外加剂在商品混凝土中的适应性问题

文章编号:1004—5716(2006)07—0234—03中图分类号:TU528　文献标识码:B 外加剂在商品混凝土中的适应性问题

薛军鹏

(福建省建筑科学研究院,福建福州350025)

摘　要:在论述外加剂作用机理的基础上,讨论了外加剂在商品混凝土生产中的适应性问题,主要包括外加剂与水泥、矿物掺合料及外加剂相互复配之间的适应性问题,并提出了相应的解决措施。

关键词:商品混凝土;混凝土外加剂;适应性;矿物掺合料

混凝土外加剂在商品混凝土中的适应性问题,涉及水泥化学、高分子材料学、表面物理化学和电化学等多方面的知识,是商品混凝土生产与施工中必须面临和解决的问题。水泥新标准在2001年4月1日正式施行后,各水泥厂已采取了一系列重大技术措施来提高水泥质量以适应新标准的要求,主要是提高水泥早期强度、细度(增大比表面积)、C3A的含量、混合料的质量等,使水泥达到新标准的要求,但与外加剂的适应性却增加了不少问题,而且由于我国混凝土生产的原材料由于产地不同而化学成分差异很大,且外加剂生产厂家较多,这也造成外加剂与混凝土掺合料以及外加剂相互之间的适应性问题。

1　外加剂的作用机理

商品混凝土中的水泥等无机矿物颗粒由于范德华力、不同电荷的静电互相作用、水化颗粒的表面化学作用,导致粒子形成聚集结构,束缚一部分水,不能用于滑润水泥粒子,也不能立即用于水化。加入高效外加剂等外加剂后,由于吸附作用和电荷斥力,使水泥粒子分散,絮凝结构解体,释放束缚水并阻止粒子的表面相互作用,使水泥浆体的流动性增大,其增加的大小与其技术性能及掺量有关。

外加剂特别是化学合成的高效外加剂主要有聚羧酸盐(PC)、氨基磺酸盐(AS)、羰基磺酸盐类(SA F)、萘系(NS)、木质素磺硫酸盐类(L S)等等。其中,在分散水泥颗粒方面,NS依靠静电斥力,SA依靠空间斥力,SA F与PC依靠静电斥力和空间斥力两种力的作用,因而效果更好。而对于萘系高效外加剂,其性能涉及磺化程度与成化产物,缩合工艺与程度,分子量大小,平衡离子,分子结构等各种因素。

商品混凝土中使用的外加剂主要是泵送剂,其复配时必须注意各组分之间的相互适应性问题。如国内市场泵送剂的主要成份高效外加剂多为萘系高效外加剂,在低浓型萘系高效外加剂中含有20%左右的Na2SO4,而硫酸盐经常是造成外加剂适应性问题的一个重要因素。掺入过量硫酸钠时,初期由于有较多游离碱(Na2O)而形成的大量A Ft晶体,对水泥矿物包裹作用变差,包裹层容易破裂,浆体中CaSO4浓度显得不足,水泥颗粒水化硬化加快,这样就可能造成坍落度经时损失大或出现假凝。泵送剂的保塑缓凝成分通常是用两种或多种化学成分复配搭配,这些成分的合理搭配也非常重要,有时两种缓凝成份复配后会加强缓凝作用,但另外两种缓凝成分复配就可能出现促凝,即使是两种原来复配后加强缓凝作用的缓凝成分由于量的不同也可能出现相反作用。还有不同的缓凝成分对不同的水泥作用也不同。因此,外加剂在复配时必须注意各组分之间的相互适应性问题。2　外加剂与水泥的适应性

商品混凝土出现外加剂适应性问题时,首先要考虑水泥同外加剂的适应性问题。

2.1　水泥熟料矿物成分

水泥熟料矿物成分因生产厂家在原材料的选择、生产工艺的控制等方面存在差别而有所不同,而不同熟料矿物成分的水泥对外加剂的吸附能力相差甚远。水泥对外加剂的吸附形式和吸附产物有两种观点。一种观点认为外加剂对熟料矿物有选择性吸附,吸附量从大到小的顺序为C3A>C4A F>C3S>C2S。另一种观点认为水泥熟料矿物水化速率快的,水化产物比表面积大的,对外加剂吸附量大,如C3A、C4AF混水水化过程中,ξ电位呈正值,较多地吸附外加剂,C3S,C2S混水水化过程中ξ电位呈负值,吸附量较少。故商品混凝土宜选用C3A含量低、C2S含量多的水泥,如C3A<3%、C4AF<7%、C3S在40%～50%、C2S在40%～50%的水泥。

当商品混凝土发生水泥与外加剂适应性问题时,有效的处理方法是更换水泥品种或重新选择外加剂,但在工程实际施工过程中因多种原因很难做到更换水泥或外加剂。这时可采用在原来外加剂的基础上掺加适量高效外加剂的措施,这样能使混凝土初始坍落度有所提高以达到泵送需要。商品混凝土坍落度损失可通过复配几种缓凝、保塑组分达到保持坍落度损失目的。对水泥品种贮备量小更换过快或使用早强水泥的商品混凝土站更要注意水泥与外加剂的适用性向题,每次需要变换水泥品种时都要提前做试验,以免随意性使用发生质量问题。

2.2　水泥中石膏与外加剂的适应性

用作水泥调凝剂的石膏通常是与水泥熟料共同粉磨,其使用不当也会发生与外加剂的适应性问题。

2.2.1　石膏的类型

石膏有三种形态:二水石膏(CaSO4・2H2O)(又称生石膏)、半水石膏(CaSO4・1/2H2O)(又称熟石膏或烧石膏)、无水石膏(CaSO4)(又称无水石膏或天然石膏)。根据有关标准,三种石膏都可作水泥调凝剂使用,而其中硬石膏溶解性能较差,一些外加剂如糖钙、木钙等与硬石膏同用,不但不能促进石膏溶解,

总第123期2006年第7期

西部探矿工程

WEST-CHINA EXPLORA TION EN GIN EERIN G

series No.123

J uly.2006

反而会降低硬石膏的溶解度,使水泥因缺少调凝成份而产生速凝等异常凝结。

就是半水石膏而言,由于CaSO 4・1/2H 2O →CaSO 4・2H 2O 发生晶型转变,水泥与水拌合后,此反应就十分迅速,而且消耗大量水,从而出现外加剂与水泥的适应性问题。

此外,由于石膏结晶形态不同,其对木钙或糖钙等外加剂的吸附能力也不相同,顺序为:CaSO 4>CaSO 4・1/2H 2O >CaSO 4・2H 2O 。当在以无水石膏为调凝剂的水泥中掺加木钙或糖钙外加剂时,无水石膏表面立即吸附大量的木钙或糖钙分子,形成外加剂吸附膜层,该膜层将无水石膏严密地包围起来,使之无法溶

出为水泥浆体系所需的SO 2-4

离子,也就无法快速地在C 3A 表面上形成大量的AFt ,因而造成C 3A 大量水化,出现相当数量的相互连接的水化铝酸钙结晶体。这一结果轻者导致混凝土坍落度损失过快,重者导致混凝土异常快凝。

2.2.2　石膏的研磨温度和细度

水泥厂为了缩短熟料冷却时间,经常将温度还较高的熟料与石膏共同粉磨,而二水石膏在150℃高温下会脱水成为半水石膏,温度再高至160℃以上,半水石膏还会成为溶解性较差的硬石膏,严重影响水泥的使用效果。

如石膏研磨细度不够,会影响石膏的溶解性,即使选用二水石膏也会产生水泥速凝等适应性问题。

2.2.3　石膏的用量

在C 3A 含量偏高的水泥中,调凝剂仍按常规用量(3%～

5%),无论选用何种石膏,混凝土凝结时间都会提前,这主要是水

泥中C 3A 水化快,C 3A 含量增加,少量石膏不能满足它生成胶状钙矾石,从而影响了石膏的调凝效果。尽管水泥和外加剂都合格,但影响水泥与外加剂的适应性,使混凝土工作性变差,坍落度损失加大。

2.3　水泥中的碱含量

水泥中的碱含量主要指水泥中Na 2O 和K 2O 的含量,水泥中碱主要来源于所用原材料,特别是石灰和粘土,当然这些碱相当一部分可以在水泥生产中挥发,但许多水泥厂为了节约能源,将挥发废气进行回收利用,这就使挥发的碱又沉淀下来,无形中使水泥碱量含增高。

水泥碱含量的提高将导致混凝土凝结时间的缩短和坍落度损失的增大,混凝土增强效果下降,体积稳定性不好。这是因为高含碱量则会加速水泥的早期水化速率,导致需水量增大并且加快工作度损失,塑性效果变差。

2.4　水泥的细度

在水泥—水—外加剂体系中,外加剂改变了水泥颗粒吸附、分散、沉降和凝聚作用。随着水泥细度的提高,水泥浆体在水泥—水—外加剂体系中的情况将不再像在水泥—水体系中那

样,而将降低流动度(同水灰比条件下)。这是因为水泥颗粒对外加剂分子具有比较强的吸附性。

但在商品混凝土中,水泥颗粒越来越细,意味着其比表面积越来越大,即对外加剂分子的吸附量也越大。所以,外加剂在相同掺量情况下,对于水泥细度变大,水化速度快,水化热高,塑化效果变差,混凝土坍落度损失快,容易产生裂缝,且还会降低混凝土中的含气量,降低混凝土的抗渗、抗冻性能。

虽然水泥细度越大,比表面积越高,相同掺量的外加剂减水率要低一些,但是由于比表面积较大,表现为混凝土的和易性较好,在相同的和易性条件下,可以提高外加剂的掺量,相应地可以提高减水率,达到降低水灰比的目的,从而使水泥石强度随水泥细度增大而提高,试验表明,当水泥的比表面积在4500～

6000cm 2/g 时可得到最高的强度。2.5　水泥的新鲜程度和温度

陈国忠等通过试验认为:新鲜水泥在生产后12d 内对外加剂吸附量较大,大部分15d 后趋于正常。由于新鲜水泥干燥度高,

而且温度相当高(达80℃～90℃),早期水化快、水化时发热量大,所以需水量大,而且由于正电性较强对外加剂的吸附量也大,同等掺量时,流动度变小,必然会产生对混凝土的需水量大、坍落度损失快、凝结时间短等问题。

在外加剂已供施工现场的情况下,可通过调整增加掺量来解决新鲜水泥与外加剂不兼容的问题,其调整幅度视水泥新鲜的程度和对外加剂的适应性而定。

3　外加剂与矿物掺合料的适应性

在商品混凝土中掺加一些矿物掺合料(如粉煤灰、矿渣、沸石粉、硅灰、炉渣、煤矸石等),可以提高商品混凝土的内聚性,减少泌水和离析,改善混凝土的和易性,从而有效控制混凝土的坍落度损失,而且还可以降低水化热,改善水泥浆体的微观结构,提高混凝土的耐久性。这些掺合料有时会出现外加剂适应性问题。其主要原因如下论述。

3.1　矿物掺合料的化学成份

矿物掺合料的化学成分复杂,活性不同,与外加剂中的化学成分可能出现复杂反应,从而出现与外加剂适应性不良,表现为初始坍落度低或坍落度经时损失大等。

其原因是如粉煤灰含碳量高时,会由于碳吸附较多外加剂使坍落度下降;粉煤灰、沸石粉需水量过高时也造成坍落度下降;矿渣微粉中玻璃体较多,烧失量中主要是水,相对与外加剂适应性稍好。再如炉渣、煤矸石不仅含碳,而且呈多孔结构,吸附性强,与外加剂适应性差。一般来讲,用含—SO 3、—COO H 、—

O H 、—N H 2基的外加剂掺入含有碳等吸附外加剂的矿物掺和料

时,容易发生外加剂适应不良的问题,对外加剂应用具有阻碍作用。作者建议对含碳活性矿物材料用量及其引入水泥混凝土中的碳含量设定限值。而硅灰的颗粒非常细(20×104cm 2/g ),需水量比大于100%,甚至高达135%,造成混凝土坍落度明显降低。只有增加高效外加剂的掺量,才能保证用水量及坍落度不发生变化。

3.2　矿物掺合料的细度

在掺合料种类和用量以及混凝土流动性要求相同的情况下,掺合料的粉磨细度细,比表面积大,拌制商品混凝土时所需要的水分和外加剂用量无疑要多。也就是说掺合料的细度愈细与外加剂的适应性愈差。此外,掺合料本身构造的致密程度和孔隙形态对吸附水分和外加剂的能力有影响,但对磨细掺合料而言,这些影响在本质上都可以归结为掺合料粉磨细度即比表面积的影响范畴以内。同时,掺合料的颗粒级配和表面形态对其与外加剂适应性的影响也相当重要。良好的颗粒级配和较光滑的颗粒

表面(如粉煤灰中的玻璃微珠),对降低混凝土的孔隙率,提高外

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