水泥工藝外加劑與混凝土外加劑雙摻對混凝土性能的影響
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張偉1.2 鐘海濤1 劉加平1 嚴生2 馬廣亮3
（1江蘇蘇博特新材料股份有限公司 210008；2南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，210009；3江蘇宏嘉建設(shè)監(jiān)理有限公司，210009）
摘 要：目前我國越來越多的水泥廠使用水泥工藝外加劑，商品混凝土的興起與發(fā)展，使現(xiàn)代混凝土技術(shù)越來越依靠混凝土外加劑技術(shù)的應(yīng)用。水泥半成品最終要被用在混凝土之中。水泥工藝外加劑與混凝土外加劑的雙摻，無疑會對新攔混凝土的性能產(chǎn)生影響。本文通過大量試驗，取得了一定的技術(shù)成果，對于指導(dǎo)混凝土外加劑的正確應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞：水泥工藝外加劑 混凝土外加劑 混凝土
1 前言
水泥工藝外加劑按摻入的生產(chǎn)順序不同，可分為生料外加劑和水泥外加劑，按用途可分為速燒劑，助磨劑，激發(fā)劑等。國外使用水泥外加劑主要體現(xiàn)在助磨劑及混合材激發(fā)劑上。水泥助磨劑是一種在水泥粉磨過程中加入磨機內(nèi)起助磨作用而又不損害水泥性能的添加劑，一般摻量為1%以下。它可改變磨機內(nèi)部物料之間的分散性及水泥的流速，提高水泥的輸送效率，并有效消除水泥微細顆粒的靜電吸附和包球糊磨現(xiàn)象，可提高磨機臺時產(chǎn)量達20%左右，同時有效地減少了過粉磨現(xiàn)象，優(yōu)化水泥顆粒級配，降低水泥篩余。復(fù)合型助磨劑往往還含有對粉煤灰、礦粉起激發(fā)其潛在活性作用的激發(fā)劑。
2 原材料與實驗方法
2.1 助磨劑
?。?）北京綠佳偉業(yè)產(chǎn)KPY-99（液體無氣味），參量1.6-5/萬；
?。?）美國希普公司產(chǎn)CGA（液體有碳氨化肥的氣味）摻量2-5/萬；
?。?）多功能助磨激發(fā)劑SQ，粉劑，摻量變% SQ助磨激發(fā)劑為沈陽星光建材集團研究生產(chǎn)，摻量為膠結(jié)材的1%-2%，其主要組分為SO42-鹽及醇胺類助磨劑。
?。?）JH型粉煤灰、礦渣激發(fā)劑，粉劑。吉林天一建材有限公司生產(chǎn)，推薦摻量0.6%-1.0%。該外加劑以硅酸鹽類、煅燒石膏等為主要組分，通過物理化學(xué)雙重作用，以及特殊的工藝加工生產(chǎn)而成的一種復(fù)合粉末材料。
選擇有代表性的三家不同地區(qū)的水泥廠加入助磨劑KPY-99及CGA制得P.O42.5。SQ及JH激發(fā)劑在拌制混凝土?xí)r摻加，拌制混凝土?xí)r再加入混凝土泵送劑。了解水泥工藝外加劑對新拌混凝土泌水，坍損，強度增長情況等影響具有很重要的現(xiàn)實意義?；炷镣饧觿╇m然種類很多，但我國商品混凝土使用的多是多功能的復(fù)合泵送劑。
本文所指混凝土外加劑就是指高效緩凝泵送劑,它集高效減水、緩凝、適當引氣、保水增笛等作用于一體,萘系、氨基磺酸系、聚羧酸系列減水劑是它的主要成分。
由于能源緊張，水泥向綠色和高性能方向發(fā)展，ISO標準的實施，越來越多的水泥工廠選擇添加水泥助磨劑、多功能助磨激發(fā)劑來提高粉磨效率，降低能耗，增加臺時產(chǎn)量，提高質(zhì)量。在發(fā)達國家如美國、歐洲地區(qū)，90%以上的水泥廠都加了助磨劑，而我國目前僅有15%-20%的工廠使用。我國使用的助磨劑主要有 乙二醇、丙三醇、三乙醇胺、二乙醇胺、木質(zhì)素磺酸鈣鹽。美國使用的助磨劑主要有脫糖木質(zhì)素、三乙醇、炭黑、磷酸三鈣、二甲基2-4戊烷二醇，德國使用權(quán)用的助磨劑有醋酸胺、乙二醇、丙三醇等。液態(tài)摻量一般為0.6/萬-8萬，固態(tài)粉劑摻量一般為0.3%-1.0%。由于預(yù)拌混凝土要加入緩凝高效減水劑（泵送劑）。水泥所用助磨劑與混凝土處加劑的雙摻對新拌混凝土的性能會有影響，這正是本文所要討論的問題，這里的水泥工藝外加劑的特指水泥在粉磨過程中加入的助磨劑，混合材助磨激發(fā)復(fù)合劑。
2.2 試驗原材料
?。?）海螺P.O425及加助磨劑后的海螺P.O425
（2）巨龍P.O425及加助磨劑后的巨龍P.O425
?。?）京陽P.O425及加助磨劑后的京陽P.O425
?。?）江砂、中砂、細度模數(shù)2.6；
?。?）玄武巖碎石，5-20mm連續(xù)級配；
?。?）JM-8萘系緩凝高效減水劑；
?。?）SBT-8,氨基系緩凝高效減水劑；
?。?）PCA聚羧系緩凝高效減水劑；
?。?）南京華能電廠I級粉煤灰；
（10）江南水泥廠s95級礦渣打粉；
3 混凝土試驗結(jié)果與討論
采用商品混凝土公司常規(guī)混凝土配比：配比如下：W=165-185，C=320，F(xiàn)A=100，S=752，G小=200，G大=882（單位均為kg/m3）（以下沒有特殊說明時均以此配比為準）。
3.1外加劑為JM-8萘系緩凝高效減水劑，其組成為FDN0.5%+緩凝劑0.06%。試驗料計10L。結(jié)果見表1。
表1 SQ與JM雙摻對混凝土性能的影響
| 水泥品種 |
W |
坍落度（mm) | 擴展度（mm) | 泌水 | 抗壓強度（MPa) | JM-8 | SQ | ||||
| 初始 | lh | 7d | 28d | 60d | 90d | （%） | |||||
| 海螺 | 1650 | 220 | 130 |
550×550 |
- | 34.8 | 52.1 | 58.0 | 63.6 | 摻 | - |
| 1760 | 218 | 65 | 410×430 | - | 38.8 | 55.4 | 64.5 | 67.8 | 摻 | 2 | |
| 京陽 | 1780 | 235 | 190 | 510×480 | - | 35.0 | 52.9 | 57.8 | 60.8 | 摻 | - |
| 1840 | 215 | 154 | 450×480 | - | 36.0 | 56.9 | 61.8 | 65.8 | 摻 | 2 | |
| 巨龍 | 1780 | 225 | 195 | 480×500 | - | 38.3 | 54.7 | 60.6 | 63.6 | 摻 | - |
| 1800 | 215 | 90 | 400×410 | - | 38.7 | 58.0 | 66.3 | 69.2 | 摻 | 2 | |
以上可明顯看出：
（1）萘系混凝土外加劑與助磨激發(fā)劑SQ雙摻時，混凝土出料流動性（擴展度）降低，混凝土粘聚性更好了，沒有泌水現(xiàn)象，同時坍損增大。
?。?）相同的坍落度條件下加激發(fā)劑2%，單方用水量加略微增加（5-11kg/m3)，混凝土同期強度仍然可增加3-5Mpa.
?。?）摻加SQ后，混凝土外加劑的減水效果降低了。
3.2 外加劑為sbT-8氨基磺酸鹽系高效減水劑，基組成為氨基磺酸鹽減水劑0.45%+緩凝劑0.04%助磨激發(fā)劑SQ摻量為2%，CGA、KPY-99摻均為5/萬。試驗結(jié)果見表2。
表2 SBT-8與不同水泥外加劑雙摻對混凝土性能的影響
| 序號 |
W |
坍落度（mm) | 擴展度（mm) | 泌水 | 抗壓強度（MPa) | JM-8 | 助磨激發(fā)劑 | ||||
| 初始 | lh | 7d | 28d | 60d | 90d | ||||||
| 1 | 1800 | 220 | 215 | 530×530 | 50 | 36.7 | 46.1 | 56.7 | 60.2 | 摻 | - |
| 2 | 1850 | 215 | 210 | 500×480 | - | 40.4 | 53.7 | 65.6 | 68.9` | 摻 | CGA |
| 3 | 1850 | 225 | 225 | 550×570 | 200 | 42.2 | 54.5 | 64.8 | 66.7 | 摻 | CGA |
| 4 | 1820 | 220 | 220 | 530×550 | 200 | 36.2 | 46.0 | 57.4 | 60.5 | 摻 | KPY-99 |
| 5 | 1810 | 220 | 220 | 550×570 | 120 | 37.1 | 47.0 | 58.9 | 62.5 | 摻 | - |
| 6 | 1860 | 220 | 210 | 500×530 | - | 37.1 | 49.8 | 59.7 | 65.4 | 摻 | SQ |
| 7 | 1830 | 220 | 220 | 550×570 | 100 | 34.5 | 49.0 | 61.7 | 63.2 | 摻 | CGA |
| 8 | 1820 | 215 | 215 | 500×500 | 120 | 33.6 | 44.9 | 54.7 | 58.5 | 摻 | KPY |
注：1-4海螺水泥，5-8巨龍水泥。
由表2可知：
（1）不同的水泥，對于像SQ類激發(fā)劑在摻量2%的條件下，保坍型氨基系減水劑仍然有很好的保坍能力。（2）助磨劑CGA.KPY不能改善混凝土的和易性性，對于泌水不能起減少作用?；旧蠈姸扔绊懖淮?。
3.3 JH激發(fā)劑在摻不同系別外加劑混凝土中的應(yīng)用，試驗結(jié)果見表3。
表3 jH混凝土摻合料激發(fā)劑在不同系別外加劑的應(yīng)用
| 序號 |
W |
坍落度（mm) | 擴展度（mm) | 泌水 | 抗壓強度（MPa) | AD | 激發(fā)劑（%） | ||||
| 初始 | lh | 7d | 28d | 60d | 90d | ||||||
| 1 | 1890 | 220 | 220 | 550×550 | 50 | 35.2 | 45.3 | 58.0 | 58.6 | JM-8 | - |
| 2 | 1890 | 210 | 210 | 520×510 | - | 39.9 | 50.0 | 59.9 | 64.7 | JM-8 | jH 0.8 |
| 3 | 1800 | 210 | 215 | 480×500 | - | 36.8 | 48.8 | 58.5 | 58.6 | SBT-8 | jH 0.8 |
| 4 | 1870 | 220 | 215 | 550×570 | - | 26.2 | 38.6 | 48.6 | 52.4 | JM-8 | - |
| 5 | 1890 | 215 | 205 | 550×550 | - | 29.4 | 40.9 | 51.6 | 52.2 | JM-8 | jH 0.8 |
| 6 | 1790 | 210 | 210 | 500×530 | - | 35.3 | 49.6 | 57.1 | 57.8 | SBT-8 | jH 0.8 |
| 7 | 1740 | 225 | 180 | 550×550 | - | 34.2 | 49.5 | 53.3 | 61.8 | JM-8 | - |
| 8 | 1740 | 220 | 185 | 550×570 | - | 39.2 | 54.9 | 57.0 | 61.9 | JM-8 | jH 1 |
| 9 | 1740 | 230 | 230 | 600×580 | - | 32.0 | 45.5 | 51.4 | 58.1 | SBT-8 | - |
| 10 | 1740 | 215 | 205 | 500×500 | - | 34.6 | 52.9 | 70.4 | 77.3 | SBT-8 | SQ2 |
| 11 | 1740 | 230 | 230 | 580×580 | - | 38.4 | 53.6 | 60.7 | 63.8 | SBT-8 | jH 1 |
備注：1-3海螺水泥；4-6巨龍水泥；7-11京陽水泥；其混凝土配合比：W=174，C=200，S=836，G=1060。（單位：kg/m3）
由表3得出：
（1）jH激發(fā)劑在不同的水泥，不同的外加劑情況下，它對混凝土坍損的影響都很小。
（2）同W/（C+FA）條件下，加jH1%可使混凝土同齡期增加5～6MPa。
?。?）氨基系外加劑在有硫酸鹽類激發(fā)劑條件下，仍然有很好的保坍能力。
3.4 聚羧酸高效能外加劑PCA與SQ或jH雙摻對混凝土性能的影響（見表4）
混凝土配合比（kg/m3)：W=170，C=200，S=836，G=1060，F(xiàn)a=175。
表4 聚羧酸高效能外加劑POA與SQ或jH雙摻對混凝土性能的影響
|
序號 |
W |
坍落度 （mm） |
擴展度 （mm） |
泌水 |
抗壓強度（MPa） |
PCA （%） |
激發(fā)劑 | ||||
|
初始 |
lh |
7d |
28d |
60d |
90d | ||||||
|
1 |
1700 |
210 |
110 |
470×480 |
- |
29.6 |
43.4 |
54.1 |
59.3 |
1 |
SQ2 |
|
2 |
1700 |
210 |
205 |
480×500 |
- |
24.9 |
38.0 |
49.2 |
56.6 |
1 |
jHI |
|
3 |
1700 |
220 |
215 |
500×500 |
100 |
18.3 |
35.0 |
43.4 |
52.1 |
1 |
- |
|
4 |
1700 |
210 |
185 |
460×470 |
- |
25.1 |
42.8 |
47.1 |
59.2 |
1 |
SQ2 |
|
5 |
1700 |
215 |
210 |
500×500 |
- |
21.4 |
38.9 |
50.6 |
54.8 |
1 |
jHI |
|
6 |
1650 |
220 |
220 |
550×570 |
100 |
20.3 |
36.6 |
47.8 |
51.0 |
1 |
- |
|
7 |
1650 |
220 |
220 |
550×550 |
100 |
21.3 |
35.7 |
47.8 |
52.4 |
1 |
KPY |
|
8 |
1650 |
220 |
210 |
500×500 |
- |
22.8 |
36.9 |
47.7 |
54.8 |
1 |
jHI |
備注：1-2海螺水泥，3-5巨龍水泥，6-8京陽水泥
表4的試驗結(jié)果表明：
（1）PCA與SQ雙摻時，不同的水泥，混凝土坍損不一。
（2）當PCA與jH雙摻時，不同的水泥，混凝土坍損都小。
?。?）兩種激發(fā)劑都能增加混凝土和易性，并減少了混凝土的泌水。
?。?）單純助磨劑的摻加并不明顯影響混凝土的強度；jH、SQ有助于混凝土強度的提高。
3.5 激發(fā)濟在高性能混凝土中的應(yīng)用研究
高性能混凝土（HPC）的一個顯著特點就是大量摻合料的利用。大量利用工業(yè)廢渣，對減少環(huán)境污染，節(jié)約礦產(chǎn)資料及能源都有很重要的現(xiàn)實意義。但大量應(yīng)用摻合料，會造成混凝土早期強度偏低。為了解決這個問題，人們研制開發(fā)了粉煤灰礦渣激發(fā)劑。有的用在水泥中，有的在商品混凝土中應(yīng)用。對激發(fā)劑與聚羧酸系減水劑PCA雙摻在高性能混凝土中的應(yīng)用，得出的試驗結(jié)果列于表5。
表5 聚羧酸系減水型PCA與jH激發(fā)劑的雙摻在高性能混凝土中的應(yīng)用研究
|
編號 |
W kg/m3 |
C kg/m3 |
S kg/m3 |
Fa kg/m3 |
S95 kg/m3 |
G小 kg/m3 |
G大 kg/m3 |
外加劑(%) |
坍落度(mm) |
強度(MPa) | |||||
|
PCA |
jH/SQ |
初始 |
1h |
7d |
28d |
60d |
90d | ||||||||
|
1 |
156 |
400 |
781 |
- |
- |
200 |
880 |
1 |
- |
200 |
180 |
44.8 |
54.8 |
65.2 |
68.6 |
|
2 |
156 |
200 |
781 |
100 |
100 |
200 |
880 |
1 |
- |
210 |
200 |
37.9 |
51.6 |
59.3 |
63.0 |
|
3 |
156 |
200 |
781 |
100 |
100 |
200 |
880 |
1 |
1 |
210 |
190 |
42.8 |
58.2 |
70.1 |
71.7 |
|
4 |
156 |
150 |
781 |
100 |
150 |
200 |
880 |
1 |
1 |
210 |
185 |
41.1 |
50.1 |
63.8 |
68.4 |
|
5 |
156 |
250 |
781 |
70 |
80 |
200 |
880 |
1 |
1 |
210 |
160 |
44.4 |
57.3 |
68.9 |
75.6 |
|
6 |
156 |
200 |
781 |
200 |
- |
200 |
880 |
1 |
1 |
210 |
140 |
35.9 |
52.8 |
62.4 |
66.3 |
|
7 |
156 |
250 |
781 |
150 |
- |
200 |
880 |
1 |
1 |
200 |
120 |
41.3 |
58.5 |
71.8 |
75.0 |
|
8 |
156 |
200 |
781 |
- |
200 |
200 |
880 |
1 |
1 |
190 |
160 |
49.4 |
62.2 |
69.5 |
72.7 |
|
9 |
166 |
200 |
781 |
100 |
100 |
200 |
880 |
1 |
/2 |
210 |
135 |
44.9 |
58.0 |
67.0 |
70.7 |
|
10 |
176 |
200 |
781 |
200 |
- |
200 |
880 |
1 |
/2 |
210 |
40 |
29.9 |
47.9 |
55.8 |
64.1 |
|
11 |
176 |
150 |
781 |
100 |
150 |
200 |
880 |
1 |
/2 |
210 |
175 |
38.0 |
46.6 |
51.3 |
59.1 |
|
12 |
156 |
200 |
781 |
100 |
100 |
200 |
880 |
1 |
KPY |
210 |
200 |
38.9 |
50.1 |
62.5 |
70.9 |
|
13 |
156 |
200 |
781 |
100 |
100 |
200 |
880 |
1 |
CGA |
210 |
200 |
38.4 |
54.1 |
67.1 |
71.1 |
3.6 混凝土耐久性的比較
3.6.1 收縮
混凝土配合比（kg/m3）：
?。╝）C=460，S=675，G=1104，W=150，F(xiàn)DN0.65%。坍落度160mm。
?。╞）C=230，F(xiàn)A=115，S95=115，S=675，G=1104，W=150，F(xiàn)DN0.65%，jH1%，坍落度160mm。
與基準混凝土比較，摻入大量的混合材后，混凝土的自收縮和干收縮都較?。ㄒ妶D1-1，圖1-2）。這對減少混凝土的裂縫有利。
3.6.2 碳化
混凝土配合比為（kg/m3）：
?。╝）W=154，C=300，F(xiàn)A=100，S=810，G=1060，PCA4.0。金寧羊PO42.5R，坍落度180mm。R22=58.6MPa
?。╞）W=154，C=200，F(xiàn)A=100，S95=100，S=810，G=1060，PCA=4.0，JH4.0。金寧羊PO42.5。坍落度180mm，R28=60.3MPa。混凝土成型后，標準養(yǎng)護60天，然后移入標準碳化箱進行碳化，其結(jié)果見表6。
表6 混凝土在標準碳化條件下的碳化值
|
配比 |
水膠比 |
初始 |
7d |
14d |
28d |
60d |
|
(a) |
0.385 |
1.9 |
4.6 |
6.0 |
8.6 |
10.6 |
|
(b) |
0.385 |
1.8 |
6.2 |
7.8 |
10.6 |
15.9 |
以上結(jié)果，可以看出混凝土配比（a）與（b）比較，從FA摻量25%到（FA+S95）占50%，混凝土碳化深度稍有增加，標準試驗條件下28d的碳化值相當于自然條件下碳化50年。可以說明在自然條件下，兩種混凝土配比保持鋼筋混凝土堿性的能力至少在50年內(nèi)相差不大。
?。?）抗?jié)B性
混凝土配比（a）同上，為混凝土公司常規(guī)使用的配比。
混凝土配比（b）同上，為摻加激發(fā)劑之后的配比。這兩組混凝土的抗?jié)B性能對比試驗結(jié)果見表7。
表7 兩組混凝土的抗?jié)B性能對比試驗結(jié)果（標養(yǎng)28d）
|
混凝土配比 |
水膠比 |
膠結(jié)材組成 |
滲透水壓 (MPa) |
平均滲透高度 (cm)(保壓8h) |
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(a) |
0.385 |
C=300,FA=100 |
1.6 |
0.66 |
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(b) |
0.385 |
C=200,FA=100, S95=100 |
1.6 |
0.54 |
試驗結(jié)果表明：混凝土（b）的抗?jié)B性能不比混凝土（a）差，說明在激發(fā)劑的作用下，單摻FA，以及雙摻FA和礦渣混凝土的抗?jié)B性能不至于因為單方混凝土中水泥用量減少而降低。
?。?）抗凍性
混凝土配比（kg/m3）：
?。╝）W=163，C=300，F(xiàn)A=100，S=810，G=1060，F(xiàn)DN0.6%+引氣劑1.2/萬。坍落度190mm，引氣量=3.5%，R28=52.5MPa
（b）W=163，C=200，F(xiàn)A=100，S95=100，S=810，G=1060，F(xiàn)DN0.6%+引氣劑1.2/萬+JH1%。坍落度190mm，Air=5.1%，R28=49.1MPa。實驗結(jié)果見表8。
表8 混凝土抗凍性能試驗結(jié)果（28d）
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相對動彈性模量(%) | ||||||||||
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次數(shù) |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
|
(a) |
99.83 |
98.45 |
94.40 |
89.35 |
85.68 |
79.47 |
74.31 |
68.37 |
- |
- |
|
(b) |
99.94 |
99.21 |
98.67 |
93.58 |
89.44 |
85.49 |
80.66 |
75.43 |
- |
- |
試驗結(jié)果表明：（b）與（a）比較，混凝土在減水劑、引氣劑和激發(fā)劑作用下，抗凍性能并沒有降低。
4 總結(jié)
?。?）摻加了水劑型助磨劑（摻量1～5/萬）的水泥，與不同類型的混凝土外加劑雙摻時，對混凝土坍落度損失的影響都比較小。它不對混凝土的強度產(chǎn)生明顯的影響。
（2）復(fù)合型的水泥助磨劑，主要為粉劑。摻加量為1%～2%。如果含有硫酸鈉類摻合料激發(fā)劑，當它與萘系或聚羧酸系混凝土外加劑雙摻時，對混凝土坍落度損失影響較大，當然，不同的水泥影響程度不一；當它與保坍型氨基系雙摻時，對混凝土坍損影響較小。如果含有煅燒石膏類摻合料激發(fā)劑，與不同類型的混凝土外加劑雙摻時，對混凝土坍損的影響都比較小。
?。?）含有激發(fā)劑的水泥助磨劑，能改善混凝土的和易性，混凝土保水性較好。加入這種激發(fā)劑能顯著改善混凝土的和易性，減少泌水。
?。?）激發(fā)劑對混凝土強度增長效果明顯。對于摻合料用量大的高性能混凝土，粉煤灰、礦渣和激發(fā)劑共摻，效果更加明顯，并能取得明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益。
?。?）助磨激發(fā)劑的加入，不對混凝土的耐久性產(chǎn)生明顯的不利影響。
參考文獻
[1]蔡安蘭等．助磨劑對普通硅酸鹽水泥性能的影響及作用機理，南京化工大學(xué)學(xué)報，Vo1.23，No.1，2001.1
[2]江朝華，嚴生．多功能水泥復(fù)合助磨劑研究，河海大學(xué)報，Vol.31 No.4，2003.7
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