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    混凝土外加劑與水泥的適應性及對混凝土性能的影響

    【河北水泥網】  【時間:2010-11-23】  【關閉本頁】  【打印本頁[字體:字體顏色]
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      1.0 前言
      
    九十年代開始,中國國民經濟持續、快速發展,基礎工業建設和建筑業對水泥、混凝土及其制品需求大增,帶動了我國水泥、混凝土與制品工業大發展,并已成為國民經濟快速增長和基本建設高速發展的重要產業。

      隨著建筑技術的不斷進步,對水泥混凝土的要求也越來越高,不僅要求混凝土可調凝、早強、高強、大流動度、高密實性、高耐久性、低水化熱、輕質,而且要求制備成本低、成型容易、養護簡便……。為達這些目的,混凝土外加劑起著重要的作用,并已成為混凝土中必不可少的第五組份。

      混凝土外加劑的特點是品種多、摻量少,在改善或提高新拌和硬化混凝土的性能中起著重要的作用,新拌混凝土工作性能明顯改善;能有效控制混凝土的凝結時間與坍落度損失;后期強度有較大的增長;增加混凝土的密實性,抗滲、抗凍、抗炭化等耐久性指標有較大的提高,硬化混凝土有較好的體積穩定性等。外加劑的研究和應用技術的發展促進了混凝土施工新技術與新品種混凝土的發展,在發達國家摻外加劑的混凝土占混凝土總量50%-80%,特別是日本、北歐等國幾乎全部混凝土都摻用外加劑,我國僅接近40%。使用外加劑的普及程度是衡量一個國家混凝土技術水平高低的重要標志之一,特別是高性能外加劑與高性能混凝土已成為本世紀混凝土工程的“高新技術”。自水泥新標準實施后,外加劑與水泥的適應性及對混凝土性能的影響出現了不少問題。因此,了解混凝土外加劑與水泥的適應性,外加劑對混凝土性能的主要影響,對更好使用外加劑,處理好外加劑與水泥及混凝土的關系,充分發揮混凝土在建筑工程上的作用是十分重要的。

      2.0 混凝土外加劑與水泥的適應性
      
    混凝土外加劑與水泥的適應性問題,涉及水泥化學、高分子材料學、表面物理化學和電化學等多方面的知識,是一個極復雜的問題,但也是一個必須了解與基本掌握的問題。

      水泥是混凝土最基本的膠凝材料,全國水泥占世界水泥總量的1/3,2003年已達8.6億多噸,連續13年居世界之首。水泥新標準在2001年4月1日正式施行后,各水泥廠已采取了一系列重大技術措施來提高水泥質量以適應新標準的要求,主要從提高水泥早期強度、細度(增大比表面積)、C3A的含量、混合料的質量等,使水泥達到新標準的要求,但與外加劑的適應性卻增加了不少問題。

      混凝土外加劑廠也緊緊跟上,對各類外加劑進行了性能調整以達到與新水泥指標兼容性。從外加劑廠來說,盡管作出了很大的努力,但從工程實踐的情況來看,問題仍然很多,如同品種同摻量的外加劑,對不同品種的水泥,效果差異極大,甚至同一種水泥,但不同時期效果也有差別,使用同一批外加劑的水泥凈漿流動度時大時小,其混凝土的坍落損失有時忽大忽小,甚至有時泌水、有時又不泌水、凝結時間的差異也很大,時而還會出現促凝現象等等,這些就是外加劑與水泥的適應性問題。

      2.1外加劑與水泥不相適應
      
    主要表現在減水效果低下或增加流動性的效果不好、凝結速度太快或緩凝、坍落度損失快,甚至降低混凝土強度等,這種種不適應的問題與外加劑的品種、作用機理、原材料的選用與制造工藝、膠凝材料的成份、細度、水泥磨細階段工藝的差異有關,其他如環境溫度、加料方式和外加劑用量也會產生影響。

      2.2外加劑品種與性能的影響
      
    外加劑特別是化學合成的高效減水劑性能對水泥凈漿流動的影響。如萘系高效減水劑的性能涉及磺化程度與磺化產物,縮合工藝與程度,分子量大小,平衡離子,分子結構等各種因素。水泥等無機礦物顆粒由于范德華力、不同電荷的靜電互相作用、水化顆粒的表面化學作用,導致粒子形成聚集結構,束縛一部分水,不能用于滑潤水泥粒子,也不能立即用于水化。加入高效減水劑等外加劑后,由于吸附作用和電荷斥力,使水泥粒子分散,絮凝結構解體,釋放束縛水并阻止粒子的表面相互作用,使水泥漿體的流動性增大,其增加的大小與其技術性能及摻量有關[1]。

      聚羧酸鹽(pc)及氨基磺酸鹽(as)、羰基磺酸鹽類(saf)、萘系(ns)的流動度大,木質素磺硫酸鹽類(ls)流動度小,效果差。ns是使水泥料粒子形成雙電層的靜電斥力而分散,sa是使水泥顆粒表面的外加劑層互相作用的空間斥力而分散,saf與pc是靜電斥力和空間斥力兩種力的作用而分散,因而效果更好。

      2.3 水泥礦物組份與化學成份的影響
      
    水泥膠結料的礦物質成份和化學成份對外加劑吸附量的多少,對于流動性及強度增長有很大的影響。外加劑吸附量越少的水泥漿體的流動度值越大。C3A、C4AF混水后,ζ電位呈正值,較多地吸附外加劑。C3S、C2S混水后ζ電位呈負值,吸附量較少。在水泥礦物中C3A需水量大,水化快,放熱大,吸附外加劑量最大,依次為C4AF、C3S、C2S。水泥新標準實行后,水泥廠為提高強度而增加C3A與C4AF,其含量越高,適應效果越差。且C3A含量對相容性的影響遠比C4AF大,這是由于高效減水劑優先吸附于C3A或其初期水化物的表面,C3A的水化速度比C4AF快。水泥中C3A、C4AF含量低對外加劑適應好,混凝土體積穩定性好,開裂趨勢減少。

      2.4水泥細度與顆粒形貌的影響
      
    為滿足水泥新標準的強度要求,提高水泥細度是最有效的辦法,但水泥過細,表面積的增加,需水量大,更加降低了液相中殘留外加劑濃度,增加了液體粘度,塑化效果變差,混凝土坍落度損失更快;水泥過細水化速度快,水化熱高,容易產生裂縫。

      2.5摻合料的影響
      
    根據國家標準,允許在水泥中摻入一定量的摻合料,常用摻合料有水淬高爐礦渣、粉煤灰、沸石粉、火山灰、煤堿石、窯皮等,由于摻合料的性能不同,也會影響外加劑對水泥的適應性,火山灰、煤堿石、窯皮最差。

      2.6調凝劑的影響
      
    調凝劑(石膏)的形態、細度、用量、研磨溫度等均有影響。

      水泥常用調凝劑為石膏(硫酸鈣),石膏又分為二水石膏、半水石膏、硬石膏。根據有關標準,三種石膏都可作水泥調凝劑使用,而其中硬石膏溶解性能較差,一些外加劑如糖鈣、木鈣等與硬石膏同用,不但不能促進石膏溶解,反而會降低硬石膏的溶解度,使水泥因缺少調凝成份而產生速凝等異常凝結。就是半水石膏,也由于caso4.1/2h20→caso4.2h2o的結晶,水泥與水拌合后,反應就十分迅速,而且消耗大量水,不同水泥與高效減水劑相容性上的差別,這也是其中一個重要原因。

      石膏研磨細度不夠,會影響石膏的溶解性,即使運用二水石膏也會產生速凝等現象。

      在C3A含量偏高的水泥中,調凝劑仍按常規用量(3—5%),無論選用何種石膏,凝結時間都會提前,這主要是水泥中C3A水化快,C3A含量增加,少量石膏不能滿足它生成膠狀鈣礬石,從而影響了石膏的調凝效果。盡管水泥和外加劑都合格,但影響水泥與外加劑的適應性,使混凝土工作性變差,坍落度損失加大。

      水泥廠為了縮短熟料冷卻時間,經常將溫度較高的熟料與石膏同磨,二水石膏在150℃高溫下會脫水成為半水石膏,溫度再高至160℃以上,半水石膏還會成為溶解性較差的硬石膏,影響水泥的適應效果,使混凝土流動性變差,甚至出現假凝。

      2.7堿含量的影響
      
    水泥中的堿主要來源于所用原材料,特別是石灰和粘土。含堿量越低,相容性越好,高含堿量則會加速水泥的早期水化速率,導致需水量增大并且加快工作度損失,塑性效果變差。

      2.8新鮮水泥存放時間與溫度的影響
      
    陳國忠等通過試驗認為:新鮮水泥在生產后12天內對外加劑吸附量較大,大部分15天后趨于正常。由于新鮮水泥干燥度高,而且溫度相當高(達80℃—90℃),早期水化快、水化時發熱量大,所以需水量大,而且對外加劑的吸附量也大,同等摻量時,流動度變小,必然會產生對混凝土的需水量大、坍落度損失快、凝結時間短等許多怪現象。這完全是因為水泥存放時間的不同,導致混凝土的性能技術指標出現較大差異,如能注意到這些問題,有了這方面的認識和經驗,出現此類現象也就不足為怪了。

      在外加劑已供施工現場的情況下,可通過調整增加摻量來解決新鮮水泥與外加劑不兼容的問題,其調整幅度視水泥新鮮的程度和對外加劑的適應性而定。

      3.0 混凝土外加劑對混凝土性能的影響
      
    3.1混凝土是當代最大宗的人造材料。
      
    混凝土是現代社會須臾不能離開的主要建筑材料,它對人類社會的進步和發展做出了極為重要的貢獻;炷猎谥袊l展之迅速、生產數量之大、品種之多、應用范圍之廣當屬世界之最。但現代混凝土施工技術的發展離不開外加劑,特別是高效減水劑在高強與高性能混凝土技術的發展中所起主導作用。

      3.2混凝土外加劑的發展促進混凝土技術的發展。
      
    根據混凝土設計與施工的要求,研究、開發了混凝土外加劑,外加劑技術的發展又促進了混凝土施工技術的發展。使混凝土技術從塑性混凝土向干硬性混凝土,流態化混凝土,高性能混凝土方向發展。

      正在研發中的聚羥酸類,象高效ae減水劑以及與超塑化劑精細配制的復合高效外加劑等新型高效減水劑可稱為外加劑的第三代產品。它克服了第二代外加劑存在著坍落度經時損失大的缺點并兼顧耐久性的指標,將混凝土的高強、高施工性能、高耐久性三者結合起來。另外,它們還需進一步提高在低水灰比下的減水率,滿足有的混凝土工程不僅提出高性能,而且要求能滿足高功能化的要求。新型第三代高效減水劑具有20%以上高減水率,在60-90分鐘的輸送時間內具有能保持坍落度及所需穩定的含氣量,能使用現場的成套設備或用商品混凝土設備制造出各項指標符合合要求的高性能混凝土。用它也可制造出單位用水量少,流動性高,穿透鋼筋網片性能良好,能不振搗、自充填、不分離的高性能不振搗混凝土,并在使用中進一步改良與發展。

      3.3選擇與水泥相適應,能滿足設計與施工要求的相應外加劑。
      
    不同生產工藝、種類或配方與摻量的外加劑對水泥適應性有差別,應通過試驗確定,選用質量穩定、適應性好的外加劑;同時根據不同設計與施工要求,選擇相應的各類外加劑,如高效減水劑或緩凝高效減水劑、泵送劑、防水劑……等;根據設計與施工要求,結合現場實際使用材料,進行試配,確定合理施工配合比與外加劑適宜摻量。

      3.4 大劑量高效減水劑對新拌混凝土穩定性的影響
      
    隨著高強混凝土和泵送工藝日益廣泛的應用,原來摻量不僅減水率達不到要求,而且由于水灰比減小、澆筑時工作度要求增大,新拌混凝土的工作度損失加劇,不能滿足較長距離運輸的施工要求,因此高效減水劑的摻量逐漸增大,研究與應用的實踐表明:大摻量高效減水劑使混凝土在水膠比很低的條件下,仍能具有較大的流動性,可以成型密實,生產強度與耐久性良好的高強和高性能混凝土。另一方面,在大摻量高效水劑條件下,新拌混凝土的工作度損失率看來也減小了,其機理是:新拌混凝土中水泥的的硫酸鈣含量與形態,影響液相中SO4-的濃度,是其流變行為的控制因素之一,低水膠比混凝土由于溶解硫酸鹽產生SO4-離子的水分少,而需要控制的C3A量又多,相對而言,有較多的C3A就地水化。因為缺少硫酸根離子,高效減水劑分子上的磺酸根基因就會與C3A結合,使液相里的高效減水劑量下降,逐漸失去對水泥的分散作用,加速其工作度的損失。增大高效減水劑的摻量,使液相里的SO4-離子量增加,故工作度損失率減小。

      但是,每一種高效減水劑——水泥之間的搭配,都有一相應的飽和濃度。對于大多數高效減水劑——水泥的體系,其飽和濃度約為0.8——1.2%。在配制高強與高性能混凝土時,高效減水劑的摻量通常要接近或等于其飽和摻量,但需要特別注意控制高效減水劑的適宜劑量,需要與其外加劑和礦物摻合料使用,才能獲得預期的效果,對于不同的高效減水劑品種,產生這種現象的敏感性不一樣,有時摻量在增減0.1%——0.2%范圍內變動,就會從減水率還不夠理想躍變為穩定性不佳的另一極端,這種情況給混凝土配制和施工質量控制都帶來不便,或者說更高的要求。

      3.5其他因素對混凝土性能的影響。
      
    要配制品質優良新拌混凝土與獲得良好的硬化混凝土,必須注意滿足對原材料選擇,合理的配合比以及施工要求。

      3.5.1水泥的礦物組份和化學成份以及物理技術指標
      
    選擇滿足設計與施工技術要求的水泥品種。如配制高性能混凝土用的水泥,最好使用c3a含量低、c2s含量高的水泥,混凝土流動性大,坍落度與擴展度的經時變化也少,如果使用的水泥c3a<3%,c4af<7%,c3s在40-50%,c2s在50-40%,這樣的水泥制作高性能混凝土效果會較好。

      3.5.2保證砂、石質量,原材料用量準確
      
    砂的含泥量與細度模數必須符合要求,碎石的含泥量及針片狀不超標,最好選用連續級配或單粒級石子,粒徑適中;原材料質量保證,用量準確;

      3.5.3通過設計與試配,確定合理的配合比,必要時需進行適當調整。
      
    施工配合比雖然是設計問題,但它是影響混凝土性能的關鍵因素,如泵送混凝土適當提高砂率可提高混凝土可泵送性,但砂率過高也會影響混凝土的保塑性能,增加混凝土坍落度的經時損失率。降低水灰比可以提高混凝土強度,而在較低水灰比條件下配制摻外加劑混凝土應有一最低用水量,這不但是保證混凝土有一定工作性,更重要的是保證水泥在水化時,石膏有足夠的溶解用水,石膏在缺水時會大大影響溶解度,影響外加劑對水泥適應性。

      高效減水劑摻量過多時,水泥漿的流動度大,漿體稀薄,不足以維持與集料的粘聚,往往會引起混凝土離析、泌水,此時可以適量增加用砂量,增加膠凝材料用量或是適量減少高效減水劑用量或用水量,產生離析的混凝土拌和物有害于工程質量。

      3.5.4注意水泥的出廠及進貨時間。
      
    砂、石、水泥及外界的溫度對水泥與外加劑適應性都有著不同程度的影響。特別是剛出廠的水泥溫度有時高達80℃-90℃,在高溫情況下,需水量與外加劑吸附量增大,坍落度減少,坍落度損失加快,適當增加外加劑的摻量,增加混凝土中外加劑殘留率也有比較明顯的效果。

      3.5.5摻入部分活性摻合料
      
    試驗證明具有一定活性的水硬性材料或自硬性材料,如硅灰、磨細礦渣粉、粉煤灰等在滿足一定的技術要求條件下與外加劑同摻,不但節約水泥,改善混凝土工作性,提高混凝土強度,還能改善外加劑對水泥的適應性。

      3.5.6保證施工質量
      
    保證制摸質量、防止漏漿與支架變型、鋼筋變位;施工中混凝土要振搗密實,防止漏振或振搗過度;及時利用原漿收光面層,在初凝前再進行二次壓實收面,可減少塑性裂縫;混凝土澆注后表面泛白或8小時內及時澆水養護或噴養護劑,最好加薄膜密封養護或復蓋濕麻袋養護,養護日期不少于14天,以免因施工質量不佳而引起與外加劑無關的異,F象。


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