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阅读 911 次 外加剂与混凝土适应性的分析研究

摘要:本文主要论述了在混凝土系统工程中外加剂的科学应用,针对水泥、外加剂,掺合料及混凝土配合比组成等诸方面因素,进行了系统性分析,从而为合力解决外加剂适应性问题,提出了较为全面的思维方式。...

 外加剂与混凝土适应性的分析研究

张冷晶  李刚  胡岚

陕西省混凝土行业协会

砼外加剂是用于改变水泥反应的进程和新拌与硬化砼的性能。若要充分发挥外加剂的自身效应,就必须对外加剂—水泥的相互适应性,以及砼施工过程中的综合技术特征进行研究。其中也包含了对属于水泥体系里的矿物掺合料的合理使用。

外加剂对水泥、砼的适应性既有相同性又有不相同性。相同的是:水泥是砼的主要胶凝材料,如果某种水泥和某种外加剂相互适应,那么用该水泥和该外加剂配置成砼亦应该相互适应。所不同的是,砼中其它材料性质亦可能和外加剂性能发生违勃,比如骨料中的含碱量过高,掺合料的化学成份等等。故前者是指外加剂和水泥矿物组成的是否适应,后者是指外加剂和砼所有材料性质的是否适应,并延伸到砼的强度等级、流态指标、搅拌方式、运输距离、施工方法以及施工环境等等。

外加剂对水泥、砼的适应性体现在各个方面。比如减水率、流动度、泌水程度、凝结时间、塌落度损失、抗冻抗渗性能等等。这诸多要素都和外加剂的品种,化学成份以及水泥的矿物组成,砼的综合技术条件是息息相关的。如何平衡处理好这些因素,使其在矛盾中统一,既要外加剂能达到理想的技术效应,又能够使砼获得应有的质量水平,应是砼外加剂应用研究的重点。

虽然外加剂对水泥、砼的适应性是多方面的,但按我国现在以商品砼、泵送砼为主要生产方法的工艺需求。外加剂对砼的适应性关键在于三个方面:即减水能量、泌水程度和保塑能力。这三个问题不但是中国砼界高层研究人员所特别关注的,也是世界各国砼专家所予以关注的。从美国、加拿大和日本的研究成果来看,和我国同济大学的研究成果基本相一致。同济大学材料科学院和工程学院为摸清我国南方各省市诸多水泥品种和各种外加剂的适应性情况,以江苏、上海、浙江、广州、深圳等城市商品砼主要水泥品种和28种外加剂进行了研究性相关试验。试验研究结果证明,对外加剂—水泥—砼相互适应主要影响因素可归纳为以下几个方面:

一、外加剂方面的因素

    1、奈系减水剂:生产奈系高效减水剂的主要原料—奈的来源、品位和纯度等对产品的性能有一定影响。奈系高效减水剂在生产过程中的磺化程度越高,则转变为带有磺酸基磺化物的奈环越多,该减水剂的分散作用也增强:水解越充分,则随后的缩聚反应越容易进行,减水剂品质越好。奈系高效减水剂分子的聚合度对其塑化效果有明显影响,一般奈系高效减水剂的聚合度为10左右较好。减水剂的状态也影响其对水泥的塑化效果,粉状减水剂的减水率约比液态减水剂低5%。

2、氨基磺酸盐高效减水剂:氨基磺酸盐高效减水剂作为新一代高性能减水剂,与传统的奈系高效减水剂和密胺系高效减水剂相比,不仅掺量低(0.2%~0.7%),而且塑化效果、控制塌落度损失能力及与水泥的适应性等均得到改善。缺点是对用水量和掺量尤为敏感,容易泌水。

3、聚羧酸高性能减水剂:聚羧酸高性能减水剂的基本特征是一个短的羧酸脂主链和长的聚氧乙烯侧链,这类外加剂低离子比高离子聚化物对水泥适应性更好。故聚合物的酸脂平衡就显的尤为重要。实际应用中要严格控制砂、石含泥粉量,同时对环境温度应密切关注。

二、水泥方面的因素

    水泥矿物成份、石膏型态和掺量、碱含量、游离氧化钙含量,混合材品种与掺量、细度、新鲜程度以及温度等对外加剂的作用效果均有不同程度的影响。

1、矿物组成和石膏掺量

一般来说,水泥中铝酸三钙和铁铝酸四钙的比例越大,则减水剂的分散效果越差,研究表明,水泥中的硫酸根比磺化的高效减水剂更容易与铝酸盐作用,所以硫酸钙与铝酸三钙的浓度平衡与否和混凝土浆体中减水剂浓度迅速降低有一定关系。铝酸三钙过高,或者硫酸钙和铝酸三钙的比例失调,都会导致水泥与外加剂适应性变差。一般水泥中的铝酸三钙含量约为7%,在混凝土加水5-10分钟内,可消耗混凝土中外加剂总量的60%以上。过高的铝酸三钙含量,在一定程度上,可使外加剂各种功能荡然无存,新拌混凝土失去流动性,硬化后产生开裂。控制指标应小于8%。

2、碱含量:水泥中碱含量提高会降低外加剂的塑化效果,碱含量的提高还将导致塌落度损失加快和凝结时间缩短,碱能促进铝酸盐溶解,形成铝酸盐的快速水化,碱的存在也会促使较多的高效减水剂吸附在铝酸盐矿物表面。所以,碱含量高的水泥,硫酸根和铝酸三钙的比例就显的更加重要。通过试验研究发现,在与碱含量较高的水泥适应性方面,适当提高石膏掺量是一种行之有效的放法。普通硅酸盐水泥合理含碱量应在0.7%左右。

3、游离氧化钙:工程实践证明,水泥中的游离氧化钙过高对外加剂适应性的影响不可忽视。2006年四月,某大型水泥厂因进厂原材料泼动较大,导致水泥熟料中的游离氧化钙严重超标,最高为8.11%,平均为2.32%,造成水泥成品对外加剂适应性极差。经调整后熟料游离氧化钙恢复到正常控制指标内(1.5%),水泥适应性随之稳定。游离氧化钙过高,水泥水化速度加快,需水量提升,混凝土塌落度损失加快,外加剂用量加大,严重程度时,还可能造成混凝土严重开裂,水泥成品指标控制应<1%。

4、石膏型态:水泥水化,液相中硫酸根与铝酸三钙的平衡不仅取决于石膏掺量,还取决于石膏的品种型态。相同的三氧化硫含量,相同的掺量,对于水泥适应性而言,二水石膏和无水石膏所发生的效果差别很大。由于无水石膏的溶解速度较慢,不能急时提供铝酸盐水化所需求的硫酸盐液相浓度,从而导致铝酸盐水化加速,流动性变差,尤其是在外加剂中含有糖钙,木钙成份时,则会产生严重的不适应性,混凝土塌落度损失极快,甚至会发生异常凝结。本世纪初,秦岭水泥曾因高温粉磨致使水泥中石膏脱水,造成西安多家搅拌站凝罐或停产。

5、水泥细度:水泥颗粒对减水剂分子具有较强的吸附性,在掺减水剂的水泥浆体中,水泥细度越细意味着其比表面积越大,对减水剂分子的吸附量越大,在水灰比和减水剂掺量相同情况下,随着水泥细度增加,浆体流动性同步变小,损失率同步变大。需要强调的是,水泥细度的提升,对混凝土早期强度的提高是有一定贡献。但相对其早期水化热过高,硬化后收缩加大,尤其不利于混凝土后期的自我修复等等缺陷,仍为蔽大与利,这也是铁规二十条对水泥细度有所限制的根本所在,从目前业内研究方向来看,水泥比表面积不能大于350m²/Kg, 有可能会写入国标。

6、混合材料的品种:常用水泥混合材料大概有粒化高炉矿渣、粉煤灰、煤矸石、石灰石和砂岩、页岩。针对其对外加剂的适应性来说,首先推荐使用粒化高楼矿渣,其次为F类粉煤灰。C类粉煤灰和煤矸石作为混合材,会生产需水量增加,流动性降低,外加剂需用量提高,适应性变差。石灰石,砂岩和页岩活性指数较小,对水泥和外加剂适应性的负作用显而易见,但从生产成本方面考虑,适当加入也不是不可行的。值得提示的是,如果矿渣加入量较大,不提倡与水泥共磨,因为矿渣较熟料难磨,达不到与水泥同步的细度要求,除活性不能充分发挥外,还有可能造成泌水现象。

7、水泥温度及新鲜度:水泥粉磨温度过高,不良后果有两点:一是造成石膏脱水,(石土膏在超过135度时将失去结晶水),二是即是石膏未脱水,由于较高温度下的水泥水化速度极快,试验表明,在相同水灰比,相同外加剂掺量下,摄氏80度左右的水泥和摄氏25度左右的水泥相比较,无论是初始还是经时流动度,几乎都相差过半。尤其是在气候炎热的夏季,混凝土生产企业使用刚出磨尚未散发热量的新鲜水泥,常常会出现塌落度损失极快,甚至在搅拌机中混凝土就凝结的异常现象。

三、混凝土生产企业

水泥和外加剂,虽然是两种商品,却通过混凝土生产企业形成最终产品,两种商品的合理使用,是适应性的应用技术关键。优质的水泥,优质的外加剂,最终却没有形成优质的混凝土,应归结为应用技术的缺陷。对于混凝土生产企业,尤其是对配合比设计者而言,严格控制各种原材料质量,精确了解各种原材料性能,科学利用各种原材料质能,才能够获得最优质的混凝土,最合理的材料成本。同时尽可能的把混凝土适应性问题降低到最少频率。

1、粗骨料:石子的级配和颗粒形态对混凝土质量尤为重要,级配不合理,针片状过多的石材,混凝土合易性差,流动性差,保水性差,强度差,外加剂适应性差。如果含泥量,含石粉量过大,更可能雪上加霜。

2、细骨料:砂子的级配和含泥量如同石子一样。砂子过粗,保水性差,流动性差。砂子过细,需水量大,收缩大,砂子中含泥量大,含碱量大,不但影响外加剂使用效果,还可能使强度,抗冻渗性能大幅度降低,并缩短混凝土使用时间。

3、外加剂:各种外加剂性能有所不同,合理选择外加剂品种为首当其冲,其次对外加剂最佳掺量应确切掌握,精确计量,对高浓度,低掺量外加剂要特别关注,根据骨料和气温情况急时调整实际用量。

4、水胶比:在锁定的水胶比和塌落度条件下,任何等级的配合比,都应该有一个唯一合理的最佳水胶比,如果水胶比自身不合理,外加剂效果有可能事倍功半。

5、砂率:合理的砂率对混凝土的流动性,保水性以及强度和外加剂效应至关重要,砂率过小,混凝土流动性差,易泌水,砂率过大,流动性亦差,和易性差,外加剂功能减弱。

6、矿物掺合料:矿物掺合料作为混凝土的一种材料,取代部分水泥以降低成本和改善混凝土性能,它和水泥共同组成了胶结材料。因此,它的质量成份,对外加剂适应性具有极大的影响。我省目前使用的矿物掺合料主要为粉煤灰,其次是矿粉,个别还使用建筑垃圾为主体材料的掺合料。对于掺合料使用应注意以下几个问题:一是C类粉煤灰,C类粉煤灰虽然已载入粉煤灰标准GB1596,但在全国应用实例极少。由于其氧化钙和游离氧化钙含量较高,需水量高,外加剂难以适应是其材料性质的主要特征。二是假粉煤灰,其主要来源于无规则的黑加工作坊,主要成份为石灰石和煤矸石,最高的石灰石比例为材料整体的90%。这种劣质材料加入混凝土后,不但外加剂难以适应,且对混凝土的耐久性危害极大。三是假矿渣粉,其主要材料是小钢厂矿渣或风化矿渣,混合部分石灰石。是仅次于假粉煤灰的劣质材料。四是建筑垃圾类掺合料,主要成份由各类废弃粘土砖和废弃混凝土组成,需水量较大,活性较差,掺入量越大对外加剂适应性影响越大。

四、综合论述

总而言之,混凝土与外加剂的适应性问题,应该是一个系统工程,需要水泥厂,外加剂厂和混凝土生产企业共同合力才可解决。一种水泥,很多外加剂都不能适应,一种外加剂很多水泥都不能适应,这样的产品肯定不受用户欢迎,也不易被市场接受。混凝土生产企业,作为水泥和外加剂的使用者,不仅仅拥有对产品质量的评价权,还賦有发现问题,解决问题,提高供应商产品质量的社会义务。大家应该相信,只要我们各方面齐心协力,加强技术沟通,就没有用解决不了的问题。

(本文来源:陕西省土木建筑学会   文径网络工程项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑   刘真 文径 审核)

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