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水泥成分对减水剂适应性的影响

  混凝土外加剂已成为除水泥、骨料(砂、石) 以外混凝土的必不可少的组成材料。目前在土木工程建筑中使用最为广泛的外加剂要属减水剂,从工程建设实践来说减水剂与水泥具有较好的适应性以降低工程造价,提高混凝土的工作性能。但在实践中发现,有些水泥掺入减水剂后混凝土坍落度增加不大,需较大的掺量才能使坍落度有明显增大;有时则是混凝土的坍落度经时损失大,甚至坍落度很快变为零。造成以上原因主要是由于水泥与减水剂的适应性差。目前水泥与减水剂的适应性问题越来越受到工程建设人员的重视,本文结合工程实践对水泥成分对减水剂的适应性进行分析、论述。
1 工程实例
1. 1 问题的发现
  某水库工程工程所在地气候特点是光热资源丰富,温差大,降雨少,蒸发强烈,属暖温带大陆性荒漠气侯。多年平均降水量53. 3mm ~62. 7mm,多年平均蒸发量2273mm ~ 2788mm, 平均相对湿度为45% ~47% ,多年平均气温11. 5℃,夏季炎热,极端最高气温达43. 6℃。全年以晴天为主 ,日照时间长,太阳幅射能量多,昼夜温差大,春季多风。
  该工程坝体结构是砂砾石均质坝,护坡采用现浇混凝土面板, 现浇混凝土板的设计指标为C30F300。实验室通过试验提交的配合比见表1


  该工程在正式进行护坡混凝土施工前,为了检验混凝土配合比和拌合系统并保证混凝土的正常施工, 进行了坝坡混凝土的试浇筑。在工地现场试浇坝坡混凝土时发现,混凝土拌合物坍落度不到1cm ,远低于试验时的坍落度7cm ,且凝结时间非常短,现场来不及收面。经过多次试拌调整其结果均不理想,无法保证正常施工。
1. 2 试验比对
  为了分析找出试浇筑失败的原因,试验人员对工地现场使用的原材料进行了检验。检验结果表明,各项原材料的质量均符合国家规范要求。经过研究分析,最终把重点放在了水泥与高效减水剂的适应性方面,并安排了工地现场水泥与不同掺量的高效减水剂的净浆流动度试验。通过试验发现:
  工地现场的水泥( 4月14日出厂,简称工地水泥) 与高效减水剂的适应性极不好,远远不如2月3 日进行混凝土配合比设计试验所使用的同一生产厂的同一品种的水泥(该水泥系元月下旬出厂的32. 5R普通水泥,简称“试验水泥 ”)与高效减水剂的适应匹配效果,详见表2。

  由表2明显看出,试验水泥净浆掺0. 5%高效减水剂的流动度达到220mm,而工地水泥净浆掺2%的高效减水剂还不到前者的流动度,其掺量差别,后者是前者的四倍。说明试浇筑混凝土失败的原因主要是水泥与高效减水剂的适应性差。
  因为试验时使用的高效减水剂还有样品而水泥没有留样,为了排除高效减水剂的因素,又使用试验时使用的减水剂和工地水泥进行适应性试验,见表3。

   
  比较表3 中同掺量高效减水剂对净浆流动度影响,发现试验使用的减水剂和工地现场的减水剂对工地水泥净浆的适应匹配效果基本上相同,都比较差,这就排除了混凝土配合比试验使用的减水剂与工地现场减水剂存在性能差别对水泥净浆流动度产生的影响。这说明影响工地水泥与高效减水剂适应性不好的因素与减水剂无关,而主要在于水泥发生了变化。
根据国内外研究,水泥影响其与减水剂适应性的主要原因有3个方面,一是水泥中掺加的调凝剂石膏不是二水石膏(CaSO42H2O),而是半水石膏;二是水泥中熟料的矿物成分铝酸三钙(C3A)含量过高;三是水泥中碱含量(R2O =Na2O+Q 653K2O)偏高。其中第一种原因使用缓凝减水剂木钙就可以鉴别,因为含硬石膏的水泥遇到糖类、木质磺酸盐类减水剂时,会造成水泥急凝;后两种原因可以根据所用水泥熟料的化学分析了解C3A和R20的高低。为此,我们使用工地水泥在掺加高效减水剂的同时,又掺加缓凝减水剂木钙0.2%,观察其是否缓凝。试验结果见表4。


  试验表明,木钙对工地水泥起促凝作用,其净浆在25min时已无流动性,说明工地水泥调凝剂中有半水石膏。
1. 3 原因分析
  通过对工地水泥的生产工艺等情况进行了解,我们认为元月下旬和4 月14 日出厂的同品种水泥在试验中和减水剂适应性的不同反差正是与水泥生产季节密切相关。分析其原因主要有以下几点:       
      (1)熟料粉磨温度的影响。元月份气温低,入磨机的水泥熟料温度也很低,由于气温为负温,磨机温度也较低;四月份气温升高,水泥需求量增大,入磨机熟料的温度也较高,磨机运转时温度也高于元月份,此时温度高于45℃,掺入熟料中的二水石膏,就会发生脱水,二水石膏在45 ~170℃范围内脱水变为 β型半水石膏(βCaSO4 ·1 /2H2O ) , 二水石膏对水泥水化起缓凝调凝作用,β型半水石膏起促凝作用。在磨制水泥工艺过程中,因温度过高二水石膏变成半水石膏的量越多,其缓凝作用越减弱,促凝作用越增强。
     (2)熟料煅烧工艺的影响。据厂家提供,该厂生产普通水泥使用的熟料有旋窑和立窑两种,且立窑多于旋窑。旋窑熟料的C3A 和碱含量偏低,立窑熟料的都偏高。元月份水泥需求量少,水泥以旋窑生产的熟料为主,因此水泥中C3 A 和碱含量数量偏低,天气转暖后,施工季节来临,水泥需求量增大,为保证水泥供应,在普通水泥使用的熟料中,增加立窑熟料的比例,也就相对增加了水泥中C3A和碱含量的数量。
  以上几种原因的叠加,造成该水库工程试拌使用这种水泥时,出现了水泥与减水剂的适应性劣化的现象。在这里需要再说明一点,使用这种水泥,只有掺加减水剂才会有“适应性 ”的问题。并且随着混凝土水胶比的降低其反应更强烈。因为该水库工程混凝土的水胶比较低,因而反应很明显。
2 结论
  综上所述,水泥与减水剂适应性的好坏直接影响混凝土拌合物的工作性。因此在施工时对水泥的选择应考虑以下几个方面: ( 1 )尽量选用用二水石膏做调凝剂的水泥。避免使用含硬石膏的水泥,在水泥磨细过程中严格控制磨机温度, 避免或减少石膏脱水。( 2)选择碱含量低的水泥。碱含量不但使减水剂与水泥的适应性变差,而且会引起混凝土的碱骨料反应。因此应该严格控制水泥中的碱含量。( 3 )选择C3A 含量低的水泥; ( 4)优先选择旋窑生产的水泥;

 
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