论混凝土外加剂与水泥的适应性

1、论混凝土外加剂与水泥的适应性DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.0281、前言随着现代建筑技术的不断发展 , 特别是预拌混凝土的不断商 品化,对混凝土的技术要求也越来越高 , 已不仅仅要求混凝土达 到设计强度 , 同时对混凝土的环保性、安全性、耐久性以及工程 上的一些特殊性提出了要求 ,如: 抗渗、抗冻、防辐射、自密实等。 这就使得混凝土仅由原来传统的水泥、砂、石、水四种组份搅拌 生产的模式无法适应现代生产技术的发展需要。在这种情况下 , 各种掺合料及以减水和缓凝为主要成分配制的混凝土外加剂就 成了现代混凝土中不可缺少的组份。混凝土外加剂即指在混凝土、砂浆

2、和净浆的制备过程中 , 掺入少量的 （ 不超过水泥用量的 5%）能对混凝土、砂浆或净浆性 能改变的一种产品。尽管在现代混凝土中已广泛应用混凝土外加剂 , 但就我国 目前的现状而言 , 由于种种原因在实际生产过程中一直存在着外 加剂与水泥不适应的问题。 我们可以这样理解混凝土外加剂与水 泥的适应与不适应的概念 :按照混凝土外加剂应用技术规范 , 将 经检验符合有关标准的某种外加剂掺加到按规定可以使用该品 种外加剂的水泥所配制的混凝土 （或砂浆）中, 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 , 就认为该水泥与这种外加剂不适应。在实际工程中 因外

3、加剂与水泥不适应带来的技术难题和质量事故也较为普遍 , 因此在混凝土的技术发展过程中首先应解决混凝土外加剂与水 泥的适应性问题。2、混凝土外加剂与水泥适应性分析 混凝土外加剂与水泥不适应主要表现在以下几个方面 : 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。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

4、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,由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 , 产生了互斥作用。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。2.

5、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（S03H COOH和非极性的憎水基两部分组 成。含有S03H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COOI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 COOI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“磺酸一羧酸” 三大系列 , 它们对水泥的分散作用取决于分子特

6、性、 聚合性质 （碳 链、碳环或杂环甚至还含有 NH OH等极性基。）。萘系外加剂是 大家比较熟悉的外加剂 , 就其自身的特性来讲 , 它属于磺酸类外 加剂,影响其对水泥塑化效果的因素有磺化度、平均分子量、分 子量分布、及聚合性质。实验表明 : 萘系外加剂在合成时的磺化 越完全 , 则转化带有磺酸基的萘环就越多 , 对水泥的分散作用也 越强;分子量的大小 （也即聚合度大小 ）对其塑化效果的影响非常 显著,当聚合度为 10左右时塑化效果最理想 ;聚合性质直接关系 到亲水官能团（SO3H）和非极性的憎水基的组成对水泥塑化效果 影响也非常显著。2.2、水泥特性对减水剂塑化效果的影响（吸附作用） 在混

7、凝土外加剂和矿物掺合料方面我国已制定了较齐全的 标准和规范 , 有些地区也制定了相应的地方标准。但我国混凝土 外加剂厂、水泥生产厂数量庞大 , 生产质量不稳定。在不同厂家 生产的水泥中 , 熟料的矿物组成、水泥中石膏形态和掺量、水泥 碱含量、水泥细度、 掺合料种类及掺量都对混凝土外加剂与水泥 的适应性产生较大的影响。2.2.1 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

8、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C3AC4AFC3SC2S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、 Al2

9、O3 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。2.2 .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 1.32.5%（以S03%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,CaSO 4-2H2O勺调凝效果优于CaSO4-0.5H2 0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

10、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CaSO4CaSO4-0.5H2OCaSO4-2H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

11、, 也影响混凝土外加剂与水 泥的适应性。2.2.3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+O.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 0.40.8%以内时外加剂与水泥

12、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 0.40.6% 。2.2.4 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。 在水 泥生产过程中 ,许多厂家为了满足强度的要求 , 一味的提高水泥 的细度,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。2.

13、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。例如 , 单掺一定量的 粉煤灰 , 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，因此,当粉煤灰掺量一定时，I级粉煤灰烧失量较小 （含碳量低）,对外加剂的适应性表现较好，而H、山级粉煤灰烧失 量大 （含碳量高 ）, 对外加剂的适应性表现就差。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