议水泥与混凝土外加剂的双向适应性

2022-09-11

外加剂促进了混凝土新技术的发展, 如泵送混凝土、流态混凝自密实混凝喷射混凝土等。但是, 外加剂在混凝土的使用过程中, 存在着一个普遍性的问题, 就是与水泥的适应性 (即相容性) 。例如, 在泵送混凝土中经常会出现坍落度损失的问题, 这一问题就是外加剂与水泥适应性典型的工程问题。遇到这种问题, 大家普遍认为水泥是固定的, 不变的, 只要满足水泥标准要求就是合格的、合适的、合理的, 而更多的是要求外加剂改变其成份、配方, 性能来满足不同品种的水泥, 使之相适应。近年来, 特别是高强高性能混凝土、泵送混凝土已经在工程中得到了广泛应用, 此时外加剂与水泥的适应性问题对于工程质量显得更加突出。在某些时候, 如果单纯依靠调整外加剂的配方来适应某个特定水泥, 技术上是很难实现的。这样做不但解决不了问题, 反而增加了外加剂的成本。例如, 对于“欠硫化水泥”即使几倍甚至几十倍的添加缓凝剂也解决不了其坍落度操作损失太快的问题。于是国内外的有识之士就提出了“双向适应”的问题。也就是说不仅要求外加剂适应水泥, 同时也要求水泥通过调整其熟料矿物组成、细度及颗粒级配等来适应外加剂, 使水泥与外加剂双向适应。确实, 混凝土的性能不仅取决于水泥的性能, 也取决于外加剂的性能, 更取决于二者之间的“相容性”。工程实际和科学研究证明只有“双向适应”, 才能配制出性能优异施工方便的混凝土。总体来讲, 影响水泥与外加剂适应性的因素包括三个方面:一是水泥方面, 其主要因素包括:水泥矿物成份、石膏种类及掺量、碱含量、游离氧化钙含量、混合材料种类及掺量、细度及颗粒组成、制成时间 (新鲜程度) 和温度等。二是外加剂方面。如高效减水剂的化学成份, 分子量、交联度、磺化程度和平衡离子度, 以及缓凝剂的种类与用量等:三是环境条件, 如湿度、温度、时间等。

1 适应性问题中水泥方面的因素

1.1 水泥熟料矿物成分

水泥熟料中四大矿物成分C3S、C2S, C3A、C4AF对外加剂的吸附能力是不一样的。经研究发现其中C3A对减水剂的吸附量远高于其它矿物成分, 依次是C3A>C4AF>C3S>C2S, 其原因主要取决于水泥水化速度及水化产物的比表面积。由于C3A水化速度快, 它对减水剂的吸附量也最大, 因此, 从适应性上讲, 水泥熟料矿物中C3A的含量应量尽低一些, 而C3S含量高一些较为有利。

1.2 石膏的种类和掺量

当水泥粉磨温度过高, 所掺加二水石膏会部分脱水较变为半水石膏, 这就容易导致水泥净浆发生快凝而影响与减水剂的适应性。石膏掺量过少, 当水泥中SO3含量较低时, 使用减水剂时会产生坍落度损失很大, 甚至急凝现象。

1.3 混合材料的种类

不同种类混合材料对减水剂的吸附产生不同影响, 矿渣对萘系减水剂的吸附量小于煤矸石, 因此一般情况下掺矿渣的水泥对减水剂的适应性优于掺煤矸石的水泥。掺火山灰的水泥与减水剂的适应性较差, 主要表现流动性差, 经过损失也大。而掺不同品种粉煤灰时水泥与减水剂的适应性差异较大。使用优质粉煤灰 (含碳量≤5%) 时塑化效果好, 而使用粗粉煤灰, 含碳量>5%的粉煤灰时塑化效果差。

1.4 碱含量

随着水泥碱含量的增大, 高效减水剂对水泥的塑化效果变差。还会导致砼凝结时间缩短和坍落度损失变大, 并存在有碱——骨料反应的潜在危险。应尽量使用碱含量≤0.6%的低碱水泥。

1.5 f—CaO

立窑由于其烧成温度低等工艺条件所限, 熟料中f-CaO含量较高, 烧成质量不稳定, 总体上其与减水剂的适应性不如旋窑。

1.6 水泥细度及颗粒组成

水泥中粗细颗粒级配恰当, 则可得到良好的流变性能。水泥中 (3～30) μm的颗粒主要起强度增长作用, 而大于60μm的颗粒则对强度不起作用, 因此 (3～30) μm以下的颗粒只起早强作用。但颗粒小于10μm的需水量大, 因此流动性能好的水泥10μm以下的颗粒应当少于10%。我国多数水泥的生产只考虑细度, 甚至用增加比表面积来提高水泥强度。在我国目前的多数生产条件下, 水泥颗粒越细, 细颗粒越多, 需水量越大。需水量增大, 必将加剧混凝土的坍落度损失。一般情况下随着水泥细度的提高, 水泥颗粒比表面积增加, 对减水剂的吸附量越大, 减水塑化的效应就降低, 而且经时损失也会增加。

1.7 水泥制成时间及温度

制成时间短的水泥有时温度较高, 其对减水剂塑化作用影响较大, 所以使用刚出磨和出磨温度较高 (≥50℃) 的水泥, 就会出现减水率低, 坍落度损失快的现象。因此, 尽量使用陈放时间稍长的水泥, 就可避免出现上述现象。

2 外加剂方面的影响因素

外加剂对适应性的影响, 首先是高效减水剂的品质与性能, 化学成分、分子量、交联度、磺化程度和平衡离子等。目前商用高效减水剂主要是萘系减水剂和三聚氰胺减水剂。前者用量最大, 其中萘系减水剂中硫酸钠含量是影响其性能的一个重要指标, 硫酸钠含量高减水效果差, 坍落度损失相应增大。值得注意的是, 有些生产厂家为了降低成本, 提高竞争能力, 采取了不正当的手段:一是使用品位低的粗萘, 部分或全部取代高品位的工业萘;二是萘系减水剂中掺入成本较低的木钙, 致使减水剂的质量下降。随着科学技术的发展, 目前学术界已研发出新型的聚羧酸盐系减水剂, 氨基磺酸盐系减水剂用于工程实际, 其与水泥具有很好的适应性。在考虑外加剂与水泥的适应性时, 对流态高强泵送混凝土常常必须同时考虑外加剂与矿物掺合料 (如磨细矿渣、粉煤灰、硅灰、沸石粉、膨胀剂等) 的适应性。