混凝土外加剂与水泥双向适应性分析.pdf

2 0 1 3年 第 4 期 总 第 2 8 2 期 ) Nu mb e r 4 i n2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI AND ADM I NI C【 正 d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 3 0 4 0 2 5 混凝土) l , t n 剂与水泥双向适应性分析 宋 良瑞 ( 四川建筑职业技术学院，四川 德阳 6 1 8 0 0 0 ) 摘要 ： 混凝土外加剂与水泥的适应性是一个复杂的问题 ， 影响两者适应性 的因素诸多。 随着我国建筑业的迅速发展 ， 近年来 外加剂新品种的增加和应用范围的不断扩大， 两者适应性的问题将会更复杂。 为更好地服务于实际工程 ， 简单介绍了影响混凝土 外加剂与水泥适应性的主要因素 ， 针对两者的作用机理分别提出了加强两者适应性的相应措施 。 关键词 ： 混凝土外加剂；水泥；适应性 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 2 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 9 0 0 4 Ana l y si s on a da pt a bi l i t y be t w ee n c onc r et e adm i x t ur e and ce m en t S ONG Li a n g- r u i ( S i c h u a n C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r a l T e c h n o l o g y ， D e y a n g 6 1 8 0 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e a d a p t a bi l it y b e t we e n c o n c r e t e a dmi x t u r e a nd c e me n t i s a c o mpl e x p r o b l e m Th e r e a r e s e v e r a l f a c t o r s h a vi n g i n f l u e nc e o n t h e a d a p t a b i l i ty o f b o th Wi t h t h e d e v e l o p me n t o f c o n s t r u c t i o n i n d u s t r y i n o u r c o u n t r y a n d the i n c r e a s e o f t h e a d mi x t u r e S v a r i e t i e s a n d s c o p e ， the p r o b l e m w i l l b e mo r e c o mp l e x I n o r d e r t o s e r v e t h e a c t u a l p r o j e c t ， i t i n t r o d u c e d the m a i n f a c t o r s w h i c h h a d i n fl u e n c e o n the a d a p tab i l i ty b e twe e n c o n c r e t e a dm i x t u r e and c e me n t Ac c o r d i n g t o the b o th me c h ani s m， a l s o g a v e me a s u r e s t o s tre n g t h e n the a dap ta b i l i t y b e tw e e n t h e m Ke y wo r d s ： c o n c r e t e a dm i x t u r e ； c e me n t ； a d a p tab i l i ty 0 引言 我 国经济 的迅速发展带动了建 筑业 的发展 和相关技 术的不断进步 ， 同时对建筑材料 的要求也越来越高 ， 这其 中包括水 泥混凝 土 。 建筑 产品设计要求 和施 工质量 的提 高， 不仅要求混凝土高强、 早期强度高、 密实性高、 流动度 大 、 水化热低 、 耐久性好且质轻 ， 同时还要求水泥混凝土生 产成本低 、 容易成型且 易于养 护 ， 这些要求促成 了混凝土 外加剂的普遍应用和迅速发展。 作为现代混凝土制备和生 产施工技术中不可缺少的第五部分 ， 混凝土外加剂是保证 混凝土实现高性能的重要措施和方法之一。 水泥作为混凝 土 的重要组成部分 ， 它和外加剂的适应性影响着混凝土的 整体性能 ， 而两者 的适应性问题涉及到水泥化学 、 表面物 理学 、 高分子材料学和 电化学方面 的知识 ， 是一 门极其复 杂 的难题。 对于外加剂与水泥的适 应性 ， 混凝 土外加 剂应用技 术规范 给出如下定义 ： 将经检验符合有关标准的某种外 加剂掺入按规定可以使用该品种外加剂的水泥中， 所配制 的混凝土或砂浆若能够产生应有的效果， 就认为该水泥与 这种外加剂是适应的； 相反， 如果不能产生应有的效果 ， 则 该水泥与这种外加剂不适应 。 水泥 和外加剂不适应性 问题 的产生主要和水泥 的选 收稿 日期 ：2 0 1 2 1 0 1 9 9 0 用 、 胶凝材料的成分 、 水泥的细度 、 外加剂 的品种 、 作用机 理、 制造工艺等有关， 同时加料的方式和掺量以及环境温 度等也会 对两者 的适应 性造成影响 。 若 出现不适 应 的问 题 ， 则可能导致外加剂使用效果欠佳 、 坍落度损失快 、 水泥 缓凝或凝结速度太快， 严重的甚至造成混凝土强度的降低 等 ，因而对混凝土外加剂与水泥两者 的相互适应性进行研 究十分必要。 以下主要从两者的相互影响进行 了简要分析。 1 混凝土外加剂对水泥的影响 混凝土外加剂是指在混凝土 的拌制过程中加入 的、 掺 量不大于水泥质量 5 ( 不含特殊情况 ) 的、 用于改善混凝 土某种性能的物质， 按其使用功能主要可分为 4 类 ： 用于 混凝土拌合物流变性能改善的外加剂， 主要包括引气剂、 减 水剂和泵送剂 ； 用于改善混凝土硬化性能和调节凝结 时间 的外加剂 ， 主要有缓凝剂 、 早强剂和速凝剂 ； 用于增强混凝 土耐久性的外加剂， 主要有防水剂、 阻锈剂和引气剂等； 用 于混凝土其他性能改善的外加剂， 包括膨胀剂、 防水剂、 防 冻剂、 加气剂、 着色剂等。 混凝 土外加 剂的使用对水泥石 的内部空 隙结构起 到 了改善作用 ， 同时还协调了水泥的强度发展 、 对其胶凝成 分 的水化进程进行调节 ， 并且能对水泥水化产物的结构和 组成起到有效地改善作用， 因而其对水泥的影响不容忽视。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 以下简要介绍 了几种常见混凝土外加剂对水泥的影响。 1 1 减水剂的影 响 作为表面活性剂的一种， 减水剂吸附在矿物掺合料颗 粒和水泥表面 ， 改变 了其空间位阻的特征和电学特征 ， 进 而实现 了对颗粒间相互作用的影响 ， 达到塑化胶凝材料和 分散颗粒的 目的。 减水剂改变水泥等胶凝材料颗粒表面特性的方式主 要有： 吸附在固体颗粒表面的减水剂可以使颗粒表面带 有与其数值相同的负电位 ， 增加表面电位的绝对值 ， 进而 促使静电斥力的产生； 产生在减水剂吸附层的立体空间 位阻效应。 上述两种方式的作用， 其一可以使固体颗粒更为 分散 ， 其二可以使水泥浆体中的絮凝结构得到破坏， 促进 絮凝结构包裹的水分得到释放 ， 增加混凝土拌合物中自由 水的含量。 混凝土拌合物流动性能的增加主要依靠加入减 水剂后上述两种效应 的共同作用 。 因而在考虑两者适应性 时， 主要考虑减水剂的减水率、 分散性、 掺量等。 1 2 缓凝剂的影响 缓凝剂是一种通过推迟水泥 的水化反应从 而将混凝 土的凝结时间延长， 在较长时间内保持新拌混凝土的塑性 ， 提高施工效率 ， 便于浇筑， 同时不会对混凝土的各项后期 性能有不 良影响的外加剂。 缓凝剂可按其化学成分进行分 类 ， 为有机缓凝剂和无机缓凝剂 。 一 般情 况下 ， 很多有 机缓凝 剂具有 表面活性 ， 它们 吸 附在胶凝材料 、 液体和颗粒的 固一 液界面上 ， 使得固体颗粒 的表面性质变化； 大量的水分子依靠分子中亲水基团得到 吸附 ， 因而形成 了较厚 的水膜层 ， 改变 了混凝土结构 的形 成过程， 使晶体从颗粒接触变为相互屏蔽 ； 某些缓凝剂的 分子 中具有特殊官能团， 可以和游离的 C a 结合生成难溶性 的钙盐， 这些钙盐在固体颗粒表面吸附从而使水泥的水化 进程得到抑制， 实现缓凝 。 大多数无机缓凝剂通过与水泥生 成复盐如钙矾石 等并在水泥矿物颗粒表面形成沉淀 ， 进 而 抑制水化进程。 缓凝剂的作用机理十分复杂 ， 一般情况下是 上述多种机理综合作用的结果。 表 1 为三聚磷酸钠对水泥 净浆凝结时间影响。 表 1 三聚磷酸钠对水泥净浆凝结时间影响 缓凝剂在使用时要注重品种的选择和掺量的确定， 如 若选择不当或超量则可能导致混凝土早期强度急剧下降， 还可能导致其中后期强度的降低。 这主要是由于过度缓凝 致使长时间内混凝土没有凝结硬化， 造成了混凝土内部水 分散失过量， 导致水泥水化程度低、 水化产物过少 ， 对混凝 土强度 的损 失不 可逆转 。 因此 ， 在进行缓凝剂种类的选择 时要充分考虑混凝土原材料之间尤其是缓凝剂和水泥的 匹配适应状况、 施工工艺、 施工季节等因素， 并严格控制其 掺量 。 1 3 膨胀剂的影响 膨胀剂通过产生一定的限制膨胀从而补偿混凝土的 收缩 ， 提高 了混凝土 的抗渗 防裂性能 ， 同时在多向约束条 件下保证其强度、 密实度和耐久性均有所提高。 即便如此， 混凝土膨胀剂的应用仍存在很多问题 ， 主要是 因为掺加膨 胀剂后混凝土常不能产生预期的膨胀， 中后期的混凝土结 构甚至出现变形和开裂 的情况 。 此外 ， 膨胀剂也对混凝土 的耐久性和钢筋抗锈蚀能力有所影响。 导致构筑物裂缝产生的原因很复杂 ， 就材料而言 ， 其主 要原因为混凝土的收缩和徐变。 研究表明， 水泥拌和后所产 生的化学 收缩值大致为 7 9 mL 1 0 0 g ， 当混凝 土中的水泥 用量为 3 8 0 k g m ， 其化学减缩达 2 6 6 3 4 2 1 m L m 3 ， 内部 形成了许多孔隙。 在水泥的水化及硬化过程中， 膨胀剂除 了产生 自身膨胀外还能与水泥混凝土中的其他成分反应 产生膨胀 ， 从 而使得水泥和混凝土 的收缩得 以补偿 。 膨胀 剂 的膨胀机理 因种类不同而有 区别 ， 其膨胀产生物也有差 异 。 目前硫铝酸盐系膨胀剂应用最为广泛 。 1 4 其他外加剂 的影 响 随着建筑行业 的发展 ， 外加剂的研究和应用也随之取 得了较大的发展。 引气剂、 早强剂、 防冻剂等外加剂的研究 和使用在一定程度提高水泥混凝土的性能， 但其对水泥的 影响也不容忽视 。 引气剂是 指为改善混凝土拌合物 的和易性在搅拌过 程 中引人大量均匀 、 稳定 、 封闭的微小气泡 ， 并在水泥硬化 后仍能 留有微小气泡 以增强 混凝 土抗冻性 和耐久性 的外 加剂 。 防冻剂是指在一定负温条件下， 能显著降低冰点并使 混凝土液相不冻结或部分冻结 ， 减少 混凝 土的冻害 ， 从而 解决冬季混凝土施工的一种外加剂。 同时 ， 防冻剂在负温条 件下能保证水与水泥能进行水化， 促进砂浆和混凝土的强 度增长 ， 使其在一定时间内获得预期强度。 上述两种外加剂都对水泥有影响。 例如在新型防冻剂 中， C a C 1 ： 对水泥混凝土的早强作用机理主要有以下两种 论点 ： 一是水泥的水化受 C a C 1 ： 的催化作用 ； 二是 C a C I ： 参 与水泥水化反 应生成复合水 化硅酸钙 ( c ， S C a C 1 2 H 2 0) ， 同时 ， 在石膏存在下与水泥 中 C 3 A作用生成水化氯铝酸盐 ( c 3 A C a C I 2 1 0 H 2 0和 C C a C I 2 3 0 H 2 0) 。 N a C 1 与水泥熟 料的反应能力不如 C a C I 强， 它残留在液相中的数量较多， 而混凝土中N a 的引入使碱性大大提高， 不利于混凝土的 稳定性 。 1 5 外加 剂的选用。 每种外加剂都有其发挥效用 的领域 ， 只有在其适应的 混凝土中外加剂的功效才能得以充分发挥。 表 2 为一些外 加剂 的适用领域 。 2 水泥对外加剂的影响 水泥和外加剂 的适应性是双 向的 ， 对两者适应性造成 影 响的因素很多， 主要包括有水泥 的化学成分 、 矿物组成 、 水泥颗粒级配、 水泥细度、 水泥中的含碱量、 石膏的种类 、 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 混凝土外加剂适应范围 水泥的陈放 时间、 水泥温度 、 掺量等 。 2 1 水泥的化学成分和矿物组成对外加剂的影响 水泥的强度及流动性的增长很大程度上受其化学成 分和矿物组成对外加剂吸附能力的影 响， 水泥浆体吸附外 加剂的量越少其流动度越大 。 通常情况下 ， 水泥的矿物组成 包括硅 酸二钙 ( C ： S ) 、 硅 酸三钙 ( c ， s ) 、 铝酸三钙 ( C ) 、 铁 铝酸四钙 ( C AF ) 等 ， 水泥的原材料和生产工艺是其矿物组 成 主要决定 因素。 水泥 的矿物组成对外加剂 的影响程度依 次为 ： C 2 S C 3 S 8 ) ， 则其吸附外加剂的量过大， 导致外加剂 的作用损失大 ， 造成浪费 。 且 c A 或其初期水化物对高效 减水剂有优先吸附功能 ， 同时 C A 的水化速度 比C , A F 快 ， 因而导致 C F的含量影响相容性 的程度 比 C A 小很多 。 实行水泥新标准后 ， 生产厂商为提高水泥强度而增加 c F 与c A 的含量， 但却导致外加剂使用效果差的现象。 因而为 保证外加剂 的良好适应性 、 提高混凝土体积稳定性 、 降低 开裂趋势就要严格控制水泥中 c A、 c F的含量 。 2 2 水泥调凝剂对外加剂的影响 在水泥生产中常添加的调凝剂有二水石膏 、 半水石膏 、 硬石膏、 电石渣 、 柠檬酸渣、 工业废石膏等。 这里主要介绍 前三种石膏 ， 其对外加剂 的影 响程度 依次为 ： 二水石膏 半水石膏 硬石膏。 石膏的细度 、 形 态 、 研磨 温度 、 用量等 均对外加剂的适应性有影 响。 三种石膏 中硬石膏 的溶解性 能较差 ， 一些外加剂如木钙 、 糖钙等与其 同用后 ， 非但不能 加快石膏的溶解 ， 反而会使硬石膏的溶解度降低 ， 使水泥 缺少调凝剂而产生严重的不相容， 甚至出现假凝。 在水泥生 产过程中要严格控制研磨温度， 因为研磨机内温度升高会 使一部分二水石膏脱去结晶水转变为半水石膏甚至无水 石膏( 硬石膏) ， 造成不相容的异常现象。 此外， 用硬石膏做 调凝剂后， 水泥需水量增大导致外加剂吸附量增大， 造成 外加剂的损失 。 9 2 2 3 水泥细度和颗粒级配对外加剂的影响 为了降低成本、 提高产量 、 增强市场竞争力， 水泥生产 厂家往往通过加强水泥的研磨细度来提高水泥的强度。 但 水泥研磨过细则需水量的增大， 导致外加剂吸附量 的增加 ， 造成外加剂作 用损失 ； 同时 ， 水 泥的温度 随着研磨时 间升 高 ， 因而更多的水合石膏脱 水生成无水石膏 ， 导致外加剂 与水泥的适应性变差。 研究表明 ， 高效减水剂 的饱和掺量受水 泥颗粒级配的 影 响不大 ， 但在水泥 比表面积相近的条件 下 ， 保持较 大的 减水剂掺量或较大的水胶比， 水泥浆体的初始流动性将在 很大程度上受水泥颗粒 中微细部分颗粒( 3 m) 的含量的 影响 ， 含量越大流动性越强 ； 但是 ， 水泥的浆体流动度损失 也与微细颗粒含量 的增大密切相关。 在掺减水剂水泥浆体 的溶液 中， 水 泥浆体流动性 的保 持效果受减水剂的浓度决定 ， 若要保持浆体的流动性效果 ， 则需增加减水剂浓度 。 2 4 水泥的碱含量对外加剂的影响 水泥所用原材料是其碱的主要来源 ， 尤其是水泥中的 黏土和石灰。 碱含量过低( 碱含量 0 8 ) 的水泥 ， 均容易与外加剂产生不适应。 水泥 的相容性 受含碱量的影响很大 ， 含碱量越低相容性越好。 水泥的含碱 量提高则会使其的早期水化速率加快， 缩短混凝土的凝结 时间， 导致坍落度损失增大、 塑性效果变差。 此时为了改善 外加剂与水泥的适应性 ， 可在水泥 中加人可溶性 的 N a z S O ， 或掺人矿粉 、 粉煤灰等能够与水泥的水化产物 C a ( O H) ： 发 生二次反应 的物质 ， 以降低混凝土的碱度。 2 5 水泥的陈放时间和水泥温度对外加剂的影响 试验表明， 新鲜水泥在生产后 1 2 d内吸附的外加剂量 较大， 大部分水泥 1 5 d 后趋于正常。 这是由于出磨时间短 的水泥粉磨时产生电荷， 因而水泥与外加剂的颗粒间凝聚 和相互吸附能力强。 此外， 新鲜水泥显出的正电性强， 对呈 负 电性的阴离子型表面活性剂 吸附能力强 ， 因此表现 出减 水剂的减水率低， 混凝土的坍落度损失快， 与减水剂的适 应性差。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 同时 ， 新鲜水泥干燥度高 ， 表面温度可高达 8 0 9 O， 早期水化时发热大 、 速度快 ， 造成需水量增大 ， 对外加剂的 吸附量也随之增大 。 同等掺量时 ， 流动度变小 ， 必然会导致 混凝土坍落度损失快 、 凝结时间短等不 良现象的发生 。 3 混凝土外加剂与水泥适应性的改善措施 混凝土外加剂与水泥的适应性 问题相当复杂 ， 但两者 间适应性的预防和处理又是当代混凝土生产过程中不可 避免的过程 。 增强外加剂和水 泥的适应性 主要可 以从以下 几个 阶段进行 。 图 1 为改善混凝土外加剂与水 泥适应性的 主要措施。 在确定混凝土 的配合 比时 ， 需要考虑的因素还有混凝 土的凝 结时间 、 较高的气温突然骤降等 ， 以免造成混凝 土 强度降低或长时间等现象的发生。 如果在确定配合比过程 中出现水泥与外加剂不适应的问题 ， 混凝 土厂家应根据实 际情况及时分析查找不适应 的原 因， 在试验 的基础上 调整 混凝土配合比， 最大可能地减少坍落度损失， 提高混凝土 的出厂坍落度。 - 9外 加剂 ： 复 配 外加 剂时 ， 正 确选 择 外加 剂种 类 ， 调 整 粉煤 灰用 量 ， 适当 提 高 外加 剂 用量 原材 的生产 一 H磨机内物 _ J， I E I l l 料 漏 席 - 9水 泥 ： 选 择 需水 量小、 流 变性 好、 反 应 性能 低、 强度 较高 的水 泥I 原 材料 的 选 择t- - - - - - 9外 加 剂：采 用复 合 外加 剂时 ，选用 能 使已 知 水泥 砂浆 流 动度 大的 外 加剂 - 9粉 煤 灰 ： 烧 失量 5 、 需 水 量 l 0 0 的 I 级 或 I I 级粉 煤 灰l 7 -q改 变 外加 剂的 掺 入时 间 ， 采 用 后掺 法 或滞 水 法 l掺 人方 法 t - - 采用二次添加法， 出厂混凝土坍落度控制在8 0 1 0 0m m， 使用前用外加剂溶液强搅拌约2 ra i n ，将混凝土坍落度调整到l 4 0m m 做好 材 料的 人 场检 验I 7 I施工 环境 卜 保证 施 工现 场 无其 他物 质的 干 扰和 污 染l 夏季 施 工避 开 高温 、 风大 时 段，对 原材 料 进行降 温 处 理I 图 1 混凝土外加剂与水泥适应性的改善措施 总之 ， 混凝土外加剂和水泥之 间的适应性是一个错综 复杂 的问题 ， 若在施工现 场遇到此类 问题 ， 首先应该遵 照 一 般规则将不适合的外加剂和水泥排除 ， 然后在多次试验 的基础上 ， 缩小外 加剂 和水 泥品种的选择 范围 ， 最后通 过 试拌混凝 土来尝试解决 ， 若不能解决则应将不适应所造成 的损害减到最低 。 参考文献： 【 1 1董荣珍 化学外加剂对高性能水泥水化及初始结构形成的调控 机理的研究 D 武汉 ： 武汉理工大学 ， 2 0 0 5 2 2 柴春风 防冻外加剂对客运专线用高性能混凝土性能的影响研 究 D 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 1 1 3 3张文平 新型混凝土引气剂和防冻剂研究【 D 】 大连： 大连理工大 学， 2 0 0 6 【 4 】柯蕾， 黄仕阶， 帅希文， 等 浅谈混凝土外加剂与水泥的适应性 及对混凝土性能的影响 J 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 1 0 ) 5 】陈伟， 田亚坡， 水中和 减水剂在粉煤灰水泥浆体中的吸附及其 流变性能影响 J 混凝土 ， 2 0 1 2 ( 4 ) 6 6 温国梁 ， 姚学健 ， 白梅荣 混凝土外加剂与水泥适应性分析【J 】 混 凝土 ， 2 0 1 0 ( 1 0 ) 【 7 】 张育北， 武树忠 影响混凝土外加剂与水泥适应性的主要因素叨 建材技术与应用， 2 0 0 9 ( 3 ) 8 王振军， 何廷树 缓凝剂作用机理及对水泥混凝土性能影响 J 公路 ， 2 0 0 6 ( 7 ) 作者简介 ： 联系地址： 联系电话： 宋良瑞( 1 9 8 2 一 ) ， 女， 讲师， 主要研究方向 ： 房屋建 筑学 。 四川建筑职业技术学院( 6 1 8 0 0 0 ) 1 3 7 78 2 0 0 62 1 青岛严查不合格海砂流入工地发现将责令停工 4 月 1 1日， 青岛市城乡建设委发布通告表示， 即日在全市范围内开展建筑施工现场用砂质量专项检查。 据了解 ， 市城 乡建设委建管局将会同市地方建筑材料管理处对市内三区的建筑施工现场用砂进行检查。检查采取现场抽样检测的方 式， 由第三方工程质量检测机构抽样人员现场抽取建筑用砂样品， 盲样送具备相应检测资质的检测机构进行检测， 重点 检测砂中氯离子含量等。 青岛市城乡建设委相关负责人表示， 本次检查将重点检查建筑用砂的进货厂家， 是否具有市建设行政主管部门核发 的 青岛市地材产品备案证 。 施工现场一旦发现无备案证的砂 ， 建设单位必须在 2 4 h内组织各相关责任单位将砂清出施 工现场。对于检查中发现施工现场使用海砂或砂的氯离子含量不符合标准要求的工程， 将会立即责令工程停工， 并追溯 砂的来源， 对生产厂家的产品流向进行追查。 ( 来源： 半岛都市报 2 0 1 3 4 1 2 ) 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m