堿礦渣水泥高效緩凝劑的研究及應(yīng)用

　　堿礦渣水泥由于具有早強(qiáng)、快硬、低水化熱、低需水量、高抗?jié)B、高抗蝕等一系列優(yōu)點，因此近幾十年來得到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，并投入了大量的研究，但是由于堿礦渣水泥凝結(jié)時間過快，因此至今仍沒有發(fā)揮出它自身的優(yōu)勢，在國內(nèi)基本上沒有應(yīng)用。
　　

針對堿礦渣水泥的這種不足，國內(nèi)外水泥專家進(jìn)行了大量的研究工作。獨聯(lián)體采用有機(jī)硅表面活性劑，試圖在堿礦渣粒子表面建立起有機(jī)硅物質(zhì)薄膜，以阻止和延緩礦渣粒子和堿組分之間的快速反應(yīng)，雖有效果，但始終未能達(dá)到獨聯(lián)體標(biāo)準(zhǔn)對硅酸鹽水泥初凝時間(不小于45min)的要求。
　　

國內(nèi)目前研究的堿礦渣水泥的緩凝劑，摻量大，對水泥的強(qiáng)度影響較大，價格貴，配制工藝復(fù)雜，只能局限在實驗室中研究，在實際工程中無法推廣。

1　堿礦渣水泥高效緩凝劑的研制

　　
1.1　基本要求
　　1)低摻量低成本，高效緩凝。
　　2)初凝時間:現(xiàn)場攪拌施工用水泥控制在60～120min；商品混凝土攪拌站用水泥控制在6～10h。
　　3)終凝時間:控制初凝與終凝時間差在1～2h之間，以便盡早的開始混凝土工程的養(yǎng)護(hù)工作并為及早拆模奠定基礎(chǔ)。
　　4)水化硬化:緩凝劑在完成緩凝任務(wù)后不影響水泥的水化硬化或具有一定的促硬作用。
　　5)耐久性:緩凝劑的加入不能影響堿礦渣水泥混凝土的耐久性。

1.2　基本原理
　　

堿性組分與礦渣在加水?dāng)嚢杌旌蠒r，由于堿的強(qiáng)烈激發(fā)，使礦渣玻璃體硅氧鍵斷裂形成含有非橋氧的自由端和羥基的硅酸根離子，鈣離子與這些硅酸根離子相互結(jié)合形成水化硅酸鈣凝膠，同時硅酸根離子在靜電作用下進(jìn)行了快速聚合，這是堿礦渣水泥急凝的主要原因。我們通過引入帶電荷的陰陽粒子，在電荷斥力作用下阻止延緩鈣離子的移動速度，或降低硅酸根離子的靜電引力，從而阻止水化硅酸鈣的生成，延遲硅酸根離子的聚合，以達(dá)到緩凝的效果。這是我們在原理上與大摻量緩凝劑利用反應(yīng)產(chǎn)物膜假設(shè)的不同之處。隨著時間的延續(xù)，靜電逐漸釋放，這種靜電吸引力和斥力逐漸變小最后消失，水泥就可以正常水化達(dá)到初凝、終凝、硬化。這時微量的帶電緩凝劑可以代替部分鈣離子形成水化產(chǎn)物，硅酸根離子的自聚合作用正常進(jìn)行，在混凝土水化反應(yīng)產(chǎn)物內(nèi)部不留下任何起負(fù)作用的離子。

1.3　緩凝劑種類及摻量對凝結(jié)時間的影響
　　

在實驗室用人工合成的方法研制成功了BF、TH、FQ三大系列的低摻量高效緩凝劑。實驗室采用首鋼礦渣、鞍鋼礦渣和本鋼礦渣，堿激發(fā)劑采用水玻璃(模數(shù)為2.4)、石灰等。試驗用礦渣化學(xué)成分及堿度見表1。

　　緩凝劑BF、TH、FQ為粉狀物，屬于鉻酸鹽與蜜胺系列減水劑復(fù)配而得，易溶于水，每噸成本2000元左右。凝結(jié)時間的測量按GB1346-89進(jìn)行，優(yōu)選后不同摻量的BF、TH、FQ的初凝、終凝時間如表2。

　　由表2可知，在研究的摻量范圍內(nèi)，隨著BF、FQ摻量的增加，水泥的初凝時間延長，終凝時間也相應(yīng)延長，但凝結(jié)時間差變化幅度不大，說明隨著緩凝劑的引入，堿礦渣水泥的水化過程被延緩了，但在初凝之后，水化速度仍然很快。TH系列緩凝劑在0.020%～0.045%的摻量范圍內(nèi)，隨摻量的增加，初凝時間延長，終凝時間也相應(yīng)變長，但凝結(jié)時間差基本不變，說明隨著TH的摻入，堿礦渣水泥的水化進(jìn)程被推遲了。但在初凝之后水化速度很快恢復(fù)，并且TH也參與了水化反應(yīng)。但是當(dāng)TH摻量在0.045%～0.10%之間變化時，堿礦渣水泥的初凝時間一直保持在2h35min左右，終凝時間在3h20min～3h50min之間，說明TH最佳摻量為0.045%，但超過這個摻量不會影響水泥的凝結(jié)、水化、硬化。建議在現(xiàn)場攪拌施工用的堿礦渣水泥采用TH高效緩凝劑，摻量0.045%，這樣既經(jīng)濟(jì)，效果又好。對商品混凝土攪拌站選用BF、FQ高效緩凝劑，摻量0.035%～0.040%，這樣既可以解決遠(yuǎn)距離運輸又可以保證泵送施工的要求。從而達(dá)到低摻量、低成本、高效緩凝、快速施工的目標(biāo)。

1.4　緩凝劑對水泥粉磨及強(qiáng)度的影響
　　

試驗時發(fā)現(xiàn)，控制相同的粉磨時間，加入緩凝劑后制造的堿礦渣水泥比表面積達(dá)450m²/kg，比不摻緩凝劑時的400m²/kg提高50m²/kg，因此可以認(rèn)定這三種緩凝劑具有助磨的作用。緩凝劑對水泥強(qiáng)度的影響如表3所示。

　　由表3可知，采用BF、TH、FQ后，堿礦渣水泥的強(qiáng)度基本保持不變，證明高效緩凝劑對水泥水化、硬化沒有危害。

1.5　高效緩凝劑對堿礦渣水泥混凝土性能的影響
　　

在實驗室采用BF、FQ高效緩凝劑對堿礦渣水泥混凝土進(jìn)行了試驗，同時測量了混凝土的坍落度及其經(jīng)時損失，數(shù)據(jù)如表4。

　　由表4數(shù)據(jù)可知，采用兩種高效緩凝劑配制的流態(tài)混凝土具有坍落度3h內(nèi)無損失，5h損失很小，混凝土早期強(qiáng)度不降低，后期強(qiáng)度比基準(zhǔn)水泥混凝土有所提高的特點。

2　工程應(yīng)用

　　在以上研究的基礎(chǔ)上，我們在北京城建混凝土公司進(jìn)行了工業(yè)化批量生產(chǎn)，生產(chǎn)混凝土的強(qiáng)度等級為C40、C50。應(yīng)用于中國對外建筑承包工程公司的住宅樓工程，使用部位為墻、柱、梁及部分頂板。具體應(yīng)用情況:在攪拌樓出料口接料檢測，混凝土坍落度為230mm，然后在運輸車內(nèi)存放2h，再經(jīng)過2h運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，在現(xiàn)場存放1h，測量泵送時坍落度為230mm。且泵壓正常，不離析不泌水，和易性好，同時成型樣品做強(qiáng)度、抗凍性、抗?jié)B性、收縮及碳化等項指標(biāo)的試驗。經(jīng)國家工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗，其各項力學(xué)性能指標(biāo)和耐久性指標(biāo)均滿足C40及C50的要求。經(jīng)過對收縮性的測試，用這種水泥配制的混凝土具有微膨脹性，徹底解決了堿礦渣水泥收縮大的固有缺陷?，F(xiàn)在該項工程已經(jīng)峻工，經(jīng)現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)使用摻FQ高效緩凝劑的堿礦渣水泥泵送混凝土施工的部位表面光滑、色澤純正，回彈后強(qiáng)度達(dá)設(shè)計強(qiáng)度的145%，用戶非常滿意。