混凝土外加劑與水泥的適應(yīng)性及對混凝土性能的影響

1.0 前言

九十年代開始，中國國民經(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)對水泥、混凝土及其制品需求大增，帶動了我國水泥、混凝土與制品工業(yè)大發(fā)展，并已成為國民經(jīng)濟(jì)快速增長和基本建設(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，對水泥混凝土的要求也越來越高，不僅要求混凝土可調(diào)凝、早強(qiáng)、高強(qiáng)、大流動度、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)時間與坍落度損失；后期強(qiáng)度有較大的增長；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、北歐等國幾乎全部混凝土都摻用外加劑，我國僅接近40%。使用外加劑的普及程度是衡量一個國家混凝土技術(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)性及對混凝土性能的影響出現(xiàn)了不少問題。因此，了解混凝土外加劑與水泥的適應(yīng)性，外加劑對混凝土性能的主要影響，對更好使用外加劑，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，是一個極復(fù)雜的問題，但也是一個必須了解與基本掌握的問題。

水泥是混凝土最基本的膠凝材料，全國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、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)性卻增加了不少問題。

混凝土外加劑廠也緊緊跟上，對各類外加劑進(jìn)行了性能調(diào)整以達(dá)到與新水泥指標(biāo)兼容性。從外加劑廠來說，盡管作出了很大的努力，但從工程實(shí)踐的情況來看，問題仍然很多，如同品種同摻量的外加劑，對不同品種的水泥，效果差異極大，甚至同一種水泥，但不同時期效果也有差別，使用同一批外加劑的水泥凈漿流動度時大時小，其混凝土的坍落損失有時忽大忽小，甚至有時泌水、有時又不泌水、凝結(jié)時間的差異也很大，時而還會出現(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水泥凈漿流動的影響。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]。

聚羧酸鹽及氨基磺酸鹽、羰基磺酸鹽類、萘系(ns)的流動度大,木質(zhì)素磺硫酸鹽類(ls)流動度小,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)成份對外加劑吸附量的多少，對于流動性及強(qiáng)度增長有很大的影響。外加劑吸附量越少的水泥漿體的流動度值越大。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c3af快[2]。水泥中c3a、c4af含量低對外加劑適應(yīng)好，混凝土體積穩(wěn)定性好，開裂趨勢減少。

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，也會影響外加劑對水泥的適應(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，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，這也是其中一個重要原因。

石膏研磨細(xì)度不夠，會影響石膏的溶解性，即使運(yùn)用二水石膏也會產(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，無論選用何種石膏，凝結(jié)時間都會提前，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℃高溫下會脫水成為半水石膏，溫度再高至160℃以上，半水石膏還會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新鮮水泥存放時間與溫度的影響

陳國忠等通過試驗(yàn)認(rèn)為：新鮮水泥在生產(chǎn)后12天內(nèi)對外加劑吸附量較大，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，早期水化快、水化時發(fā)熱量大，所以需水量大，而且對外加劑的吸附量也大，同等摻量時，流動度變小，必然會產(chǎn)生對混凝土的需水量大、坍落度損失快、凝結(jié)時間短等許多怪現(xiàn)象。這完全是因?yàn)樗啻娣艜r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，如能注意到這些問題，有了這方面的認(rèn)識和經(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)場的情況下，可通過調(diào)整增加摻量來解決新鮮水泥與外加劑不兼容的問題，其調(diào)整幅度視水泥新鮮的程度和對外加劑的適應(yīng)性而定。

3.0 混凝土外加劑對混凝土性能的影響

3.1混凝土是當(dāng)代最大宗的人造材料。

混凝土是現(xiàn)代社會須臾不能離開的主要建筑材料，它對人類社會的進(jìn)步和發(fā)展做出了極為重要的貢獻(xiàn)?；炷猎谥袊l(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。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水泥適應(yīng)性有差別，應(yīng)通過試驗(yàn)確定，選用質(zhì)量穩(wěn)定、適應(yīng)性好的外加劑；同時根據(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新拌混凝土穩(wěn)定性的影響[2]

隨著高強(qiáng)混凝土和泵送工藝日益廣泛的應(yīng)用，原來摻量不僅減水率達(dá)不到要求，而且由于水灰比減小、澆筑時工作度要求增大，新拌混凝土的工作度損失加劇，不能滿足較長距離運(yùn)輸?shù)氖┕ひ?，因此高效減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與c3a結(jié)合，使液相里的高效減水劑量下降，逐漸失去對水泥的分散作用，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，有時摻量在增減0.1%——0.2%范圍內(nèi)變動，就會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)量控制都帶來不便，或者說更高的要求。

3.5其他因素對混凝土性能的影響。

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，混凝土流動性大，坍落度與擴(kuò)展度的經(jīng)時變化也少，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)級配或單粒級石子，粒徑適中；原材料質(zhì)量保證，用量準(zhǔn)確；

3.5.3通過設(shè)計(jì)與試配，確定合理的配合比，必要時需進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

施工配合比雖然是設(shè)計(jì)問題，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，但砂率過高也會影響混凝土的保塑性能，增加混凝土坍落度的經(jīng)時損失率。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，石膏有足夠的溶解用水，石膏在缺水時會大大影響溶解度，影響外加劑對水泥適應(yīng)性。

高效減水劑摻量過多時，水泥漿的流動度大，漿體稀薄，不足以維持與集料的粘聚，往往會引起混凝土離析、泌水，此時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)貨時間。

砂、石、水泥及外界的溫度對水泥與外加劑適應(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)，防止漏振或振搗過度；及時利用原漿收光面層，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小時內(nèi)及時澆水養(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關(guān)的異常現(xiàn)象。