混凝土工程中外加剂与硫铝酸盐水泥适应性研究.pdf

2 0 1 2 年 第 5期 (总 第 2 7 1 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 MA T ERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 5 0 2 5 混凝土工程中外加剂与硫铝酸盐水泥适应性研究 李方元，唐新军，李双喜。阿里木江 苏拉依曼 ( 新疆农业大学 水 利与土木工程学 院，新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 2 ) 摘要： 结合混凝土工程实际， 考虑水灰 比因素， 选取硼酸缓凝剂、 聚羧酸高效减水剂和萘系高效减水剂 ， 进行了“ 水泥 +缓凝剂” 、 “ 水 泥 + 减水剂” 的二元体系和“ 水泥+缓凝剂 + 减水剂” 的三元体系的相容性对 比试验， 并探究延时加入碳酸锂速凝剂对已缓凝水泥浆凝结 时间重塑的影响。 结果表明： 减水剂饱和掺量选取可只进行“ 水泥 +减水剂” 的二元体系适应性试验； 缓凝剂凝结时间试验应进行“ 水泥 + 缓凝剂 +减水剂” 的三元体系适应性试验； 引入时间重塑率 只的概念， 描述速凝剂的促凝效果。 试验可知碳酸锂有良好的促凝作用， 但对 时间重塑能力有极限， 存在一个最佳掺量。 关键词： 外加剂； 硫铝酸盐水泥；二元体系；三元体系； 适应性 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 7 7 0 3 Ada p t a bi l it y of a dm i x t ur e wi t h s ul phoa l um i n a t e c emen t i n c on cr e t e eng i n ee r i n g L I F a n g - y u a n ， T ANGXi n - j u n ， L I S h u a n g - x i ， Al i m。 S u l a y ma n ( C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c ya n dC i v i l E n g i n e e ri n g ， Xi n j i a n g Ag r i c u lt u r a l Un i v e r s i t y ， Ur u mq i 8 3 0 0 5 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Co n s i d e r e dt h ewa t e r c e me n t r a t i of a c t o ri nt h e c o n c r eEn g i n e e r i n g， t h e c o mp a t i b i l i t yt e s t a mo ngtheb i n a r y s y s t e m o f“ c e me n t +r e t a me r ”a n d“ c e me nt + s u p e r p l a s t i c i z e r a nd t h e t e r n a r y s y s t e m of“ c e me nt + r e t a r d e r +s u p e r p l a s t i c i z e r ”wa s i n v e s tig a t e d b y u s e d b o ne a c i d r e t a r d e r p o l y c a r b o x y l a t e s u p e r p l a s t i c i z e r ( F N D) a n d n a p h t h a l e n e s u p e r p l a s t i c i z e r ( P C) We a l s o e x p l o r e d t h e i mp a c t o n the s e t t i n g t i me o f r e t ard e d s l u r S i n d i c a t e dt h a t ， o n l yd ot h e e x p e r i m e n t o f t h ebina r y s ys t e m o f“ c e me n t + r e t a r d e r ”c a n c h o s ethe s u p e r p l a s t i c i z e r s a t u r a t i o n d o s a g e， bu t the s o l i d i f y i n g t e s t mu s t t o be d o n e b y the a d a p t a b i l i t y e x pe rime n t o f t h e t e rna r y s y s t e m o f“ c e me n t + r e t a r d e r + S u p e r p l a s t i c i z e r ” To d e s c r i b e the a c c e l e r a t i n g e f f e c t o fl i t hi u m c arb o n a t e ， we d e fi ne d a c o n c e p t ， wh i c h m e a ns the r a t e o ft i me r e mol d i n g， a n d f o u n d t h a t t h e r e s t i l l be a b e s t q u a n t i t y o fl i t h i u m c a r b o n a t et o g e t the ma x i mu m 只 Key wor ds ： a dmi x t u r e ； s u l p h o a l u mi n a t e c e me nt ； b i na r y s y s t e m； t e r n a r y s y s t e m； a d a pt a b i l i ty 0 引言 硫铝酸盐水泥具有显著的低烧成温度及低碳排放的环境 效益特点和快硬、 早强、 负温工作性和耐久性好等工作特点， 在 工程建设中将得到越来越广泛的应用 。 鉴于硫铝酸盐水泥与 外加剂也存在适应性问题 ， 本研究结合混凝土工程实际要求 ， 考虑水灰比因素， 通过缓凝剂调凝试验， 减水剂适应性试验， 以 外加剂掺量、 净浆流动度及经时损失 、 强度等为考察指标 ， 对 “ 水泥 +缓凝剂 +减水剂” 三元系统适应性进行试验研究。 还考 虑到实际工程中预拌混凝土运输到施工现场的时间可变化性 ， 实验室试验将已缓凝净浆静置一段时间后重新加入碳酸锂速 凝剂， 即模拟施工现场填加速凝剂， 探究其对以调凝混凝土的 凝结时间重塑的影响。 通过以上研究 ， 为人们更好地认知硫铝 酸盐水泥， 并为其在混凝土工程中的应用和推广提供理论数据 支撑。 1 试验原材料 和试验方法 1 1 试验 原材 料 ( 1 ) 水泥 ： 唐山六九水泥有限公司生产的 4 2 5级快硬硫铝 酸盐水泥( 其各项物理指标见表 1 ， 化学指标见表 2 ) 。 表 1 4 2 5级快硬硫铝酸盐水 泥物理指标 注 ： 抗折强度和抗压强度 3 d值均 已超过规定的 2 8 d 标 准 ， 故 2 8 d的强度没有测量。 表2 4 2 5 级快硬硫铝酸盐水泥化学成分 ( 2 ) 缓凝剂： 分析纯硼酸。 ( 3 ) 减水剂： 天山精细化工有限公司生产的F ND高效减水 剂( 固体) 和北京市世纪海马新型建材有限公司生产的聚羧酸 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 1 - 2 8 基金项目： 新疆高等学校科研计划重点项目资助( X J E D u 2 o O 8 I l 5 ) ； 新疆水利水电工程重点学科项目C x j z a x k - 2 0 0 9 1 2 0 6 ) 77 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高效减水剂( 简称 P C) ( 液体， 浓度 2 3 ) 。 ( 4 ) 速凝剂 ： 分析纯碳酸锂。 ( 5 ) 砂 ： I S 0标准砂 。 ( 6 ) 水 ： 自来水 。 1 2试 验 方 法 缓凝、 速凝试验参照 G B T 1 3 4 6 -2 0 0 1 水泥标准稠度用水 量 、 凝结时间、 安定性检验方法 。 “ 水泥 +缓凝剂” 缓凝试验是 通过改变硼酸缓凝剂的掺量 ， 测定标准稠度水泥浆的初、 终凝 时间， “ 水泥 +缓凝剂 +减水剂” 添加水灰比0 3 、 0 4系列 ； 促凝 试验是选取标准稠度的初凝时间控制在 3 6 h的缓凝净浆 ， 拌 制后静置 3 、 4 h ， 填加不同量的促凝剂重新拌制， 测定初、 终凝 结时间， 用以探究施工现场添加促凝剂， 延迟加入时问及掺量 对缓凝净浆凝结时间的重塑能力 。 水泥胶砂强度试验参照 G B T 1 7 6 7 1 -1 9 9 9 水泥胶砂强度检验方法 ， 试件尺寸4 0 mm 4 0minx l 6 0mm， 6 h 拆摸后标准养护 ， 测 1 、 3 、 2 8 d龄期强度 。 减水剂与水泥适应性试验参照 G B T 1 0 8 3 -2 0 0 8 水泥与减 水剂相容性试验方法 。 试验选取配制高性能混凝土常用的聚羧 酸高效减水剂和萘系高效减水剂( F ND) ， 对水灰比分别为 0 2 、 O 3 、 0 4的水泥净浆进行适应性试验， 以探究两种减水剂对硫铝 酸盐水 的作用效果。 评价指标为净浆流动度 、 饱和掺量、 经济 性。 最终通过对“ 水泥+缓凝剂 +减水剂” 三元系统适应性进行 试验， 与“ 水泥+缓凝剂” 和“ 水泥 +减水剂” 的二元体系做一对 比研究， 以外加剂掺量、 净浆流动度及经时损失为考察指标。 2 试验 结果及分析 2 1 二 元体 系适 应性 试验 2 1 1 “ 硼酸缓凝剂 +水泥” 调凝试验 硫铝酸盐水泥的凝结时问快， 不能够满足预拌混凝土拌制、 运输 、 施工的时间性要求， 因此需要进行凋凝试验。 试验选取常 用的硼酸做缓凝剂， 通过改变硼酸掺量测量标准稠度水泥净浆 的凝结时间， 见图 1 。 可知净浆初 、 终凝时间随硼酸掺量的增加 而延长， 较小掺量的硼酸就可获得适宜的凝结时间， 硼酸缓凝 剂的适宜掺量为 0 1 0 2 。 过量的硼酸会导致水泥浆长时间 不凝 ， 且对强度有损害， 见图 2 。 硼酸掺量为 0 4 时， 水泥胶砂 长时间不凝 ， 2 4 h尚不能拆模 ， 对比空白样 3 、 2 8 d强度减损分别 为 3 6 3 5 、 3 0 1 4 。 硼酸缓凝剂不会拉长初凝和终凝时间间隔。 初、 终凝时间间隔时间短， 约为 2 0 mi n左右， 这对混凝土浇筑后 强度发展是有利的。 试验可知， 通过调控缓凝剂的掺量， 可以调 配出满足工程施丁时间性要求 的混凝土。 曼 皇 厘 鲁 好 硼 酸 掺 量 图 1 水泥净浆凝结时间与硼酸掺量关系图 2 1 2 “ 减水剂 +水泥” 适应性试验 减水剂是配制高性能混凝土的必不可少的成分。 减水剂的 减水效果与水泥品种和组分有关 ， 存在与水泥相容性问题。 因此 7R 1 3 28 养 护龄期 ， d 图 2水泥胶砂强度与硼酸掺量关 系图 利用硫铝酸盐水泥配制高性能混凝土， 需对减水剂进行适应性 试验， 试验结果见图 3 5 。 25 O 2O0 l 云1 5 0 督 m o 好 50 宣 g 需 媛 舟 吕 皇 、 l 鲢 需 媛 蹙 O 0 2 5 O 5 O 0 7 5 1 O O 1 25 减 水剂 固含量 图 3水灰 比 O l 2减水剂饱和掺量 减水剂 同含量 图 4 水灰比 0 3减水剂饱和掺 量 减水剂 固含量 ， 图 5 水灰 比 0 4减水剂饱和掺量 由试验结果可知 ， 水灰 比 0 2 、 0 3 、 0 4时 ， F N D饱和掺量分 别为 1 、 O 7 5 、 0 7 5 ， P C饱和掺量分别为0 5 、 O 2 5 、 O 1 。 整体上随着水灰比的增大， 两种减水剂的饱和掺量在减低； 相 对 F N D， P C较小掺量下即可获得较高的净浆流动度。 具体的， 水灰比为 0 2时， 减水剂饱和掺量下， P C较 F D N口1获得的较高 净浆流动度。 F N D减水效果不理想 ， 建议从混凝土工作性能方 面考虑使用聚羧酸减水剂； 水灰比为 0 3时， 两种减水剂在最佳 掺量时均可获得较高的净浆流动度 ， 掺 P C比掺 F N D可获得稍 大水泥净浆流动度， 但两者饱和掺量比较接近。 水灰比为 0 4 时 ， 2 0 8 6 4 2 O 苫 骥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 减水剂饱和掺量下， P C和 F D N基本上可获得相同的净浆流动 度。 说明水灰比 0 3 、 0 4时 ， P C、 F N D与水泥均有较好的适应 性 ， 拌制混凝土可以获得适宜的工作性能 ， 但考虑到 P C的市 场价格约为 F ND的 1 5 2 倍 ， 在减水剂饱和掺量下， 水灰比 0 3 时， P C的费用约为 F N D的 1 8 倍 ； 水灰比 0 4时， 两者费用几 乎相同。 故水灰比为 0 3 、 0 4时应综合减水剂所获得的工作性 能和经济性两方面考虑。 2 2 三元 体 系适应 性试 验 实际上使用硫铝酸盐水泥拌制商l生能混凝土， 要解决“ 水泥 + 缓凝剂 十减水剂”的三元体系的适应性问题。 硼酸缓凝剂具有 “ 缓凝和减水” 的双重效果 ， 其工作液相呈微酸性【引 ， 而 F N D高效 减水剂通常呈碱性， 两者结合可能对净浆凝结时间和流动度有 重塑的效果， 因此硼酸和F N D减水剂同样存在适应问题。 为了更好的说明F N D与水泥的适应性问题， 试验首先设计 了水灰比 0 2时， 净浆引入 0 1 7 5 掺量的硼酸。 相对饱和掺 1 的 F ND减水剂， 硼酸的加入使得初始净浆流动度由2 1 7 h i m减 为 1 6 5 mm， 损失了近 2 5 。 而掺入 P C净浆流动度由2 3 5 m i l l 增 大到 2 5 0 i Y l n q 。 分析原因可能就在于， 小水灰比时F ND掺量较大 ， 而浆体液相中F N D的碱性削弱了硼酸发挥效能所需的酸性环 境 ， 导致两者适应性不 良。 而 P C呈酸性， 与硼酸相辅相成， 适应 性较好。 但水灰比0 3 、 0 4时 F N D从浆体流动性能和经济上都 适宜， 因此 F ND的适应性评价与水灰比有关 ， 这也是混凝土工 程中外加剂与水泥适应性与纯水泥中不同。 试验选取F N D进行三元系统的适应性试验， 试验结果见表3 。 表 3 “ 水 泥+ 缓凝剂+ 减水 剂” 三元 系统适应性试验表 注 ： A系列为标准稠度 ； B为水灰 比 0 3 ； C为水灰 比 0 4 。 对比A系列可知： 相对于单掺硼酸而言， “ 硼酸 +减水剂” 使 得原来的凝结时问向后推移， 但当硼酸掺量一定时， 改变减水 剂掺量， 初、 终凝时间几乎没有改变， 说明硼酸缓凝剂是调控浆 体凝结时间的主导因素。 另对比A 、 B、 C系列知硼酸掺量相 同 时， 随着水灰比的增大 ， 净浆凝结时间也随之延长。 以上说明 ， 配制高性能混凝土时， 净浆凝结试验应根据不同的水灰比做“ 水 泥 +缓凝剂 +减水剂” 的三元体系适应性试验。 添加硼酸缓凝剂 ， 即对净浆初始流动度影响有一定的叠加 作用， 又对净浆流动度经时损失有显著影响。 不掺或少掺硼酸 时， 净浆凝结时间较短 ， 浆体流动度损失较快 ； 硼酸掺量增加 时， 凝结时间拉长， 从 A、 B、 C系列净浆流动度损失可看出， 在 净浆流动度初凝前约 1 h内损失较快， 而从初始时刻到初凝前 1 h流动度都可以得到较好的保持。 原因可能是缓凝期间， 硼酸 分子被吸附在水泥颗粒表面形成吸附膜 ， 制衡了水泥浆的水化， 再加上减水剂的絮凝分散作用从而较好地保持了浆体流动性 ， 但随着水泥的缓慢持续地水化， 浆体液相中不断生成的 C a ( O H) 破坏了硼酸分子吸附膜 ， 水化加剧， 使得后期流动度损失加剧。 但硼酸掺量的变化， 没有改变减水剂的最佳掺量， 说明确定减 水剂的最佳掺量时， 仍可只做“ 水泥 +减水剂” 的二元体系适应 性 试验 。 2 3碳 酸锂速 凝 剂调凝 试验 选取表 3中A 试样， 净浆拌制后静置 3 、 4h ， 添加一定量 的碳酸锂重新拌制 ， 观测净浆凝结时间， 结果见表 4 。 为了更好 地说明碳酸锂促凝的效果 ， 引入新概念时间重塑率只， 表示添加 促凝剂后相对基础样净浆凝结时间的缩短程度 ， 值越大表示 速凝效果越好， 其表达式为： P t = 1 0 0 x ( T o T ) T o ( 1 ) 式中： 只时间重塑率， ； 基础样初 、 终凝凝结时间， m i n ； 基础样添加促凝剂后的初 、 终凝凝结时间， mi n 。 表 4 碳酸锂促凝试验结果 对比 1 、 2 3试样可知当碳酸锂速凝剂延迟 3 h添加后， 试样 凝结时间随速凝剂掺量的增加而缩短， 时间重塑率最大达 1 9 6 。 但速凝剂掺量从 0 0 3 增加到 o o 5 n ， 增大了8 ， 而掺量从 o o 5 wN u N 0 0 7 ， P t 仅增加了 1 8 ， 这说明速凝剂对时间的重 塑能力有限， 存在一适宜掺量， 本试验理想掺量为 0 0 5 。 T程中 还要结合工况、 经济性等方面选择适宜的速凝剂掺量。 对比 2 、 4试样， 速凝剂掺量均为 0 0 5 ， 但相对延时 3 h ， 延 时 4 h添加获的只值减少了近 5 0 。 说明相同掺量的速凝剂延 迟添加时间越晚， 对凝结时间的重塑越不利。 或者说想要获得相 下转第 8 4页 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m