起到了抑制作用。
(3)通过实验测定，新拌混凝土的含气量达1.7％～2.5％。经振捣，气泡溢出，含气量降至0.7％～1.0％。所以在施工浇注过程中，应将混凝土充分振捣，使其密实，含气量降至最低限度。
(4)试验测得泌水值在80～150 ml，表明混凝土具有良好可泵性。
4.3.5 硬化混凝土性能试验
(1)抗渗性试验：抗渗标号达S35以上，可用于钢筋混凝土自防水结构。
(2)混凝土收缩性试验：各龄期的收缩率均小于普通混凝土，收缩率随时间的增长而增长，90 d的收缩率在(1.20～1.50)×10－4左右。通过理论计算，C80混凝土极限收缩值约为6.10×10－4，低于9.30×10－4的极限收缩要求。
(3)碳化速度对比试验：将C80混凝土试件与普通C30混凝土试件同时置于自然环境中，90 d测其碳化深度，C80混凝土的碳化深度为0，而普通C30混凝土碳化深度达到8～10 mm，证明高性能混凝土具有良好的护筋性。
(4)混凝土含碱量测定：由于C80高性能混凝土水泥用量高，为防止碱集料反应，应严格控制各组分带入混凝土的含碱量，尤其是外加剂。经检测高性能C80混凝土碱含量为0.762 kg/m3，满足混凝土碱含量要求。
(5)静力模量平均值为4.76×104 MPa，由于采用了高效减水剂，降低了水灰比，且由于集料与水泥石的粘结强度提高以及初始结构缺陷减少，使微裂缝开始形成的时间推迟，对工程结构有利。
(6)抗冻融性能试验：由于水灰比小，强度高，结构致密，抗冻融性能好，经150次冻融循环后强度损失率仅2.5％～3.1％，远低于普通混凝土。
(7)其它力学性能试验：试验表明，随着混凝土抗压强度的提高，混凝土抗折强度、轴心抗压强度、抗劈拉强度和弹性模量也随着提高。
现将目前高效减水剂研究开发的热点介绍如下：
5.1 聚羟酸盐系
(1)烯烃—马来酸碱共聚物
这是一种非水溶性的反应性高分子的微细粒子，在碱性介质中才慢慢转化为水溶性的高分子聚合物。这种化合物以缓慢释放的方式来防止混凝土坍落度损失。
(2)丙烯酸氨共聚物
这种共聚物对水泥粒子有很强的分散能力，在低水胶比(0.2)的情况下，采用该种外加剂比掺萘系有更好的流动性。这种性能与丙烯酸氨共聚物的化学结构有关。影响这种性能的因素包括分子量，磺酸基、羟基和阴离子的比例。
5.2 氨基磺酸盐系
为了配制高强高性能混凝土的需要，有时将分散性(减水剂)成分和保持分散性成分或将具有保持分散性(减水剂)的成分复合在一起，以求得更好的效果。