浅析外加剂与水泥的适应性

浅析外加剂与水泥的适应性

摘要混凝土外加剂与水泥适应性问题长期存在于工程,并对工程质量产生较大的影响。本文主要讲述了影响混凝土外加剂与水泥适应性的二大机理,外加剂对水泥的扩散作用和水泥对外加剂的吸附作用。并对影响这二大机理的因素进行了分析。

关键词混凝土;外加剂;水泥;适应性;分散;吸附

1混凝土外加剂与水泥适应性分析

新拌混凝土的和易性(流动性、保水性、粘聚性)差,不能满足工作要求,坍落度经时损失大;混凝土出现速凝、假凝或过度缓凝;所有这些现象均会对混凝土的质量及正常生产产生较为严重的影响。

掺入外加剂后,外加剂与水泥的作用机理为:水泥粒子对外加剂的吸附以及外加剂对水泥的分散作用,水泥加水转变成水泥浆后形成一种絮凝状结构。当外加剂分子被浆体中的水泥粒子吸附,即在其表面形成扩散双电层,成为一个个极性分子或分子团,憎水端吸附于水泥颗粒表面而亲水端朝向水溶液,形成单分子层或多分子层的吸附膜。这就降低了水的表面张力释放出絮凝体中被包裹的水分子。同时,出于表面活性剂的定向吸附,使水泥颗粒朝外一侧带有同种电荷,产生了相斥作用。其结果使水泥浆体形成一种不很稳定的悬浮状态;水泥颗粒表面的润滑作用,外加剂的极性亲水端朝向水溶液,多以氢键形式与水分子缔合,再加上水分子之间的氢键缔合,构成了水泥微粒表面的一层水膜,阻止水泥颗粒间的直接接触,起到润滑作用。因此分析外加剂与水泥适应性可以从“分散”和“吸附”考虑。

1.1外加剂自身特性对水泥塑化效果的影响(分散作用)

混凝土外加剂主要有木质素磺酸盐(简称木钙)、萘系、密胺和聚羧酸盐高效外加剂。从外加剂的组成上分析,外加剂分子是由极性的亲水官能团(SO3H、COOH)和非极性的憎水基两部分组成。含有SO3H官能团的外加剂具有显著的坍落度保持值、适宜的引气性和减水率;含COOH则具有缓凝保坍性能。在所有的高性能外加剂中,不是含SO3H,就是含有COOH,或者同时有之。SO3H、COOH 官能团主宰着外加剂的关键性能,并反映出该外加剂所起的主要作用。因此外加剂也可以分成:磺酸、羧酸及“磺酸—羧酸”三大系列,它们对水泥的分散作用取决于分子特性、聚合性质(碳链、碳环或杂环甚至还含有NH、OH等极性基。)

1.2水泥特性对减水泥塑化效果的影响(吸附作用)

1.2.1 水泥熟料矿物组成的影响

硅酸盐水泥是建筑工程中最常用的水泥,它由硅酸盐水泥熟料、石膏调凝剂和混合材料三部分组成。硅酸盐水泥熟料主要由硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、

铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)组成,它们对混凝土外加剂的吸附能力对于混凝土的流动性及强度增长都有很大的影响,其吸附混凝土外加剂能力的顺序为C3A>C4AF>C3S>C2S。总的来说铝酸盐(C3A ,C4AF)在水化初期其动电位呈正值,对外加剂分子(阴离子表面活性剂)吸附较强,而C3S,C2S在水化初期其动电位呈负值,因此吸附外加剂的能力较弱。所以,在混凝土外加剂掺量相同的情况下,C3A 和C4AF含量高的水泥浆体中,混凝土外加剂的分散效果就较差,混凝土单方用水量大幅增加,坍落度损失加快。而生产硅酸盐水泥熟料主要由石灰石和粘土两大原料,石灰质原料主要提供CaO,常用石灰石、白垩、石灰质凝灰岩等,粘土质原料主要提供SiO2、Al2O3及Fe2O3,常用粘土、粘土质页岩、黄土等。原料的变化将对外加剂的作用效果产生很大的影响。

1.2.2 水泥中石膏形态和掺量的影响

石膏在水泥生产中用于调节水泥凝结时间,常采用天然的或合成CaSO4-2H2O,石膏掺量控制在1.3~2.5%(以SO3%计)。但如果石膏掺量不够或细度不够使石膏不能充分溶解,当溶解度含量小于 1.3%时,不能阻止水泥快凝,则容易产生速凝的现象,但如果溶解度含量大于2.5%时,凝结时间的增长也很少。而在混凝土中,CaSO4-2H2O的调凝效果优于CaSO4-0.5H2O,但在水泥的生产过程中,石膏与熟料的粉磨温度通常较高,从而使二水石膏脱水成半水石膏再脱水成硬石膏,从而影响了石膏的调凝效果。另外有些水泥厂为了节约成本,采用无水石膏代替CaSO4-2H2O,这种水泥在碰到以木钙和糖钙为主要成份的外加剂时会表现出严重的不适应性,因为对木钙和糖钙的吸附能力为CaSO4>CaSO4-0.5H2O>CaSO4-2H2O,因此在无水石膏表面会大量吸附木钙、糖钙分子,被吸附膜层严密的包围起来无法溶出为水泥浆体系统提供必要的SO42-离子,造成C3A大量水化,形成大量水化铝酸钙结晶体并相互连接。这一结果轻者导致混凝土坍落度损失过快,严重者将导致混凝土异常快凝。因而石膏的成份、溶解度含量直接影响混凝土的凝结时间,也影响混凝土外加剂与水泥的适应性。

1.2.3 水泥碱含量的影响

水泥中碱含量主要来源于生产所用的原材料,是按NaO2+0.658K2O计算的重量百分率来表示。水泥中过量的碱会和集料中的活性物质SiO2反应,生成膨胀性的碱硅酸盐凝胶,一方面会导致混凝土开裂,另一方面碱含量的增大降低了外加剂对水泥浆体的塑化作用,使水泥浆体流动性损失加快,凝结时间急剧缩短,减弱了高效外加剂的作用。但当可溶性碱的含量过低时,不仅当外加剂剂量不足时坍落度损失较快,而且当剂量稍高于饱和点时,会出现严重的离析与泌水。大量实验数据表明,碱含量在0.4~0.8%以内时外加剂与水泥的适应性影响很小,而在国家标准中,低碱水泥的碱含量不得大于0.6%,因此为了使外加剂与水泥的适应性较好,碱含量宜控制在0.4~0.6%。

1.2.4 水泥细度的影响

试验表明:随着水泥细度的增加,外加剂塑化效果下降。细度越小比表面积越大,而水泥对外加剂的吸附性随比表面积的增加而增加,在相同的外加剂掺量下,

水泥的需水量随比表面积的增大而增大,同样混凝土坍落度损失也随比表面积的增大而加快,所以,本来在一定掺量下表现为适应的外加剂在水泥细度的提高下会表现出不适应现象。

1.2.5 掺合料种类及掺量的影响

在水泥及混凝土的生产过程中,均掺有一定量的掺合料,如矿渣粉、粉煤灰等,由于这些掺合料的品质及掺量的不同,对混凝土外加剂的作用效果也会产生一定的影响。由于粉煤灰中富含的球状玻璃体对浆体起到“滚珠轴承作用”,随着掺量的增加混凝土流动性增加,外加剂的适应性表现较好。另外由于粉煤灰中的碳会吸附较多的外加剂而使混凝土坍落度下降。单掺矿粉对外加剂的适应性与粉煤灰相似但没有粉煤灰表现得这么明显,由于“微集料效应”,矿粉的粒径比水泥小,填充了水泥颗粒间的空隙,使水泥颗粒间水分得到释放,提高了混凝土的流动性,但掺量超过一定量时,随着比表面积的增加会表现出坍落度损失加快等不适应现象。试验表明,双掺40%,矿粉:粉煤灰=2:1时最佳,此时表现出的混凝土与外加剂的适应性最好。

2结束语

综上所述,混凝土外加剂对水泥的扩散作用和水泥对外加剂的吸附作用是影响水泥与外加剂的适应性的二大关键因素,为了使外加剂与水泥达到最佳适应,对水泥和外加剂做适应性试验和化学分析是非常必要的。