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水泥特性对聚羧酸减水剂适应性的影响

  近年来,随着建筑业的不断发展和高层建筑的不断出现,对混凝土的需求量越来越大,质量要求也越来越高。聚 羧酸系高效减水剂是一种减水率高、坍落度损失小的混凝土外加剂。它对新拌混凝土的工作性以及硬化混凝土的物理机械性能有着至关重要的作用。
1 水泥与减水剂适应性问题的表现

  与传统的减水剂一样,聚羧酸系减水剂的使用性能同 样受到水泥特性的影响。外加剂在混凝土工程的应用非常 广泛。建设工程中要求混凝土外加剂要和混凝土有良好的适应性,但是在实际工程中,不同品牌的混凝土对聚羧酸减水剂的适应性不同:有的水泥在掺入聚羧酸系减水剂以后混凝土坍落度变化不明显;有的减水率很低;有的混凝土坍 落度损失比较大;拌制的混凝土和易性比较差;有的混凝土 泌水比较大,影响到水泥与骨料和钢筋的粘结,继而影响混 凝土的承载力和耐久性能等。这些问题在商品混凝土中导致泵送困难显得尤为突出。
2 原因分析
2.1 水泥熟料矿物成分的影响

  石殿庆等人的研究表明,铝酸盐矿物成分对减水剂的吸附能力要大于硅酸盐矿物,并且吸附量越大,适应性越差。刘厚奋通过实验得出,随着铝酸三钙(C3A)含量的升高,混凝土坍落度损失明显增大,如表1、表2 所示。
究其原因,是因为铝酸盐含量较高,特别是C3A含量较高的水泥,C3A会对聚羧酸系减水剂进行吸附,影响硅酸盐矿物硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)对聚羧酸系减水剂的吸附,同时,刘厚奋等人的研究表明,C3A水化热大,水化反应的速率快,容易造成坍落度损失导致坍落度损失和减水率低。国内的一些学者认为:当 C3A产含量在 8.0%以下时,水泥与减水剂的适应性较好;当 C3A超过 8.5%,即使调整减水剂用量或砂率均不能解决混凝土坍落度损失较快的问题。因此,对于熟料矿物成中的C3A含量一定要严格控制, 确保其含量不会影响到聚梭酸减水剂与水泥的适应性。


2.2 水泥熟料中石膏种类的影响

  硅酸盐水泥的生产工艺流程概括起来称为“两磨一 烧”。石膏作为水泥的调凝剂,掺入水泥的石膏一般有无水石膏、半水石膏、二水石膏、氟石膏、磷石膏、脱硫石膏等,掺入的石膏对聚羧酸减水剂的适应性有很重要的影响。张瑞红等人的研究表明,石膏形态不同,在水中的溶解度和溶解速度不同。无水石膏的溶解度和溶解速度小,不足以抑制铝酸三钙(C3A)的水化速度;半水石膏的溶解度和溶解速度大,导致假凝;二水石膏则介于二者之间,SO2-   离子的溶出量恰好可以控制C3A的水化速度。因此,如果生产水泥时使用二水石膏,则水泥与减水剂的适应性好。

  如图1 所示,掺入无水石膏的混凝土初始坍落度大,坍落度经时损失也大;掺二水石膏的混凝土初始坍落度大,坍落度经时损失则很小。这是因为水泥水化以后,其生产过程中掺入的石膏会溶解成为C2+ 和SO2- 离子,在水化初期,会影响C3A的水化速度,调节水泥凝结硬化的时间。如果石膏的掺入量不足,掺减水剂后,混凝土拌合物中水量减少,相对于石膏量来说,铝酸三钙和铁铝酸四钙(C4AF)的含量就较高,比表面积较大,SO2-   离子在水泥浆中的量就很少,较多的C3A发生水化反应,减水剂就会大量吸附在C3A及其水化产物上,造成减水剂分散作用减小,最终导致混凝土坍落度经时损失大。

  实际生产过程中,大多数厂家为了节约生产成本而采用化工石膏作为调凝剂,如磷石膏和氟石膏。氟石膏是化工厂生产氢氟酸时产生的废渣,呈白色粉末状,其主要成分是CaS04  和 CaSO4·2H2O及少量的 CaF2。如图 2 所示,顾雪慈通过实验得出掺加氟石膏的水泥与聚羧酸高效减水剂经时流动度的损失为:在掺量为0.2%时,初始流动度与掺量增大者相差不大,但60 mi n 后,流动度有一定损失;到掺量为0.4%时,流动度的经时损失不算太大。因此,聚羧酸的饱和掺量大约在0.4%附近。磷石膏主要矿物组成为CaS04·2H20、少量长石、磷灰石、α 石英等。磷石膏的结晶形态不同于天然石膏,彼此间也有很大差别。磷石膏颗粒呈正态分布,颗粒分布高度集中,80  μm~200  μm颗粒达 60%。磷石膏中二水石膏晶体粗大、均匀,其生长较天然二水石膏晶 体规整,多呈板状。磷石膏的有害成分为可溶性磷酸盐及少 量有机杂质,利用磷石膏做水泥缓凝剂时,与采用天然二水 石膏做缓凝剂相比,对水泥的凝结时间影响较大。磷石膏的 这种特征使其胶结材流动性很差,水膏比大幅增加,致使硬 化体物理力学性能变坏。即使采用高效减水剂,其流动性改善也很有限。
2.3 水泥中混合材的影响

  于龙等人的试验结果表明:粉煤灰、高钙粉煤灰和矿渣粉等量替代部分水泥,有利于改善减水剂的塑化效果,增加浆体流动度,且减水剂掺量相同情况下,矿渣粉对减水剂塑化效果的改善作用最好;粉煤灰和高钙粉煤灰对减水剂塑化效果的改善作用相差不多,相反,用煤矸石等量替代部分水泥会使减水剂塑化效果降低,浆体流动度减小

2.4 水泥中碱含量的影响

  碱含量对聚羧酸减水剂与水泥的适应性也有着重要的影响。水泥中的碱含量是按 Na2O+0.658K2O计算的。过量的碱会和骨料中的活性物质Si O2  反应,生成膨胀性的碱硅硫酸盐胶凝,这就降低了聚羧酸减水剂对水泥浆体的塑化作 用,增加了水泥的经时流动损失,同时生成物体积膨胀极易导致混凝土开裂。研究表明,碱含量在0.4%~ 0.8%时,碱含量对减水剂与水泥的适应性影响很小。同时在国家标准中,低碱水泥的碱含量不大于0.6%,所以碱含量宜控制在0.4%~0.6%范围内。

  韩小华通过实验得出,随着水泥碱含量的增大,减水剂的塑化效果变差的结果(图3)。水泥碱含量的提高还将导致混凝土的凝结时间缩短和坍落度损失的急剧加快。其原因是水泥中碱的存在有助于加速水泥中铝酸盐相的溶出,导致水泥颗粒对减水剂分子吸附量的增大,因而在减水剂掺量一定时,塑化效果下降,混凝土坍落度损失加快。

2.5 水泥细度的影响

  通过实验可以得出水泥细度对其净浆流动度的影响,见表3。其中水泥细度检验方法依照《水泥细度检验方法· 筛析法》(G B/T 1345—2005),净浆流动度试验方法依照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB 8077—2000)中的相关规定进行测试。

  根据表3 可以看出:水泥的细度越细,掺聚羧酸后水泥初始净浆流动度越小,并且净浆流动度经时损失比较大,这是因为水泥越细其比表面积越大,水化反应速率越快,对减水剂的吸附作用越大;相反,如果水泥的越粗,水化反应速率越慢,虽然会减小对减水剂的吸附作用,但随之水泥的强度也会降低。

2.6 水泥的新鲜程度及温度的影响
  吴铭生所做的研究表明,水泥越新鲜,减水剂对其的适应性越差。这是因为新鲜水泥干燥度高,水泥的正电性较强,降低了减水剂对其的塑化能力,因而表现出减水剂减 水率低、混凝土坍落度损失快的现象。因此,某些混凝土搅 拌站用刚出磨的还未来得及散失热量的水泥来配置混凝土时,其配置的混凝土往往减水率低、坍落度损失过快,有的甚至在搅拌机内就出现异常凝结现象。
3 结语

  综上所述,影响水泥与聚羧酸减水剂适应性的因素有 很多。水泥熟料中不同的矿物成分对聚羧酸减水剂的吸附 能力不同是影响其适应性的主要因素。同时,熟料中石膏品种、混合材、碱含量、细度、新鲜程度和温度等方面也有着重要的影响。

  在使用聚羧酸减水剂时,使用后掺法、分掺法是可行而 有效的降低混凝土坍落度损失的方法。如有条件,也可以在使用减水剂的同时掺入适量的保坍剂。

  目前水泥成分与聚羧酸减水剂的适应性是现代商品混 凝土生产普遍存在的一个重要而又实际的问题。商品混凝土生产企业以及施工单位应该在具体工程实践中,结合工程条件及工程材料的具体情况,总结经验并选择合适的解决方法。

 
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