［摘要］简要论述了高性能混凝土对原材料及配合比设计的基本要求。针对湛江海湾大桥47＃ 墩主塔结构工程特点、施工现状和所处环境特点，讨论了其对混凝土新拌阶段性能、凝结时间、硬化后性能的设计要求。通过系列试验对比了采用2种萘系减水剂和1种聚羧酸系减水剂所配制混凝土的各项性能，认为聚羧酸系减水剂由于减水率高、控制坍落度损失能力强、对凝结时间影响较小，所配制混凝土早期强度发展迅速、抗Cl－ 渗透性好等优点，完全满足工程设计要求。解释了聚羧酸系减水剂在流动性保持方面优于萘系减水剂的机理。实际施工表明，聚羧酸系减水剂用于该大桥主塔高性能混凝土不仅具有良好的技术效益，而且经济效益亦十分明显。
高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）是强度满足实际工程需要，具有良好工作性，体积稳定性好，耐久性优异的混凝土，是各工程领域混凝土材料的最新发展方向。目前，高性能混凝土已受到国内外工程界广泛关注，并开始在实际工程中应用，尤其是在大跨度桥梁、沿海海工工程中。一般来说，高性能混凝土配制时均掺加高性能减水剂和适量的高性能矿物掺合料，且其水胶比要求低于0.38。这样，高性能混凝土的水泥石中毛细孔孔径非常细小，且硬化水泥浆体矿物组成更加合理，集料浆体界面结构得到优化，因此具有较高的抗渗性、抗化学侵蚀性和抗碳化性等。
对于具体工程，面对众多品种的掺合料和外加剂，要使采用的配合比适合于工程施工工艺要求的工作性和良好的力学、耐久性，必须在混凝土材料科学基本理论的指导下，进行大量的试验研究。单就减水剂品种来说，为满足高性能混凝土在低水胶比和大流动性方面的要求，则聚羧酸系高性能减水剂作为新一代减水剂，应为首选外加剂。然而，由于聚羧酸系减水剂生产成本相对较高，单价也高于萘系高效减水剂，一定程度上影响了实际工程应用者的积极性。本文介绍了湛江海湾大桥47＃ 墩主塔高性能混凝土的原材料性能、混凝土配合比优化试验，以及优化混凝土配合比的基本性能和施工应用效果，尤其是对比了掺聚羧酸系减水剂和萘系减水剂所配制混凝土的各项性能，分析了聚羧酸系减水剂用于该工程高性能混凝土取得的技术和经济效益，揭示了聚羧酸系减水剂在流动性保持方面优于萘系减水剂的机理，希望广大工程界有所参考。
湛江海湾大桥位于粵西湛江地区，大桥始于湛江市坡头区，在湛江平乐渡口上游1.3km 处跨越麻斜海湾，终于湛江市乐山大道，全长4.023km。该大桥47＃ 墩主塔为大半径曲线火炬状钢筋混凝土结构，单箱单室截面，塔底高程为＋4.5m，塔顶高程为＋159.61m，自桥面以上塔高为103m。整个主塔由下塔柱、横梁、中塔柱、锚固区和塔尖组成。该主塔设计采用C50高性能混凝土进行浇注，共需7972m3混凝土。
因该大桥主塔高程103m，加之结构物形体异常复杂，内部配筋密集，预埋件、预应力孔道位置复杂交错，施工工艺难度很高。因此，必须采用具有优异施工性的混凝土拌合物进行浇注。再者，由于该工程地处Cl－ 侵蚀地区，所浇注混凝土必须具有足够的抗Cl－ 渗透性和抗钢筋锈蚀性，才能满足其高耐久性要求和延长工程服役寿命。
考虑到该主塔的设计使用年限和实际浇注施工条件，工程施工单位会同设计、监理和材料单位参考了大量文献，经反复研究，对混凝土配合比及其性能提出了以下具体要求：1）混凝土的设计强度等级为C50，但3d龄期抗压强度必须达到设计强度的90%以上，28d龄期抗压强度不得低于60MPa；2）混凝土具有优异的工作性（流动性大，粘聚性好，不离析、不泌水），能满足垂直高度160m 连续泵送的要求，混凝土拌合物出机坍落度设计为（180～200）mm，运输至浇筑地点时应能保持在（170～190）mm，也即混凝土的经时坍落度损失小（1h经时损失值小于30mm），但凝结时间不得过长，初凝时间为（8～10）h，终凝时间与初凝时间间隔尽量缩短。3）混凝土用水量不得超过170kg/m3，水胶比（W/B）不得大于0.38；4）混凝土抗Cl－ 渗透性以电通量计必须低于1000库仑（90d龄期）。
3.1 水泥
广西“鱼峰”P.II42.5级水泥，其基本物理力学性能试验结果如表1。
表1 水泥基本性能试验结果
| 项目 | 安定性（试饼法） | 比表面积（m2/kg） | 凝结时间（h：min） | 抗压强度（MPa） | 抗折强度（MPa） |
| 初凝 | 终凝 | 3d | 28d | 3d | 28d |
| 技术要求 | 合格 | ＞300 | ≥0：45 | ≤6：30 | ≥16.0 | ≥42.5 | ≥3.5 | ≥6.5 |
| 试验结果 | 合格 | 356 | 2：35 | 3：21 | 22.8 | 50.0 | 5.3 | 8.3 |
3.2 细集料
湛江吴川林峰砂场产河砂。根据JTGE42－2005《公路工程集料试验规程》进行试验，测得其颗粒级配如表2。可见，该河砂细度模数为2.63，属II区中砂。河砂表观密度2625kg/m3，堆积密度1410kg/m3，含泥量0.8%，泥块含量0.1%。
表2 河砂颗粒级配试验结果
| 筛孔尺寸（mm） | 累计筛余（%） |
| 第一次 | 第一次 |
| 9.5 | 0 | 0 |
| 4.75 | 1.0 | 0.8 |
| 2.36 | 5.4 | 5.8 |
| 1.18 | 15.2 | 15.2 |
| 0.60 | 57.4 | 58.2 |
| 0.30 | 87.0 | 90.8 |
| 0.15 | 98.0 | 98.4 |
| 0.075 | 99.9 | 99.9 |
| 筛底 | 100 | 100 |
3.3 粗集料
湛江坡头产花岗岩碎石。根据JTGE42－2005《公路工程集料试验规程》进行试验，测得其颗粒级配如表3，其它性能指标见表4。可见，该碎石属（5～25）mm 连续级配，含泥量和泥块含量均较低，但发现其形状类似针片的颗粒含量较多，这将在一定程度上影响混凝土拌合物性能，所以必须通过适当调整浆集比和砂率才能改善混凝土拌合物的工作性。
表3 碎石颗粒级配试验结果
| 筛孔尺寸（mm） | 累计筛余（%） |
| 31.5 | 0 |
| 26.5 | 2.4 |
| 19 | 15.8 |
| 16 | 48.3 |
| 9.5 | 81.4 |
| 4.75 | 95.3 |
| 2.36 | 98.9 |
| 筛底 | 100 |
表4 碎石其它性能指标
| 项目 | 表观密度（kg/m3） | 堆积密度（kg/m3） | 含泥量（%） | 泥块含量（%） | 针片状含量（%） | 压碎值指标（%） |
| 试验结果 | 2635 | 1350 | 0.2 | 0.08 | 4.6 | 10.0 |
3.4 掺合料
茂名瑞能电厂粉煤灰，试验结果见表5。可见，其性能指标满足《GB/T1596－2005用于水泥和混凝土的粉煤灰》中II级灰的要求。
表5 粉煤灰性能指标
| 项目细度（%） | 烧失量（%） | SO3 | 含量（%） | 需水量比（%） | 含水率（%） |
| II级灰技术要求 | ≤25 | ≤8.0 | ≤3.0 | ≤105 | ≤1.0 |
| 试验结果 | 16.9 | 5.86 | 1.54 | 103 | 0.1 |
3.5 高效减水剂
混凝土配合比优化试验采用3种高效减水剂，分别是：1）广州FDN－5萘系高效减水剂，液体，含固量35%；2）湛江FDN－880萘系高效减水剂，液体，含固量35%；3）意大利马贝丙烯酸系聚合物SR3（聚羧酸系减水剂），液体，含固量20%。
根据GB8076－1997《混凝土外加剂》标准对3种减水剂进行试验，水泥为本工程所用鱼峰水泥。当按照推荐掺量掺加时，3种减水剂基本性能如表6。可见，SR3 减水剂所有技术指标均达到高效减水剂一等品要求，而FDN－5和FDN－880由于缓凝较严重，除了混凝土1d龄期抗压强度无法得到外，其余性能也均能达到高效减水剂一等品指标要求。
表6 3种高效减水剂性能试验结果
| 项目 | 减水率（%） | 泌水率比（%） | 含气量（%） | 凝结时间差（min） | 抗压强度比（%） |
| 初凝 | 终凝 | 1d | 3d | 7d | 28d |
| 一等品技术要求 | ≥12 | ≤90 | ≤3.0 | －90～＋120 | ≥140 | ≥130 | ≥125 | ≥120 |
| FDN－5 | 19.8 | 51.6 | 1.6 | ＋270 | ＋280 | － | 159 | 143 | 132 |
| FDN－880 | 21.0 | 70.6 | 1.2 | ＋260 | ＋270 | － | 188 | 166 | 150 |
| SR3 | 23.8 | 67.3 | 1.8 | ＋20 | ＋30 | 202 | 192 | 185 | 154 |
注：FDN－5、FDN－880和SR3的掺量分别为1.8%、1.8%和0.8%。
3.6 拌合水
湛江海湾大桥施工现场自采地下水，经检验，其性能符合JTJ041－2000《混凝土拌合物用水》标准。
前已述及，与用于通常施工的混凝土材料相比，湛江海湾大桥47＃ 墩主塔混凝土配合比设计要求具有以下特点：1）必须具备优异的泵送施工性，且初凝时间仅为（8－10）h；2）强度等级较高，且早期强度发展速度快；3）抗Cl－ 渗透性优异；4）体积稳定性好，预防开裂；5）混凝土用水量不得超过170kg/m3，W/B不得大于0.38。因此，在配合比设计优化时，必须全面兼顾这些性能要求，在减水剂的选择、掺合料掺量的确定、胶凝材料的用量等方面进行大量试验和比较、分析，最终得到满足工程实际，同时又具有较好经济性的配合比，供实际施工使用。
4.1 水胶比和胶凝材料用量的初步确定
（1）水胶比W/B
W/B是决定混凝土性能的基本因素，在胶凝材料系统一定的情况下，它不仅决定混凝土的强度，而且对混凝土的抗渗透性有很大影响。对于任何胶凝材料系统，混凝土的强度均随其W/B降低而增大，而渗透性则随其水胶比降低而减小。高性能混凝土配合比设计时，既要在满足施工性前提下，尽可能降低其水胶比，以提高强度，又要考虑水胶比过小可能带来的负面效应，比如胶凝材料水化不完全，混凝土产生自干燥收缩导致开裂等问题。一般来说，用粉煤灰、普通细度的矿渣粉替代部分水泥会降低混凝土自收缩开裂的危害，而用超细矿渣粉和硅灰替代部分水泥，则由于它们早期活性较强，会增加混凝土的自收缩。根据前人试验的结果，认为用粉煤灰替代部分水泥时，可以控制水胶比小于0.38，而水灰比必须大于0.40，才不致于引起自干燥收缩开裂。
（2）胶凝材料用量
在W/B和集料种类、砂率等一定的情况下，混凝土中胶凝材料的组合和用量对其和易性、强度发展速率、耐久性指标等影响较大。
为防止混凝土结构体开裂，必须对高性能混凝土中的水泥用量和胶凝材料用量进行严格限制。根据规范和设计要求，该结构体混凝土中水泥用量不得超过500kg/m3，水泥与活性矿物掺合料总量不得超过550kg/m3。除此之外，要求在混凝土配合比设计中尽量降低水泥用量，而用粉煤灰替代部分水泥。
4.2 粉煤灰替代水泥百分率
由于粉煤灰颗粒尺寸小于水泥颗粒，具有一定的火山灰活性，在混凝土中同时发挥减水效应、微集料填充密实效应和火山灰活性效应。尺寸较小的粉煤灰颗粒对水泥颗粒堆积后产生的空隙起到填充作用，改善混凝土硬化体孔结构，使大孔减少、微孔增多，使孔级配更加合理。另外，粉煤灰的二次火山灰反应吸收部分Ca（OH）2，减少集料浆体界面区的Ca（OH）2 量，减弱集料浆体界面区Ca（OH）2 的定向生长趋势，强化集料浆体界面。这些效应都将全面改善混凝土内部细、微观结构，使混凝土更加密实而提高其抗压力水渗透性和抗Cl－ 渗透性。当粉煤灰代替部份水泥后，水泥用量降低，这样胶凝材料中C3A 含量降低，水化产物Ca（OH）2 也相应减少，因此和硫酸盐反应生成钙矾石的可能性降低，将提高其抗硫酸盐侵蚀性。同时，C3A 含量降低也使胶凝材料水化速率降低，有效降低混凝土水化热引起的温度梯度，减小混凝土内部温度应力，从而减少出现温度裂缝的可能性，提高混凝土的体积稳定性。因此，掺加适量粉煤灰是使混凝土高性能化的根本途径之一。
本试验研究将在保证混凝土施工性、强度发展速率的前提下，尽可能地提高粉煤灰对水泥的替代率。
4.3 砂率的确定
配制高性能混凝土首先应选择高强度的硬质集料，且集料粒度分布应满足最紧密堆积要求。对于给定的砂石集料来说，应通过最紧密堆积试验获得适宜的砂率范围，也即选择最佳砂率，以使粗细集料堆积后空隙率最低。集料的紧密堆积有利于混凝土性能的改善：1）改善混凝土工作性，利于泵送施工；2）在满足施工性要求的前提下，降低浆体量，从而有利于减小收缩变形、降低水化热、防止开裂。
实际施工时，在其它条件一定时，如果集料搭配不合理，也即砂率选择不当，往往导致混凝土拌合物泌水、露石、扒底等后果，不仅施工时易堵泵，而且会严重影响混凝土的浇注密实性及凝结硬化后构筑物的外观和耐久性。一般来说，砂率太小，混凝土拌合物往往保水性差，易离析、露石；而砂率太大，混凝土的拌合物又显得过于干稠、流动性变差而工作性能下降，此时如果通过增加用水量来改善混凝土工作性则又导致混凝土强度降低，或者通过增加胶凝材料来改善混凝土工作性，则又会增加混凝土的收缩和开裂危害。本文根据砂石集料实际颗粒级配情况，通过最紧密堆积法确定了砂率，其范围为：37.0%－39.0%。
4.4 外加剂品种及掺量的确定
高效减水剂是高性能混凝土，尤其是大流动性高性能混凝土中不可缺少的关键组分。掺加适量高效减水剂可在用水量较低的情况下就能使混凝土达到工作性要求，从而提高混凝土的强度和耐久性。然而，不同系列的减水剂，其最佳掺量不同，且在最佳掺量情况下，减水率、流动性保持性、对混凝土凝结时间的影响以及增强效应、收缩率、抵抗Cl－ 渗透性的改善程度均不同。因此，必须通过各种胶凝材料与减水剂的适应性试验，有效降低W/B、减少用水量而提高混凝土的力学性能与耐久性能，并使混凝土具有所要求的流动性、流动性保持性和凝结时间，从而保证混凝土的施工性、正常凝结硬化和强度发展速率。这也是获得高性能混凝土途径的另一方面。
除胶凝材料用量范围和最佳砂率范围的确定试验外，本文重点对粉煤灰在不同替代率情况下，掺加3种高效减水剂的混凝土各项性能进行了试验研究，具体结果如下。
（1）掺加FDN－5减水剂
外加剂采用FDN－5高效减水剂时，当胶凝材料用量固定为520kg/m3，粉煤灰以不同比例等量替代部分水泥，所配制混凝土的新拌阶段及硬化后的性能如表7。
表7 掺FDN－5的混凝土配合比及基本性能
| 编号 | 单位立方混凝土原材料用量（kg/m3） | 初始坍落度（mm） | 拌合物状况 | W/B | 1h后坍落度（mm） | 凝结时间（h：min） | 抗压强度（MPa） |
| C | S | G | W | F | FDN－5 | 初凝 | 终凝 | 3d | 28d |
| T01 | 500 | 654 | 1090 | 170 | 20 | 12.0 | 190 | 工作性能良好、无泌水 | 0.342 | 95 | 09：15 | 11：25 | 48.1 | 63.5 |
| T02 | 490 | 654 | 1090 | 170 | 30 | 12.0 | 190 | 工作性能良好、无泌水 | 0.342 | 95 | 09：25 | 11：20 | 46.8 | 62.6 |
| T03 | 480 | 654 | 1090 | 170 | 40 | 12.0 | 185 | 工作性能良好、无泌水 | 0.342 | 90 | 09：40 | 11：25 | 45.9 | 59.8 |
| T04 | 470 | 654 | 1090 | 175 | 50 | 12.0 | 175 | 流动性一般、无泌水 | 0.352 | 75 | 09：55 | 11：30 | 44.2 | 58.5 |
| T05 | 460 | 654 | 1090 | 175 | 60 | 12.0 | 170 | 流动性一般、无泌水 | 0.352 | 70 | 10：05 | 11：45 | 43.6 | 56.4 |
| T06 | 450 | 654 | 1090 | 175 | 70 | 12.0 | 165 | 流动性一般、无泌水 | 0.352 | 55 | 10：20 | 12：05 | 42.5 | 55.8 |
可见，1）掺加FDN－5减水剂的情况下，当用水量固定为170kg/m3（也即W/B＝0.327）时，T04至T06混凝土拌合物的初始坍落度均小于工程要求的180mm，只有T01－T03混凝土拌合物的初始坍落度满足要求。2）在FDN－5减水剂掺量一定和W/B固定情况下，混凝土初始坍落度随着粉煤灰替代水泥百分率的增加而减小，这说明FDN－5减水剂与掺合料存在适应性问题，具体原因请见文献。3）本文以水泥和粉煤灰组成的胶凝材料系统，当掺加FDN－5减水剂时，没有出现泌水现象。4）掺加FDN－5减水剂的混凝土坍落度经时损失较大，混凝土拌合物停放1h后的坍落度已经无法满足泵送施工要求，同时发现，随着粉煤灰替代水泥百分率的增加，坍落度经时损失速率加快，其原因在文献中也有详细的解释。5）混凝土凝结时间随着粉煤灰替代水泥百分率的增大而有所延长，这是因为粉煤灰尽管具有一定的火山灰反应活性，但其在水泥水化初期基本呈化学惰性状态，粉煤灰的存在相当于减少了浆体系统中水泥初始水化产物的数量。6）混凝土早期（3d）和后期（28d）抗压强度随着粉煤灰替代水泥百分率的增大而降低。7）综合来看，如果不考虑混凝土流动性保持性，只有T01－T03组混凝土的性能满足工程要求。
（2）掺FDN－880减水剂
外加剂采用FDN－880高效减水剂时，混凝土胶凝材料用量仍固定为520kg/m3，粉煤灰以不同比例等量替代部分水泥，所配制混凝土基本性能如表8。可见，1）对于相同组成的胶凝材料系统所配制的混凝土，达到所要求坍落度情况下，掺FDN－880的用水量比掺FDN－5的低，如T10比T0混凝土的用水量少20kg/m3，而T07比T01混凝土的用水量少25kg/m3。2）当粉煤灰替代水泥百分率提高时，混凝土不仅用水量增加，而且开始出现泌水现象，再者，这种混凝土拌合物还表现出板结、扒底等现象，将影响混凝土的泵送施工性、浇注硬化后的外观和耐久性。3）掺FDN－880减水剂的水泥粉煤灰胶凝材料系统的流动性损失仍然较大，1h内的坍落度损失率为38%－50%，所配制混凝土拌合物性能无法满足工程要求。4）因为FDN－880的塑化效果优于FDN－5，所以在其它条件相同的情况下，掺FDN－880所配制混凝土的抗压强度相应较高。
表8 掺FDN－880的混凝土配合比及基本性能
| 编号 | 单位立方混凝土原材料用量（kg/m3） | 初始坍落度（mm） | 拌合物状况 | W/B | 1h后坍落度（mm） | 凝结时间（h：min） | 抗压强度（MPa） |
| C | S | G | W | F | FDN－880 | 初凝 | 终凝 | 3d | 28d |
| T－08 | 500 | 650 | 1083 | 165 | 20 | 12.0 | 190 | 流动性良好，无泌水、板结 | 0.332 | 95 | 09：30 | 11：55 | 51.0 | 66.7 |
| T－09 | 490 | 650 | 1083 | 165 | 30 | 12.0 | 190 | 流动性良好，无泌水、板结 | 0.332 | 95 | 09：05 | 11：35 | 50.3 | 65.5 |
| T－10 | 480 | 650 | 1083 | 165 | 40 | 12.0 | 190 | 流动性良好，无泌水、板结 | 0.332 | 95 | 09：20 | 11：25 | 47.8 | 62.8 |
| T－11 | 470 | 650 | 1083 | 170 | 50 | 12.0 | 185 | 流动性好，少量泌水、板结 | 0.342 | 85 | 10：20 | 11：15 | 45.5 | 59.6 |
| T－12 | 460 | 650 | 1083 | 175 | 60 | 12.0 | 185 | 流动性好，少量泌水、板结 | 0.342 | 85 | 09：20 | 11：25 | 44.2 | 57.8 |
| T－13 | 450 | 650 | 1083 | 175 | 70 | 12.0 | 185 | 流动性好，少量泌水、板结 | 0.342 | 70 | 09：45 | 11：05 | 44.5 | 58.4 |
从以上试验结果看，当粉煤灰替代水泥百分率合适时，本文所选择的两种萘系高效减水剂所配制混凝土尽管在凝结时间和强度方面可以满足施工设计要求，但它们的拌合物流动性损失严重，且易泌水、板结。
（3）掺SR3 减水剂
由于相对于FDN－5和FDN－880两种减水剂来说，SR3 减水剂的塑化效果较好，增强效果明显，所以达相同强度时掺SR3 减水剂的混凝土胶凝材料用量较少，经试验，取500kg/m3，具体试验数据如表9。
表9 掺SR3 的混凝土配合比及基本性能
| 编号 | 单位立方混凝土原材料用量（kg/m3） | 初始坍落度（mm） | 拌合物状况 | W/B | 1h后坍落度（mm） | 凝结时间（h：min） | 抗压强度（MPa） |
| C | S | G | W | F | SR3 | 初凝 | 终凝 | 3d | 28d |
| T－14 | 430 | 680 | 1085 | 165 | 70 | 4.5 | 195 | 流动性良好，无泌水、板结 | 0.337 | 180 | 08：15 | 10：25 | 49.1 | 70.5 |
| T－15 | 420 | 680 | 1085 | 165 | 80 | 4.5 | 195 | 流动性良好，无泌水、板结 | 0.337 | 180 | 08：25 | 10：20 | 46.8 | 66.3 |
| T－16 | 410 | 680 | 1085 | 165 | 90 | 4.5 | 195 | 流动性良好，无泌水、板结 | 0.337 | 180 | 08：15 | 10：40 | 46.2 | 65.9 |
| T－17 | 400 | 680 | 1085 | 165 | 100 | 4.5 | 190 | 流动性良好，无泌水、板结 | 0.337 | 170 | 08：30 | 10：30 | 44.9 | 63.5 |
| T－18 | 390 | 680 | 1085 | 165 | 110 | 4.5 | 190 | 流动性良好，无泌水、板结 | 0.337 | 170 | 08：25 | 10：45 | 43.8 | 62.4 |
| T－19 | 380 | 680 | 1085 | 165 | 120 | 4.5 | 185 | 流动性良好，无泌水、板结 | 0.337 | 165 | 08：30 | 10：35 | 42.5 | 61.8 |
从表中可以看出，1）尽管粉煤灰替代水泥百分率从14%增加到24%（T－14至T－19），但由于减水剂改为SR3，混凝土拌合物在初始流动性为（185～195）mm 的情况下，停放1h后只损失了（15～20）mm，拌合物流动性损失速率相当慢。2）混凝土拌合物未像掺FDN－5或FDN－880时，发生泌水或板结等现象。3）T－14、T－15和T163组混凝土的坍落度、坍落度保持性、工作性和凝结时间、抗压强度等性能均符合本工程施工设计要求。
[page]4.5 掺3种减水剂所配制混凝土的其它性能
测试了掺3种减水剂所配制混凝土T－16和T－03、T－10的其它各项性能，并进行了对比。
（1）静压弹性模量
T－03、T－10和T－16 3组混凝土28d龄期的静压弹性模量分别为39.2×102MPa、38.6×102MPa和37.4×102MPa，90d龄期的静压弹性模量分别为43.2×102MPa、43.4×102MPa 和44.1×102MPa。可见，28d龄期时，T－16的弹性模量比T－03和T－10的略低，而90d龄期时，T－16的弹性模量却高于其它二者。这是因为，混凝土弹性模量由硬化浆体弹性模量和所占比例、集料弹性模量和所占比例、以及界面粘结情况所共同决定。28d龄期时，尽管三者抗压强度比较接近（平均值为62.8MPa），也即浆体强度和弹性模量相差不大，但T－16与另两组混凝土相比，粉煤灰替代水泥的百分率高（T－16的替代率为18%，而T－03和T－10均为7.7%）。众所周知，粉煤灰的密度一般为（1600～2200）kg/m3，而普通硅酸盐水泥的密度一般为（3000～3200）kg/m3，粉煤灰等量替代水泥的百分率越大，则浆体中胶凝材料体积就越大。由于浆体弹性模量一般小于集料，在其它条件相同时，浆体体积分数越大，混凝土弹性模量越大。
到90d时，T－16的弹模模量与其它两者十分相近，这是因为，尽管此时T－16中的浆体体积仍要高一些，但由于粉煤灰后期火山灰活性的发挥，使得T－16中浆体强度相应较高，集料浆体界面粘结强度提高。
（2）干燥收缩率
T－16、T－03和T－10 3种混凝土在28d的干缩率分别为320×10－6、460×10－6和480×10－6，90d的干缩率分别为380×10－6、510×10－6和525×10－6。可见，掺聚羧酸系减水剂所配制混凝土的干缩率也较低。在胶凝材料用量和W/B基本相同的情况下，T－16的干缩率最小。其原因有两点，一是与萘系减水剂相比，聚羧酸系减水剂的表面张力较低，具有减缩作用，另外一点是T－16混凝土中粉煤灰的掺量较大，硬化浆体孔结构得到优化。
（3）抗Cl－ 渗透性
T－16、T－03和T－103种混凝土在28d和90d龄期时的抗Cl－ 渗透性测试结果见表10。
可见，28d 时，3 种混凝土的电通量都大于1000C，但以T－16为最小；相对于28d龄期，90d时3 组混凝土的电通量均有所下降，符合小于1000C的要求。同时发现，T－16、T－03和T－103组混凝土随龄期增长，其电通量降低的幅度不同，分别为51.6%、41.3%和38.0%，也即T－16混凝土电通量值降低的幅度最大。其原因主要在于两方面：1）T－16混凝土中粉煤灰掺量最大，粉煤灰的存在有助于改善混凝土的抗Cl－ 渗透性，28d龄期后，粉煤灰的活性发挥较充足，使混凝土密实性大幅提高，电通量大幅减小；2）T－16采用聚羧酸系减水剂，聚羧酸系减水剂有助于降低混凝土的收缩率，减少开裂的可能性。
表10 混凝土电通量测试结果
| 编号 | 电通量（C） |
| 28d | 90d |
| T－16 | 1020 | 494 |
| T－03 | 1226 | 720 |
| T－10 | 1360 | 843 |
4.6 聚羧酸系减水剂与萘系减水剂作用机理的区别
萘系减水剂自20世纪60年代研制成功并生产应用以来，经历了近半个世纪，积累了丰富的应用经验。但众所周知，采用萘系减水剂配制的混凝土较常出现坍落度损失速率快，掺量大时易泌水、板结和扒底等现象，而且萘系减水剂的作用效果也受到许多因素，尤其是水泥和掺合料等方面因素的影响。而聚羧酸系减水剂作为新一代减水剂，尽管其实际应用刚开始，但已显露出其强于萘系减水剂的一些方面，如掺量低、控制坍落度损失能力较强、强度增进率高、增加混凝土干缩较少、与水泥/掺合料适应性相对较好等，所以受到很大重视。
就其原因，主要在于聚羧酸系减水剂与萘系减水剂的分子构成、活性基团的种类、分子链结构以及聚合度等不同，使其对水泥浆体的塑化机理和塑化效果存在差异。萘系减水剂属于直链结构，它主要靠在水溶液中解离后吸附于水泥颗粒表面，形成吸附双电层，使水泥颗粒表面带有同种电荷，从而在水泥颗粒之间产生静电斥力，使相互凝聚的水泥颗粒得以分离。但萘系减水剂分子链较短，被水泥颗粒吸附后横卧于水泥颗粒表面（如图1（a）），容易被水泥水化产物覆盖，导致其分散作用减弱，也即混凝土流动性产生经时损失。解决这一难题的措施通常有：1）增加萘系减水剂的掺量，使水泥浆体中存在过剩的减水剂离子，随时吸附于水化产物表面，增强分散性；2）复合缓凝组分，减缓水泥水化速率。但是，前者易引起混凝土泌水、离析、板结或扒底，后者会导致混凝土凝结时间过长，无法满足强度发展进度要求，如果在FDN－5和FDN－880的基础上复合大量缓凝组分来延缓混凝土坍落度损失的话，则混凝土初凝时间必将会远远超过（8～10）h。
聚羧酸系减水剂则不同，如本文采用的SR3 是丙烯酸基共聚高分子减水剂，也即聚羧酸系减水剂，其中含有羧基阴离子表面活性基团。聚羧酸系减水剂多为接枝共聚产品，其分子量大，分子链较长。浆体中水泥/粉煤灰颗粒吸附聚羧酸系减水剂后产生齿型吸附层的双电层，使其表面形成立体空间分布（如图1（b）），水泥颗粒间形成立体静电斥力，羧基阴离子表面活性基团又使水泥颗粒间立体排斥力增强，从而使水泥颗粒高度分散且均匀，更大程度地将水泥颗粒包裹的水份释放出来，也即减水率较高；其次是羧基水解增加了Zeta电位，使其Zeta电位变小，离子达到平衡，能使水泥颗粒较长时间地稳定分散，因而，混凝土流动性经时损失较小。
图1 减水剂分子在水泥颗粒表面的吸附状态示意图
本文由于聚羧酸系减水剂SR3 优异的分散作用，可以实现在粉煤灰掺量较大的情况下配制出施工性、力学性能和耐久性能都能满足设计要求的高性能混凝土的目标。
经过对以上试验结果的分析和讨论，确定了主塔C50高性能混凝土试验室配合比，如表11。按施工现场要求测得的技术性能如表12。可见，采用该配合比配制的混凝土其各项性能均完全满足工程设计要求。
表11 主塔C50高性能混凝土试验室配合比
| 单位立方混凝土原材料用量（kg/m3） | W/B | Sp（%） |
| C | S | G | W | F | SR3 |
| 410 | 680 | 1085 | 165 | 90 | 4.5 | 0.337 | 38.5 |
表12 主塔C50高性能混凝土基本性能
| 表观密度（kg/m3） | 坍落度（mm） | 拌合物状况 | 凝结时间（h：min） | 抗压强度（MPa） | 0d电通量（C） |
| 初始 | 1h后 | 初凝 | 终凝 | 3d | 7d | 28d | 90d |
| 2430 | 195 | 180 | 流动性良好，无泌水、板结 | 8：15 | 10：40 | 46.2 | 54.4 | 65.9 | 75.8 | 494 |
混凝土配合比的优化和选择只是一项重要工程的基础工作，完美的结构工程还要通过精心、严格的施工技术和施工组织。对于本文采用聚羧酸系减水剂SR3 配制的高性能混凝土，其制备及施工过程应注意以下几方面的问题。
1）严格控制W/B
由于聚羧酸系减水剂SR3 对混凝土拌合用水量的变化非常敏感，混凝土在工厂化预拌过程中，必须严格控制W/B 的稳定性。当遇到下雨天或砂、石料含水量不稳定时，应增加集料含水量检测的频率，根据其含水率的变化及时调整施工配合比，以避免拌合物出现离析、泌水现象。
2）保证混凝土搅拌时间
由于SR3 掺量小（仅为萘系减水剂的38%），应适当延长搅拌时间，才能保证这种减水剂塑化效果的发挥。经试验，实际工程使用强制式搅拌机，搅拌时间应控制为120S。
3）外加剂采用后掺法，以避免水泥与外加剂不相适应
试验研究和工程经验均表明，水泥中各种矿物都会影响水泥与外加剂的适应性，其中影响最大的因素为C3A 含量，当其含量大于8%时就可能会出现与外加剂的相容性问题。采用后掺法可以很好地解决此类问题。本文聚羧酸系减水剂SR3 的掺加及混凝土搅拌次序为：1）先将粗、细集料，水泥和粉煤灰干拌15s；2）一边搅拌一边向混凝土干拌料中加入约70%的拌合水；3）湿拌30s后添加SR3 减水剂，继续湿拌30s；4）加入另外30%拌合水，继续搅拌后卸料。
4）正确选择施工浇注时间
由于混凝土原材料自身温度过高和环境气温过高均会使水泥水化速率加剧、水化时放热量大，因此，在这种情况下，当减水剂掺量一定时，所配制混凝土往往需水量增大、流动性变小、坍落度经时损失速率加快、凝结时间缩短。遇到高温季节施工时最好选择当日18时开始浇注混凝土。在此情况下，作为粗集料的碎石应提前洒水降温，水泥进场后必须要经历一定的库存时间，以降低水泥本身的温度。
由于该主塔C50高性能混凝土试验研究时，充分考虑了工程服役环境和实际施工对混凝土全面性能的要求，所配制混凝土综合性能优异。采用聚羧酸系减水剂所拌制混凝土具有良好的施工性、力学性能和耐久性能。该混凝土在施工过程中没有因流动性下降及离析、泌水、板结造成堵管塞泵现象，浇注后混凝土外观光泽密实，现场抗压强度评定合格，结构体没有出现裂纹。
通过掺加适量的粉煤灰和聚羧酸系减水剂SR3配制的高性能混凝土不但能满足高程泵送施工工艺的要求，而且具有早期强度高的特点，对工程施工周期的控制起到关键性作用。
大桥主塔C50高性能混凝土由于掺加了聚羧酸系减水剂SR3 和较大掺量的粉煤灰，不但替代了部分水泥，而且改善了混凝土工作性，经济成本也较萘系减水剂配制的C50混凝土（按配合比T－10）低。以下是对两种混凝土原材料成本的计算依据。假设各原材料单价：水泥400 元/t，砂42 元/m3，碎石65 元/m3，粉煤灰90 元/t，SR3 外加剂11500元/t，FDN－880外加剂3100元/t。不考虑拌合水成本时，其它原材料的成本计算和对比如下。
1）掺加SR3 情况下
T16混凝土配合比为：水泥∶砂∶碎石∶水∶粉煤灰∶SR3＝410∶680∶1085∶165∶90∶4.5每m3 混凝土的材料成本＝0.41×400＋（680/1410）×42＋（1085/1350）×65＋0.09×90＋0.0045×11500＝296.3元。
2）掺FDN－880情况下
T10混凝土配合比为：水泥∶砂∶碎石∶水∶粉煤灰∶FDN880＝480∶650∶1083∶165∶40∶12.0
每m3 混凝土的材料成本＝0.48×400＋（650/1410）×42＋（1083/1350）×65＋0.04×90＋0.012×3100＝304.4元
很明显，尽管聚羧酸系减水剂SR3 的单价是萘系减水剂的3.7倍，但由于聚羧酸系减水剂SR3 的掺量低、减水增强效果好，所配制混凝土胶凝材料用量小、可提高粉煤灰替代水泥的百分率等，每m3C50高性能混凝土的原材料成本可比采用萘系减水剂者减少8.1元。由此看来，本次采用聚羧酸系减水剂SR3 配制高性能混凝土，单就主塔混凝土工程（7972m3）中节约的成本就达64573.2元人民币，经济效益亦十分可观。
聚羧酸系减水剂在湛江海湾大桥47＃ 墩主塔C50高性能混凝土中成功应用后，显示了其技术优势和经济效益，为此，该大桥东岸也开始广泛应用这种新一代减水剂。具体应用部位和所配制混凝土的强度等级为：1）承台C30大体积混凝土；2）墩身C40混凝土；3）连续箱梁C50混凝土。混凝土配合比具体见表13。
表13 大桥承台、墩身和箱梁高性能混凝土配合比
| 结构部位及混凝土强度等级 | 单位立方混凝土原材料用量（kg/m3） | W/B | 砂率（%） | 表观密度（kg/m3） |
| C | S | G | W | FA | SR3 |
| 承台C30 | 310 | 678 | 1104 | 166 | 130 | 3.6 | 0.384 | 38.0 | 2388 |
| 墩身C40 | 350 | 720 | 1080 | 169 | 90 | 3.6 | 0.391 | 40.0 | 2409 |
| 连续箱梁C50 | 430 | 670 | 1095 | 165 | 70 | 4.5 | 0.337 | 38.0 | 2430 |
聚羧酸系减水剂作为继木质素磺酸盐系和萘磺酸盐系减水剂之后的第三代减水剂，其掺量低、减水增强效果明显、控制混凝土流动性损失能力强、不过分增加混凝土的干燥收缩等技术优势已经凸现，加之这种减水剂合成过程中不使用甲醛，且Cl－ 含量和碱含量低，被认为是配制大流动性、高强、高耐久性混凝土的首选减水剂。由于产品本身的绿色环保性，以及采用这种减水剂配制混凝土可以提高活性矿物掺合料对水泥的替代率，改善混凝土的耐久性，延长结构物使用寿命，聚羧酸系减水剂还被看作是一种绿色环保的外加剂品种。
本文通过大量试验对比了分别用聚羧酸系减水剂和萘系减水剂所配制混凝土的技术性能，并通过计算比较了两种混凝土的原材料成本，表明，尽管聚羧酸系减水剂单价较高，但采用聚羧酸系减水剂配制混凝土的原材料成本却低于采用萘系减水剂者。
湛江海湾大桥47＃ 墩主塔C50高性能混凝土工程对聚羧酸系减水剂SR3 的成功应用，充分证明了聚羧酸系减水剂用于高泵程、高耐久性商品混凝土中的技术和经济效益。
