聚羧酸系外加劑與水泥相容性的研究

[摘 要] 為了探討聚羧酸系外加劑與不同水泥品種的相容性，本文選擇蘇通長江公路大橋使用的兩種水泥，針對目前工程中廣泛應(yīng)用的聚羧酸系外加劑，進(jìn)行了不同溫度狀態(tài)條件下水泥漿和混凝土性能試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：聚羧酸外加劑與兩種水泥具有較好的相容性，但是水泥溫度和外加劑摻量對水泥漿流動度、混凝土坍落度和后期強(qiáng)度增長都具有一定的影響。

[關(guān)鍵詞] 聚羧酸系外加劑；相容性；流動度；坍落度

0前言

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大型跨江、跨海大型公路橋梁項目相繼涌現(xiàn)，工程混凝土需求量增大，為了提高混凝土施工性能并且改善混凝土的耐久性，混凝土中均需摻用一定數(shù)量的外加劑，特別是近年來，羧酸系減水劑作為第三代新型混凝土高效減水劑，因相對于萘系高效減水劑具有高減水率、低收縮、低泌水和坍落度損失小等性能優(yōu)點(diǎn)，其生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展很快[1]。然而，有一個實(shí)際問題卻一直嚴(yán)重影響應(yīng)用效果，即聚羧酸系外加劑也存在與水泥材料的相容性問題[2]，這種問題有時會導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故和不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。聚羧酸外加劑與水泥之間產(chǎn)生不相容性的原因錯綜復(fù)雜，工程中難以避免，在施工中已引起生產(chǎn)廠家和工程應(yīng)用部門的高度重視。因此，對使用過程中碰到的實(shí)際問題，需要對不同外加劑和不同的水泥及混凝土施工配合比進(jìn)行對比試驗(yàn)分析。

　　為較好的解決外加劑與水泥相容性問題，本試驗(yàn)選取蘇通長江公路大型橋梁使用的兩種有代表性的水泥(P.O 42.5和P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥)和江蘇建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的JM-Ⅲ型聚羧酸外加劑產(chǎn)品，進(jìn)行了有關(guān)水泥靜漿和混凝土性能的對比試驗(yàn)，通過比較聚羧酸系外加劑對水泥不同品種和不同溫度狀態(tài)的適應(yīng)性研究，為更好地解決水泥和外加劑相容性問題提供參考。

1原材料及試驗(yàn)方法

1.1原材料

水泥：江蘇南通華新水泥生產(chǎn)的P.O42.5和P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥，兩種水泥的物理化學(xué)性能見下表1。

粉煤灰：江蘇鎮(zhèn)江諫壁生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，其物理性能參數(shù)如下表2所示。

碎石：江蘇鎮(zhèn)江茅迪生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，級配為5～20mm，表觀密度為2.71g/cm3，壓碎指標(biāo)為8%。

砂：江西贛江生產(chǎn)的中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為2.6g/cm3。

聚羧酸外加劑：江蘇省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的JM-Ⅲ型聚羧酸外加劑，其物理性能指標(biāo)如下表3所示。

1.2試驗(yàn)方法

水泥靜漿試驗(yàn)按照《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB50119-2003)中關(guān)于混凝土外加劑對水泥的適應(yīng)性檢測方法進(jìn)行。水泥溫度分別為20℃和80℃，試驗(yàn)水膠比為0.35，高效減水劑摻量分別為0.5%、0.8%、1.2%、1.5%和2.0%，測定從加水開始后5min、30min和60min的水泥靜漿流動度。

混凝土試驗(yàn)配合比如下表4所示，P.O42.5和 P.Ⅱ52.5兩種硅酸鹽水泥的混凝土配合比分別按照1#～4#進(jìn)行，w/b為0.33，Ⅰ級粉煤灰的摻量為19%，聚羧酸系外加劑的摻量分別為0.5%、0.8%、1.2%和1.5%。各種混凝土試驗(yàn)測試方法依據(jù)國家現(xiàn)行普通混凝土拌合物力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1外加劑對水泥靜漿流動度的影響

圖1～圖4分別為20℃和80℃條件下，在不同外加劑變化條件下對P.Ⅱ52.5和 P.O 42.5兩種硅酸鹽水泥靜漿5min、30min和60min流動度的變化。

如圖1～圖4所示，P.O42.5和 P.O42.5兩種水泥靜漿的流動度，隨著聚羧酸外加劑摻量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。靜漿流動度發(fā)生變化的拐點(diǎn)為1.2%，可見本試驗(yàn)中外加劑摻量的飽和點(diǎn)為1.2%左右。在飽和點(diǎn)以前，兩種靜漿的經(jīng)時流動度都持續(xù)增長，沒有損失，其主要原因可能是：(1)水化初期水泥顆粒對高效減水劑的吸附并不完全，吸附過程的持續(xù)進(jìn)行保證了漿體經(jīng)時流動度的持續(xù)增長；(2)JM-Ⅲ型高效減水劑的緩凝成分延緩了水泥顆粒水化的速率，使得漿體經(jīng)時流動度沒有損失。當(dāng)高于飽和點(diǎn)摻量時，P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥漿經(jīng)時流動度開始損失，而P.O42.5硅酸鹽水泥漿經(jīng)時流動度繼續(xù)增長，當(dāng)摻量達(dá)到2.0%時，水泥漿經(jīng)時流動度才開始損失，但是兩種水泥漿經(jīng)時損失都不大。

當(dāng)水泥溫度為20℃時，在高效減水劑各種摻量條件下，兩種硅酸鹽水泥漿都表現(xiàn)出較大的流動度，可知聚羧酸外加劑對兩種水泥都具有較好的分散作用。當(dāng)水泥溫度為80℃時，同摻量的硅酸鹽水泥漿的流動度出現(xiàn)大幅下降，摻量較小時，減小率達(dá)到最大值，為54.5%。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)水泥溫度升高時，聚羧酸外加劑對水泥顆粒的分散作用減弱，宏觀上表現(xiàn)為水泥漿流動度大幅下降。

當(dāng)水泥溫度相同和聚羧酸外加劑摻量相同時，P.O42.5硅酸鹽水泥能表現(xiàn)出比P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥更高的流動度。如圖1和圖2所示，水泥溫度為20℃條件下，摻量為1.2%的P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥漿5min流動度大致等于摻量為0.8%的P.O 42.5硅酸鹽水泥，為200mm左右。可能原因是P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥細(xì)度要高于P.O42.5硅酸鹽水泥，要獲得同樣流動度，需要更多的聚羧酸外加劑[3]。

JM-Ⅲ型高效減水劑與P.O 42.5、 P.Ⅱ52.5兩種硅酸鹽水泥都具有較好的相容性，但是從水泥漿試驗(yàn)結(jié)果分析，P.O42.5硅酸鹽水泥與聚羧酸外加劑的適應(yīng)性要優(yōu)于P.Ⅱ52.5水泥。

2.2外加劑對混凝土性能的影響

2.2.1兩種水泥混凝土的坍落度比較試驗(yàn)

圖5和圖6分別為兩種硅酸鹽水泥混凝土，隨著外加劑摻量的變化，坍落度和1h坍落度的試驗(yàn)對比結(jié)果。

由圖5和圖6可知：隨著聚羧酸外加劑摻量的增大，兩種硅酸鹽水泥混凝土的坍落度都呈增長趨勢。在外加劑摻量較低時，兩種水泥混凝土已經(jīng)表現(xiàn)出較高的坍落度，并且隨著外加劑摻量的增加，混凝土初始坍落度的提高效果也比較明顯，當(dāng)初始坍落度達(dá)到200mm以上后，增加聚羧酸外加劑用量對提高坍落度效果不大，但可以繼續(xù)提高混凝土流動性和坍落度保持性能。而且，試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，如果聚羧酸外加劑過飽和，混凝土也容易出現(xiàn)泌漿和沉底現(xiàn)象。

圖7為兩種水泥混凝土(P.O42.5和 P.Ⅱ52.5)1h坍落度損失，由圖7可知，隨著外加劑摻量的增大，混凝土1h坍落度損失呈先減小后增大的趨勢，并且P.O 42.5水泥混凝土的坍落度損失要好于 P.Ⅱ52.5水泥混凝土。當(dāng)外加劑摻量較低時，兩種水泥混凝土坍落度損失較大，在60mm～80mm之間；當(dāng)外加劑摻量增大時，1h坍損在20mm左右。這表明：本試驗(yàn)采取摻量為1.2%的外加劑時，兩種硅酸鹽水泥混凝土能具有很高的初始坍落度，而且能保證坍落度經(jīng)時損失較小，其主要原因有兩方面：(1)由于聚羧酸外加劑的高效減水作用和高品質(zhì)的粉煤灰火山灰活性效應(yīng)，使得這種高性能混凝土體現(xiàn)出優(yōu)良的工作性能；(2)聚羧酸外加劑中的緩凝成分能延緩C3S的水化[4]，因此大量的外加劑可用于硅酸鹽相的分散，正是由于這種分散作用和對初期水化的抑制作用，使吸附水和結(jié)合水減少，而游離水增多。因此，在提高漿體流動性的同時，還能減小坍落度的損失。

2.2.2兩種硅酸鹽水泥混凝土強(qiáng)度比較

圖8和圖9分別為P.Ⅱ52.5 和P.O42.5兩種硅酸鹽水泥混凝土3d、11d和28d強(qiáng)度，在不同的聚羧酸外加劑摻量時的試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，兩種硅酸鹽水泥混凝土3d強(qiáng)度都達(dá)到了30～50MPa，28d強(qiáng)度達(dá)到了50～80MPa。可見聚羧酸外加劑雖然能延緩水泥水化過程，但并不影響早期強(qiáng)度的增長，而且由于粉煤灰的火山灰活性以及高效減水劑使用后使水膠比降低，混凝土28d強(qiáng)度也較高。

從圖8和圖9的分析結(jié)果看，P.Ⅱ52.5水泥混凝土3d強(qiáng)度都在50MPa左右，11d強(qiáng)度都在60MPa左右；而P.O42.5水泥混凝土3d強(qiáng)度，除了摻量為0.5%的混凝土強(qiáng)度較低外(34MPa)，其余各摻量混凝土強(qiáng)度都在45MPa左右。這表明：水泥品種和外加劑摻量變化對混凝土早期強(qiáng)度的影響不大。并且通過對兩種水泥混凝土后期強(qiáng)度的比較可知：P.Ⅱ52.5水泥混凝土比P.O 42.5水泥混凝土后期強(qiáng)度增長更明顯，這說明聚羧酸外加劑對高標(biāo)號水泥混凝土的后期強(qiáng)度增長發(fā)展作用更大。

3結(jié) 論

1、對于目前蘇通長江公路大型橋梁使用的P.Ⅱ52.5和 P.O 42.5硅酸鹽水泥，試驗(yàn)用的聚羧酸系外加劑，其水泥漿流動度試驗(yàn)結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性，反映了聚羧酸外加劑與這兩種水泥具有較好的相容性，但聚羧酸外加劑摻量對其與水泥的相容性有一定的影響。在所試驗(yàn)的水泥溫度范圍內(nèi)，隨著水泥溫度升高，水泥漿流動度大幅下降，但是沒有出現(xiàn)經(jīng)時流動度損失的情況。對于本試驗(yàn)所用的兩種水泥，聚羧酸外加劑存在一個最佳摻量。

2、在最佳摻量左右時，兩種水泥混凝土能保持很高的坍落度和較小的坍落度損失。對于兩種水泥，聚羧酸外加劑混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律基本一致。聚羧酸外加劑摻量變化對混凝土早期強(qiáng)度影響不大，對后期強(qiáng)度增長影響較大，特別是高標(biāo)號水泥混凝土后期強(qiáng)度增長更為明顯。

參考文獻(xiàn)

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