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1、如何解决外加剂与水泥适应性问题初步探索 摘要：通过调查研究，综合国内外已有的研究成果，对外加剂与水泥适应性问题进行了研究。研究表明，由于外加剂与水泥相互作用的复杂性，对于不同水泥，外加剂所表现的性能不尽相同。根据国产水泥的性能特点及其与外加剂之间的物理、化学作用，提出减水剂掺量应略高于其饱和点，并根据水泥中C3A含量及含碱量加以适当调整；在适当条件下掺保水剂以减少泌水，改善混凝土工作性能等措施。 关键词： 混凝土；混凝土外加剂；水泥；适应性前言 我国的混凝土外加剂在经历了快速发展及大规模推广应用后。始终困绕业内技术人员的难题依然是外加剂与水泥品种的适应性。至今还没有一种通用减水剂能适应所有的国
2、产水泥品种。仅就江苏而言，地产及周边地区流通入境的水泥，因其组成不同，掺用同一种外加剂会表现出不同的流变性能。甚至同一品牌的水泥，由于集团化管理，往往来自几个厂家其性能差别亦较大。 通过调查研究，笔者综合国内外已有研究成果和工程实践成功案例，按照整体论的科学思想，提出解决外加剂与水泥品种适应性的技术路线。1 外加剂的分类和性能1.1 外加剂的分类 可按与水泥的相互作用将常用的化学外加剂分为5类： (1)调凝剂：调节水泥水化速率和凝结时间。 (2)减水剂：调节混凝土工作性和用水量。 (3)引气剂：常用以改善混凝土工作性、抗冻融性能和匀质性。 (4)保塑剂：具有减少混凝土坍落度经时损失的功能。 (
3、5)保水剂：能克服混凝土泌水，提高混凝土匀质性。1.2 表面吸附 大多数有机外加剂与水泥颗粒或水泥水化颗粒表面具有亲合力，因而吸附作用显著。外加剂中带电荷的有机物基团(SO3-，C00-)通过静电作用与颗粒表面相互作用(颗粒的表面电荷与外加剂分子的离子团相互作用)。以蔗糖为例，其极性作用基团OH-也能通过静电力及氢键作用与高极性的水化相强烈作用。带有离子(-C00-)和极性基团(-OH)的典型外加剂是葡萄糖酸盐。对于含有憎水的、极性的以及离子基团的多聚型外加剂(如木质素磺酸盐)，吸附是各种作用共同作用的结果，也可能是熵增的原因。熵增常常使吸附状态稳定。1.3 外加剂吸附对表面性能的影响 除了水
4、泥相与有机外加剂之间的化学反应，吸附的化合物将改变水泥颗粒的表面特性。从而影响其与液相以及其它水泥颗粒之间的相互作用。吸附的阴离子表面活性剂和聚合物会向颗粒表面传递带负电的静电荷，即负专电位，这会引起相邻水泥粒子间的排斥并且有助于提高分散效果。对于高分子聚合物，物理阻碍(空间位阻)会导致额外的小范围排斥力。因而“静电力”和“空间力”都有助于提高水泥浆的流动性能。1.4 减水剂的作用 当代昆凝土工业普遍使用的超塑化剂绝大部份是萘磺酸盐甲醛缩合物(PNS)和磺化三聚氰胺甲醛树脂(PMS)，其作用机理主要为分子之间的静电斥力。众所周知，聚合体是超塑化剂的主要成分，其性质非常重要。同时，磺化作用的最大
5、程度必须是适宜的，平均聚合度为9-10。在这种聚合度下，聚合链不可能出现过多的跨越连接。 理论上，所有满足标准、具有相同水化硬化特性的水泥，在掺入相同的超塑化剂时，所表现出的流变特性是相同的。然而试验表明，这种理论并不一定是非常准确的尤其是当混凝土的水胶比在0.3和0.4之间时更是如此。其原因主要是由于水泥中各种化学成分和矿物相以及水泥中的硫酸钙含量是根据不同的试验条件加以调整的，可以通过改变用水量来改变混凝土的流变特l生。当水灰比为0.5时。水泥颗粒分散度很大，水泥颗粒的分散性直接决定混凝土的流变特性，随着时间的增长，初始水化产物与水泥颗粒开始交叉分散，混凝土的流变性生发生变化。 水泥和磺酸
6、盐聚合物之间的相互作用非常复杂，且受以下因素影响： (1)水泥的物理特性、水泥的化学特性、水泥的组成。 (2)水泥颗粒的形态，特别是其外部结构的形态、水泥中可溶碱性物(Na+，K+)的数量、水泥中混合材的品种与用量。 (3)超塑化剂的特性和形态。 由于水泥和超塑化剂之间的相互作用是一种表面现象，所以研究者开始越来越关注水泥颗粒的表面特征，认为水泥颗粒表面的形态至关重要影响着水泥表面各相生成物的数量和性质。水泥表面生成物主要有两种形式：一是带正电荷的空隙相：二是带负电荷的硅酸盐熟料矿物相。图1给出了5种水泥颗粒模型。 从图中可以看出G1，G2，G3三种模型中硅酸盐相和空隙同时存在。但对其附近的木
7、质素磺酸盐分子而言。这5种水泥颗粒模型是完全不同的： G1的表面仅存在C3S相；G2的表面仅存在C3A相和C4F相；G3的表面主要由C3S相包裹，另外同时存在少量的C3A相和C4AF相；G4和G5两种水泥颗粒模型具有相同的形态，但其中C3A相和C4F相的含量不同，G4表面C3A相的数量是G5表面C3A相数量的两倍。 水泥颗粒除了表面形态不同外，颗粒中C3A的晶态结构也是不相同的(常常把C3A的晶态结构假定为两种：立方体状和斜方晶状)，不同晶态结构的水泥颗粒与水反应的情况不同。以上分析表明，水泥和超塑化剂之间的相互作用是一种非常复杂的物理化学现象。必须做严谨的分析。 减水剂的主要成分是表面活性剂
8、其对水泥的作用主要是表面活性，本身不与水泥发生化学反应。减水剂在水泥混凝土中的作用包括：吸附分散作用、湿润作用、润滑作用等。 l.3 外加剂对水泥品种及外掺料的适应性 人们使用“适应性”来描述水泥和超塑化剂的相互作用，当掺超塑化剂的混凝土坍落度损失很大时，就认为这种水泥和超塑化剂或复合外加剂不适应。研究表明，超塑化剂的掺量较高时，混凝土初始坍落度增加到某一数值后便不再增加如果再增加超塑化剂的掺量，混凝土就会出现泌水现象(图2)。分析图2可知，30 min以后，超塑化剂掺量为0.9的混凝土坍落度损失很大。此时的坍落度仅为初始坍落度值的一半；60 min以后。超塑化剂掺量为1.0的混凝土坍落度已完
9、全损失：90 min以后超塑化剂掺量为1.1的混凝土坍落度值依旧高达140 min，而超塑化剂掺量为1.2的混凝土坍落度值高达230 mm。这就引发出一个混凝土工程界需要研究的课题：如何解决保塑与泌水的矛盾? 国内外的许多研究表明，由于水泥的矿物组成、含碱量、细度及生产水泥时所用的石膏等不同同一种外加剂在相同掺量下，对这些水泥的作用效果明显不同，甚至不适应。 水泥中石膏形态对减水剂使用效果的影响与水泥中C3A质量分数有关，当C3A质量分数高时影响较大，反之则小。影响水泥和含木质素磺酸盐的超塑化剂复合物流变性的关键参数是带正电的空隙相活动区的数量和快速可溶的SO42-量之间的平衡。如果这两个数值
10、的平衡状态适当，则复合减水剂与水泥具有很好的适应性。 此外，在配制对坍落度经时损失有严格要求的混凝土时，选用的水泥含碱量不宜过高，因为含碱量高的水泥，其凝结时间较短。同时，水泥中w(C3A)及w(R20)的比例应适宜，见图3。 在配制混凝土时，常掺人粉煤灰、磨细矿渣、石灰石粉，为提高混凝土强度和耐磨、抗渗等性能，有时还掺用适量的硅灰。这些组分的掺入量也会影响水泥对外加剂的适应性。2 解决外加剂与水泥适应性的技术途径 混凝土材料的工程应用是一个系统工程，不能单纯从新拌混凝土的流变性能来考虑混凝土外加剂的工艺配方；而应按照整体论的科学原理，遵循“按性能设计”的要求，在充分满足新拌混凝土的工作性、凝
11、结时间、强度和耐久性的基础上。针对水泥性状，制定混凝土中外加剂配制方案。通常，可考虑下列三种组合：(1)减水剂+调凝剂+引气剂；(2)减水剂+保水剂+调凝剂+引气剂；(3)减水剂+保塑剂+调凝剂+引气剂保水剂。 以控制混凝土坍落度损失的技术途径为例分析。从技术层面讲，控制混凝土坍落度损失既简单又复杂。综合上面的讨论，可根据水泥性状将减少混凝土坍落度经时损失的技术途径归纳为以下三点： (1)减水剂掺量应略高于其饱和点掺量，并根据水泥中w(C3A)及w(R20)加以适当调整，同时适量引气。 (2)视水泥品种情况(尽可能选用含碱量较低的水泥)，合理使用保塑材料和调凝材料。 (3)必要时掺用保水剂，减少泌水，改善混凝土工作性。