緩凝劑對水泥混凝土性能影響的試驗研究

文章編號:1009－6477(2007 )02－0025－04 中圖分類號:U416 .216 文獻標識碼:A

　　緩凝劑是一種常用的棍凝土外加劑，用來延長凝結(jié)時間，使新拌混凝土較長時間保持塑性，以便灌注，提高施工效率。在夏季混凝土施工和大體積混凝土施工中摻加緩凝劑可緩釋水泥水化熱，減少因水化熱而產(chǎn)生的溫度裂縫。緩凝劑常用于大跨度高架橋等預(yù)應(yīng)力混凝土、大壩混凝土，滑模施工混凝土以及流化混凝土中。

　　在緩凝劑的應(yīng)用過程中，由于緩凝劑使用不當(dāng)或外加劑與水泥不適應(yīng)可能會導(dǎo)致混凝土的異常凝結(jié)。盡管混凝土異常凝結(jié)不是一種廣泛存在的問題，但隨著外加劑的大量使用，這一問題時有發(fā)生，輕則引起混凝土質(zhì)量問題，重則引起嚴重的工程事故。如由于混凝上凝結(jié)過快，大體積混凝土施工時易引起溫度裂縫，泵送混凝土難于輸送或堵管、爆管;由于混凝土過分緩凝，不僅會影響后續(xù)工序施工，而且會導(dǎo)致混凝土強度降低等危害。

　　水泥混凝土產(chǎn)生異常凝結(jié)現(xiàn)象的影響因素很多，外加劑、水泥、摻合料、水以及環(huán)境溫度等都有可能最終導(dǎo)致水泥混凝土異常凝結(jié)的發(fā)生。就現(xiàn)階段混凝土工程質(zhì)量狀況來看，緩凝劑品種、緩凝劑摻量不當(dāng)和外加劑與水泥的不適應(yīng)是產(chǎn)生水泥混凝土異常凝結(jié)，造成混凝土工程事故的重要原因。緩凝劑對膠凝材料的適應(yīng)性、不同緩凝劑及同種緩凝劑不同摻量對混凝上性能的影響都是十分值得研究的問題。

1 緩凝劑對水泥混凝土性能的影響

　　緩凝劑不僅可以延長混凝土凝結(jié)時間，位新拌混凝土較長時間內(nèi)保持塑性，以便澆筑，提高施工效率，還能延緩水泥水化放熱，減少裂紋的發(fā)生。因此，它被大量地用在大體積混凝土、泵送混凝土、炎熱氣候下施工以及某些特殊施工工藝方面。目前國內(nèi)外常用的緩凝劑有木質(zhì)素磺酸鹽類、糖類、羥基羧酸類、無機鹽類等。本試驗選擇了4種具有一定代表性的緩凝劑進行試驗，研究緩凝劑對水泥混凝土性能的影響:SA為木質(zhì)素磺酸鹽類，SB為無機鹽類，SC為糖類，SD為羥基羧酸類。

1.1 緩凝劑對水泥凈漿凝結(jié)時間的影晌

　　雖然水泥凈漿的凝結(jié)時間與混凝土的凝結(jié)時間沒有直接的對應(yīng)關(guān)系，但水泥凈漿的凝結(jié)時間能在一定程度上反映混凝土的凝結(jié)時間，以下重點探討緩凝劑對水泥凈漿初凝時間的影響。

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　　圖1是 SA ,SB,SC,SD4 種緩凝劑不同摻量對基準水泥凈漿初凝時間的影響，圖2是SA,SB,SC ,SD4種緩凝劑不同摻量對某P-0 42.5水泥凈漿初凝時間的影響。從圖1和圖2可以看出，4種緩凝劑對水泥的初凝時間呈現(xiàn)出的規(guī)律基本相同。在一定摻量范圍內(nèi)，初凝時間延長，但超過一定的量以后，初凝時間不增反減，也就是說，這幾種緩凝劑都存在一個最佳的摻量范圍。但是同一種緩凝劑對于不同的水泥，其最佳摻量不一定相同,SA和SB對基準水泥的最佳摻量為0.1%，對P-0 42.5水泥的最佳摻量為0.3%, SC對基準水泥的最佳摻量為0.05%，對P-0 42.5水泥的最佳摻量為0.1%,SD對基準水泥的最佳摻量為0.03%，對P-0 42.5水泥的最佳摻量為0.1%。

1.2 緩凝劑對混凝土性能的影響

　　緩凝劑對水泥混凝土性能的影響最終要反映在混凝土拌和物的工作性及強度上。本試驗選取混凝土拌和物坍落度、凝結(jié)時間及混凝土抗壓強度等指標，研究上述4種常用緩凝劑對混凝土性能的影響，緩凝劑摻量取水泥凈漿試驗中緩凝效果較好的摻量范圍。試驗中配合比保持不變(C;S: G :W＝1:1.89=3.37:0.46),其中水泥為P-0 42.5水泥，用量為360kg/rn3，砂子細度模數(shù)M_x＝2.80，石子為碎石5~10~20~31.5 m 三級配，比例為15%:50%:35%。試驗結(jié)果如表1所示。

　　從表1可以看出，各種緩凝劑，隨著摻量的增加，坍落度有一定的增大，凝結(jié)時間延長。在達到一定緩凝效果的同時,1 d強度均有所下降，降低最多的(摻0.3%SB)，其1d強度僅為空白的64.4%。部分緩凝劑會降低混凝土的3d強度和7d強度。本次的12組試驗中，有7組混凝土3d強度低于基準混凝土，占58.3%a。有3組混凝上7d強度低于基準混凝土，占25%。但混凝土后期強度(28 d)不但沒有降低，相反都有所提高，提高最多的(摻0.08%SC)，其28 d強度比基準混凝土提高了15.9%。這說明在合理的摻量范圍內(nèi)，緩凝劑在解決混凝土凝結(jié)時間問題的同時，不會降低混凝土的后期強度。

2 緩凝劑與水泥的適應(yīng)性

2.1 緩凝劑與水泥不適應(yīng)對混凝土工作性和強度的影響

　　由于緩凝劑與水泥化學(xué)組分不相容，或者緩凝劑摻量不當(dāng)，可能使緩凝劑沒有緩凝效果，甚至產(chǎn)生異常凝結(jié)現(xiàn)象，這就是緩凝劑與水泥不適應(yīng)的表現(xiàn)。影響緩凝劑與水泥適應(yīng)性的因素是多種多樣的，緩凝劑與水泥不適應(yīng)而導(dǎo)致的混凝土異?，F(xiàn)象也各式各樣，其中最經(jīng)常發(fā)生的是混凝土坍落度經(jīng)時損失明顯增大。判斷緩凝劑與水泥適應(yīng)性好壞的方法就是檢查新拌混凝土工作性，而混凝土坍落度是新拌混凝土工作性最直觀的表現(xiàn)，工程上一般都是通過控制混凝土坍落度來大致確定新拌混凝土工作性的。本研究以混凝土坍落度經(jīng)時損失作為衡量緩凝劑與水泥適應(yīng)性的一個重要指標。[Page]

　　緩凝劑與水泥不適應(yīng)會嚴重影響混凝土拌和物工作性和強度。研究表明，用木鈣、糖鈣與硬石膏作調(diào)凝劑的水泥常常出現(xiàn)不適應(yīng)表現(xiàn)。本文選取木鈣為代表，研究緩凝劑與水泥不適應(yīng)對混凝土拌和物工作性和強度的影響。試驗中配合比相同(C:S+Ｇ:W=1:2.16:3.14:0.55)，均摻有0.5%的UNF－5高效減水劑。表2是木鈣對不同水泥混凝土凝結(jié)時間、坍落度損失及抗壓強度的影響。

　　從表2可以看出，當(dāng)不摻緩凝劑時，3種水泥坍落度經(jīng)時損失、凝結(jié)時間、抗壓強度相差不大。當(dāng)摻有2.5%的木鈣緩凝劑時，對于P"042.5水泥和摻5%二水石膏的水泥，木鈣能降低坍落度經(jīng)時損失，延長混凝土的凝結(jié)時間，并且28 d抗振強度有所提高;而對于摻5%硬石膏的水泥，木鈣不但不能緩凝和降低坍落度經(jīng)時損失，相反凝結(jié)時間有所提前，坍落度損失也更快。初始坍落度180 mm的混凝土，30min以后坍落度僅25mm,1 h 以后坍落度降低為零，這說明木鈣與用硬石膏作調(diào)凝劑的水泥的不適應(yīng)性。

　　以上試驗現(xiàn)象可以解釋如下:在不摻緩凝劑情況下，硬石膏和二水石膏均能溶出足夠的SO₄^2-供形成鈣礬石之用，鈣礬石包裹在水泥顆粒表面，阻止C₃A和C₃S等礦物的快速水化，使水泥漿體在較長一段時間內(nèi)凝膠較少，因此混凝土坍落度損失不大;當(dāng)摻有木鈣緩凝劑時，水溶液中二水石膏和無水石膏對木鈣產(chǎn)生一定吸附性，但硬石膏對木鈣的吸附性遠比二水石膏強烈。硬石膏本來溶出SO₄^2- 的速度就較慢，再加上木鈣大量吸附于其表面而形成較厚的一層包裹層，更加減慢了溶出速度，使得在水泥接觸水后，液相中SO₄^2-濃度偏小，不足以形成足夠的鈣礬石包裹在水泥顆粒表面，這樣會C₃A快速水化，C₃S水 化程度也有所增大，所以混凝土凝結(jié)時間提前，混凝土的坍落度損失很快。

2.2 影響緩凝劑與水泥適應(yīng)性的主要因素及機理

　　我國水泥產(chǎn)品品種較多，就是5種硅酸鹽系列水泥，它們的熟料礦物組成的變化也很大。另外，混合材的品種性能、水泥的細度、堿含量、生產(chǎn)工藝等也不相同，這些都將影響緩凝劑的使用效果。下面分別討論各因素對緩凝劑與水泥適應(yīng)性的影響。

　　水泥礦物 組成的影響:影響緩凝劑與水泥相容性的主要是水泥礦物中的鋁酸三鈣(C₃A )及硅酸三鈣(C₃S) 。木質(zhì)素磺酸鹽延緩低C₃A/C₃S的水泥初凝，同時加快高C₃A/C₃S的水泥初凝;糖是C₃S水 化的強延緩劑;大多數(shù)有機緩凝劑均可使C₃S的水化減慢。水泥中C₃A 含鬢高，由于水化鋁酸鹽較大的吸附作用降低溶液中外加劑的濃度，會降低緩凝作用。

　　水泥調(diào)凝劑的影響:水泥的調(diào)凝劑為石膏，石膏按結(jié)合水不同可分為二水石膏、半水石膏和硬石膏。石膏摻量及其在水中的溶解速度對緩凝劑與水泥的適應(yīng)性有重大影響。木鈣、糖蜜等使硬石膏在水中的溶解度顯著降低，因此使以硬石膏作調(diào)凝劑的水

泥速凝。

　　堿含量影響:摻緩凝劑的混凝土，如果水泥堿含量太高，大量的堿也會破壞緩凝劑在水泥顆粒及其水化產(chǎn)物表面的吸附膜，使水泥繼續(xù)水化，緩凝劑將失去緩凝作用，混凝土表現(xiàn)為坍落度的迅速損失，工作性變差。

　　施工配合比的影響: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緩凝劑混凝土應(yīng)有一個最低用水量，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。在缺水條件下，石膏的溶解度大大降低，可能影響緩凝劑與水泥的相容性。[Page]

2.3 處理緩凝劑與水泥不適應(yīng)的對策

　　以上試驗結(jié)果及工程實踐表明:緩凝劑與水泥存在適應(yīng)性，緩凝劑與水泥不適應(yīng)時可能會引起混凝土異常凝結(jié)，從而影響混凝土的工作性和力學(xué)性能。在工程中為了更好地使用緩凝劑，盡量避免和減少由于緩凝劑使用不當(dāng)而產(chǎn)生工程事故，可采取以下措施:

　　(1) 嚴格控制原材料，預(yù)防混凝土異常凝結(jié)發(fā)生

　　在工程中應(yīng)對每一批水泥、每一批外加劑進行質(zhì)量檢測，尋求原材料的技術(shù)特性，購買和使用合格的原材料。

　　(2) 進行緩凝劑與水泥適應(yīng)性試驗

　　緩凝劑與水泥存在適應(yīng)性。緩凝劑與水泥不適應(yīng)時會引起異常凝結(jié)，因此工程中應(yīng)根據(jù)不同的水泥，進行緩凝劑與水泥的適應(yīng)性試驗，選出合適的緩凝劑，確定其合適摻量。并根據(jù)設(shè)計與施工要求，結(jié)合現(xiàn)場使用的材料進行試配，確定合理的施工配合比和緩凝劑的最佳摻量。因為每種緩凝劑都有適宜的摻量，摻量過大不僅在經(jīng)濟上不合理，而且可能產(chǎn)生促凝、過度緩凝等異?，F(xiàn)象或引起泌水而影響工程質(zhì)量。

　　(3)確定攪拌制度，保證混凝土質(zhì)量

　　混凝土攪拌制度包括很多方面，如各原材料的摻加順序，攪拌時間，攪拌速度，混凝土人模時間等參數(shù)。為了避免外加劑與水泥不相容，除了對原材料嚴格控制外，選擇合理的混凝土攪拌制度也非常重要。如攪拌時間會影響混凝土各混合組分的分散勻質(zhì)性，從而影響新拌混凝土的工作性?？紤]到SO₄^2-的溶出速度，緩凝劑摻人拌和物的時間和順序的不同，對混凝土的凝結(jié)硬化以及工作性能都有很大的影響。對摻硬石膏的調(diào)凝水泥，由于其SO₄^2-溶出速度較慢，選擇緩凝劑后摻法或滯水法對混凝土的正常水化硬化，保持良好的工作性都是有好處的。對有可能產(chǎn)生假凝的拌和物，通過攪拌制度的合理調(diào)整，可以有效地防止混凝士在拌制過程中發(fā)生的異常凝結(jié)。

3 結(jié)論

　　(1) 緩凝劑一般都存在一個最佳摻量和適宜的摻量范圍。不同的緩凝劑其最佳摻量可能不同，同種緩凝劑對不同的水泥，其最佳摻量也不一定相同。因此實際工程中要合理選擇緩凝劑，并嚴格控制緩凝劑的摻量。

　　(2) 添加緩凝劑會降低混凝土的1d強度，部分緩凝劑會降低混凝土的3d強度和7d強度，但在合理的摻量范圍，混凝土的后期強度一般會有所提高。緩凝劑與水泥不適應(yīng)產(chǎn)生異常凝結(jié)時，其后期強度會有所降低。

　　(3) 緩凝劑和水泥的適應(yīng)性與水泥的礦物組成、水泥調(diào)凝劑、堿含量等因素有關(guān)，在工程中應(yīng)用緩凝劑時要進行緩凝劑與水泥的適應(yīng)性試驗，盡量避免和減少由于緩凝劑使用不當(dāng)而產(chǎn)生工程事故。