混凝土外加劑與水泥的適應(yīng)性及對(duì)混凝土性能的影響
1.0 前言
九十年代開始,中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速發(fā)展,基礎(chǔ)工業(yè)建設(shè)和建筑業(yè)對(duì)水泥、混凝土及其制品需求大增,帶動(dòng)了我國(guó)水泥、混凝土與制品工業(yè)大發(fā)展,并已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)和基本建設(shè)高速發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)。
隨著建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步,對(duì)水泥混凝土的要求也越來(lái)越高,不僅要求混凝土可調(diào)凝、早強(qiáng)、高強(qiáng)、大流動(dòng)度、高密實(shí)性、高耐久性、低水化熱、輕質(zhì),而且要求制備成本低、成型容易、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便……。為達(dá)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(diǎn)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(jié)時(shí)間與坍落度損失;后期強(qiáng)度有較大的增長(zhǎng);增加混凝土的密實(shí)性,抗?jié)B、抗凍、抗炭化等耐久性指標(biāo)有較大的提高,硬化混凝土有較好的體積穩(wěn)定性等。外加劑的研究和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了混凝土施工新技術(shù)與新品種混凝土的發(fā)展,在發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)幾乎全部混凝土都摻用外加劑,我國(guó)僅接近40%。使用外加劑的普及程度是衡量一個(gè)國(guó)家混凝土技術(shù)水平高低的重要標(biāo)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(jì)混凝土工程的“高新技術(shù)”。自水泥新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后,外加劑與水泥的適應(yīng)性及對(duì)混凝土性能的影響出現(xiàn)了不少問(wèn)題。因此,了解混凝土外加劑與水泥的適應(yīng)性,外加劑對(duì)混凝土性能的主要影響,對(duì)更好使用外加劑,處理好外加劑與水泥及混凝土的關(guān)系,充分發(fā)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(yīng)性
混凝土外加劑與水泥的適應(yīng)性問(wèn)題,涉及水泥化學(xué)、高分子材料學(xué)、表面物理化學(xué)和電化學(xué)等多方面的知識(shí),是一個(gè)極復(fù)雜的問(wèn)題,但也是一個(gè)必須了解與基本掌握的問(wèn)題。
水泥是混凝土最基本的膠凝材料,全國(guó)水泥占世界水泥總量的1/3,2003年已達(dá)8.6億多噸,連續(xù)13年居世界之首。水泥新標(biāo)準(zhǔn)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(shù)措施來(lái)提高水泥質(zhì)量以適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)的要求,主要從提高水泥早期強(qiáng)度、細(xì)度(增大比表面積)、C3A的含量、混合料的質(zhì)量等,使水泥達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求,但與外加劑的適應(yīng)性卻增加了不少問(wèn)題。
混凝土外加劑廠也緊緊跟上,對(duì)各類外加劑進(jìn)行了性能調(diào)整以達(dá)到與新水泥指標(biāo)兼容性。從外加劑廠來(lái)說(shuō),盡管作出了很大的努力,但從工程實(shí)踐的情況來(lái)看,問(wèn)題仍然很多,如同品種同摻量的外加劑,對(duì)不同品種的水泥,效果差異極大,甚至同一種水泥,但不同時(shí)期效果也有差別,使用同一批外加劑的水泥凈漿流動(dòng)度時(shí)大時(shí)小,其混凝土的坍落損失有時(shí)忽大忽小,甚至有時(shí)泌水、有時(shí)又不泌水、凝結(jié)時(shí)間的差異也很大,時(shí)而還會(huì)出現(xiàn)促凝現(xiàn)象等等,這些就是外加劑與水泥的適應(yīng)性問(wèn)題。
2.1外加劑與水泥不相適應(yīng)
主要表現(xiàn)在減水效果低下或增加流動(dòng)性的效果不好、凝結(jié)速度太快或緩凝、坍落度損失快,甚至降低混凝土強(qiáng)度等,這種種不適應(yīng)的問(wèn)題與外加劑的品種、作用機(jī)理、原材料的選用與制造工藝、膠凝材料的成份、細(xì)度、水泥磨細(xì)階段工藝的差異有關(guān),其他如環(huán)境溫度、加料方式和外加劑用量也會(huì)產(chǎn)生影響。
2.2外加劑品種與性能的影響
外加劑特別是化學(xué)合成的高效減水劑性能對(duì)水泥凈漿流動(dòng)的影響。如萘系高效減水劑的性能涉及磺化程度與磺化產(chǎn)物,縮合工藝與程度,分子量大小,平衡離子,分子結(jié)構(gòu)等各種因素。水泥等無(wú)機(jī)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(xué)作用,導(dǎo)致粒子形成聚集結(jié)構(gòu),束縛一部分水,不能用于滑潤(rùn)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(jié)構(gòu)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(dòng)性增大,其增加的大小與其技術(shù)性能及摻量有關(guān)[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(dòng)度大,木質(zhì)素磺硫酸鹽類(ls)流動(dòng)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(xué)成份的影響
水泥膠結(jié)料的礦物質(zhì)成份和化學(xué)成份對(duì)外加劑吸附量的多少,對(duì)于流動(dòng)性及強(qiáng)度增長(zhǎng)有很大的影響。外加劑吸附量越少的水泥漿體的流動(dòng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)行后,水泥廠為提高強(qiáng)度而增加C3A與C4AF,其含量越高,適應(yīng)效果越差。且C3A含量對(duì)相容性的影響遠(yuǎn)比C4AF大,這是由于高效減水劑優(yōu)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(duì)外加劑適應(yīng)好,混凝土體積穩(wěn)定性好,開裂趨勢(shì)減少。
2.4水泥細(xì)度與顆粒形貌的影響
為滿足水泥新標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度要求,提高水泥細(xì)度是最有效的辦法,但水泥過(guò)細(xì),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(guò)細(xì)水化速度快,水化熱高,容易產(chǎn)生裂縫。
2.5摻合料的影響
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),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(huì)影響外加劑對(duì)水泥的適應(yīng)性,火山灰、煤堿石、窯皮最差。
2.6調(diào)凝劑的影響
調(diào)凝劑(石膏)的形態(tài)、細(xì)度、用量、研磨溫度等均有影響。
水泥常用調(diào)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(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),三種石膏都可作水泥調(diào)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(jìn)石膏溶解,反而會(huì)降低硬石膏的溶解度,使水泥因缺少調(diào)凝成份而產(chǎn)生速凝等異常凝結(jié)。就是半水石膏,也由于caso4.1/2h20→caso4.2h2o的結(jié)晶,水泥與水拌合后,反應(yīng)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(gè)重要原因。
石膏研磨細(xì)度不夠,會(huì)影響石膏的溶解性,即使運(yùn)用二水石膏也會(huì)產(chǎn)生速凝等現(xiàn)象。
在C3A含量偏高的水泥中,調(diào)凝劑仍按常規(guī)用量(3—5%),無(wú)論選用何種石膏,凝結(jié)時(shí)間都會(huì)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(diào)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(yīng)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(shí)間,經(jīng)常將溫度較高的熟料與石膏同磨,二水石膏在150℃高溫下會(huì)脫水成為半水石膏,溫度再高至160℃以上,半水石膏還會(huì)成為溶解性較差的硬石膏,影響水泥的適應(yīng)效果,使混凝土流動(dòng)性變差,甚至出現(xiàn)假凝。
2.7堿含量的影響
水泥中的堿主要來(lái)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(huì)加速水泥的早期水化速率,導(dǎo)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(shí)間與溫度的影響
陳國(guó)忠等通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為:新鮮水泥在生產(chǎn)后12天內(nèi)對(duì)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(dāng)高(達(dá)80℃—90℃),早期水化快、水化時(shí)發(fā)熱量大,所以需水量大,而且對(duì)外加劑的吸附量也大,同等摻量時(shí),流動(dòng)度變小,必然會(huì)產(chǎn)生對(duì)混凝土的需水量大、坍落度損失快、凝結(jié)時(shí)間短等許多怪現(xiàn)象。這完全是因?yàn)樗啻娣艜r(shí)間的不同,導(dǎo)致混凝土的性能技術(shù)指標(biāo)出現(xiàn)較大差異,如能注意到這些問(wèn)題,有了這方面的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn),出現(xiàn)此類現(xiàn)象也就不足為怪了。
在外加劑已供施工現(xiàn)場(chǎng)的情況下,可通過(guò)調(diào)整增加摻量來(lái)解決新鮮水泥與外加劑不兼容的問(wèn)題,其調(diào)整幅度視水泥新鮮的程度和對(duì)外加劑的適應(yīng)性而定。
3.0 混凝土外加劑對(duì)混凝土性能的影響
3.1混凝土是當(dāng)代最大宗的人造材料。
混凝土是現(xiàn)代社會(huì)須臾不能離開的主要建筑材料,它對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展做出了極為重要的貢獻(xiàn)。混凝土在中國(guó)發(fā)展之迅速、生產(chǎn)數(shù)量之大、品種之多、應(yīng)用范圍之廣當(dāng)屬世界之最。但現(xiàn)代混凝土施工技術(shù)的發(fā)展離不開外加劑,特別是高效減水劑在高強(qiáng)與高性能混凝土技術(shù)的發(fā)展中所起主導(dǎo)作用。
3.2混凝土外加劑的發(fā)展促進(jìn)混凝土技術(shù)的發(fā)展。
根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)與施工的要求,研究、開發(fā)了混凝土外加劑,外加劑技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了混凝土施工技術(shù)的發(fā)展。使混凝土技術(shù)從塑性混凝土向干硬性混凝土,流態(tài)化混凝土,高性能混凝土方向發(fā)展。
正在研發(fā)中的聚羥酸類,象高效ae減水劑以及與超塑化劑精細(xì)配制的復(fù)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(chǎn)品。它克服了第二代外加劑存在著坍落度經(jīng)時(shí)損失大的缺點(diǎn)并兼顧耐久性的指標(biāo),將混凝土的高強(qiáng)、高施工性能、高耐久性三者結(jié)合起來(lái)。另外,它們還需進(jìn)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(shí)間內(nèi)具有能保持坍落度及所需穩(wěn)定的含氣量,能使用現(xiàn)場(chǎng)的成套設(shè)備或用商品混凝土設(shè)備制造出各項(xiàng)指標(biāo)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(dòng)性高,穿透鋼筋網(wǎng)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(jìn)一步改良與發(fā)展。
3.3選擇與水泥相適應(yīng),能滿足設(shè)計(jì)與施工要求的相應(yīng)外加劑。
不同生產(chǎn)工藝、種類或配方與摻量的外加劑對(duì)水泥適應(yīng)性有差別,應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定,選用質(zhì)量穩(wěn)定、適應(yīng)性好的外加劑;同時(shí)根據(jù)不同設(shè)計(jì)與施工要求,選擇相應(yīng)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(jù)設(shè)計(jì)與施工要求,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用材料,進(jìn)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(duì)新拌混凝土穩(wěn)定性的影響
隨著高強(qiáng)混凝土和泵送工藝日益廣泛的應(yīng)用,原來(lái)?yè)搅坎粌H減水率達(dá)不到要求,而且由于水灰比減小、澆筑時(shí)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(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)氖┕ひ螅虼烁咝p水劑的摻量逐漸增大,研究與應(yīng)用的實(shí)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(dòng)性,可以成型密實(shí),生產(chǎn)強(qiáng)度與耐久性良好的高強(qiáng)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(lái)也減小了,其機(jī)理是:新拌混凝土中水泥的的硫酸鈣含量與形態(tài),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(chǎn)生SO4-離子的水分少,而需要控制的C3A量又多,相對(duì)而言,有較多的C3A就地水化。因?yàn)槿鄙倭蛩岣x子,高效減水劑分子上的磺酸根基因就會(huì)與C3A結(jié)合,使液相里的高效減水劑量下降,逐漸失去對(duì)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(yīng)的飽和濃度。對(duì)于大多數(shù)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(qiáng)與高性能混凝土?xí)r,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(yù)期的效果,對(duì)于不同的高效減水劑品種,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的敏感性不一樣,有時(shí)摻量在增減0.1%——0.2%范圍內(nèi)變動(dòng),就會(huì)從減水率還不夠理想躍變?yōu)榉€(wěn)定性不佳的另一極端,這種情況給混凝土配制和施工質(zhì)量控制都帶來(lái)不便,或者說(shuō)更高的要求。
3.5其他因素對(duì)混凝土性能的影響。
要配制品質(zhì)優(yōu)良新拌混凝土與獲得良好的硬化混凝土,必須注意滿足對(duì)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(xué)成份以及物理技術(shù)指標(biāo)
選擇滿足設(shè)計(jì)與施工技術(shù)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(dòng)性大,坍落度與擴(kuò)展度的經(jīng)時(shí)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(huì)較好。
3.5.2保證砂、石質(zhì)量,原材料用量準(zhǔn)確
砂的含泥量與細(xì)度模數(shù)必須符合要求,碎石的含泥量及針片狀不超標(biāo),最好選用連續(xù)級(jí)配或單粒級(jí)石子,粒徑適中;原材料質(zhì)量保證,用量準(zhǔn)確;
3.5.3通過(guò)設(shè)計(jì)與試配,確定合理的配合比,必要時(shí)需進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
施工配合比雖然是設(shè)計(jì)問(wèn)題,但它是影響混凝土性能的關(guān)鍵因素,如泵送混凝土適當(dāng)提高砂率可提高混凝土可泵送性,但砂率過(guò)高也會(huì)影響混凝土的保塑性能,增加混凝土坍落度的經(jīng)時(shí)損失率。降低水灰比可以提高混凝土強(qiáng)度,而在較低水灰比條件下配制摻外加劑混凝土應(yīng)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(shí),石膏有足夠的溶解用水,石膏在缺水時(shí)會(huì)大大影響溶解度,影響外加劑對(duì)水泥適應(yīng)性。
高效減水劑摻量過(guò)多時(shí),水泥漿的流動(dòng)度大,漿體稀薄,不足以維持與集料的粘聚,往往會(huì)引起混凝土離析、泌水,此時(shí)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(chǎn)生離析的混凝土拌和物有害于工程質(zhì)量。
3.5.4注意水泥的出廠及進(jìn)貨時(shí)間。
砂、石、水泥及外界的溫度對(duì)水泥與外加劑適應(yīng)性都有著不同程度的影響。特別是剛出廠的水泥溫度有時(shí)高達(dá)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(dāng)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(yàn)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(xì)礦渣粉、粉煤灰等在滿足一定的技術(shù)要求條件下與外加劑同摻,不但節(jié)約水泥,改善混凝土工作性,提高混凝土強(qiáng)度,還能改善外加劑對(duì)水泥的適應(yīng)性。
3.5.6保證施工質(zhì)量
保證制摸質(zhì)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(shí),防止漏振或振搗過(guò)度;及時(shí)利用原漿收光面層,在初凝前再進(jìn)行二次壓實(shí)收面,可減少塑性裂縫;混凝土澆注后表面泛白或8小時(shí)內(nèi)及時(shí)澆水養(yǎng)護(hù)或噴養(yǎng)護(hù)劑,最好加薄膜密封養(yǎng)護(hù)或復(fù)蓋濕麻袋養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)日期不少于14天,以免因施工質(zhì)量不佳而引起與外加劑無(wú)關(guān)的異?,F(xiàn)象。
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