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調整外加劑在混凝土中的相容性方法探究
發布時間:2015-8-14 閱讀:2920次   打印本頁 || 關閉窗口

[摘 要]外加劑成為現代混凝土不可缺少的重要組分,外加劑的使用促進了混凝土技術的變革。但在外加劑與混凝土各種材料的相容性方面,實際工程應用中發現了各種各樣的問題。筆者根據自己的工作經驗總結了分步法調整外加劑在混凝土中的相容性,可以將我們的復配方法明確化,將復雜的的問題簡單化、程式化。

[關鍵詞]外加劑;混凝土;相容性;分步法復配

外加劑能提高新拌混凝土的工作性能,改善施工環境,提高硬化混凝土的力學性能和耐久性,同時可節約水泥、降低成本、加快施工速度。因此,混凝土外加劑廣泛用于各種混凝土工程中。但是我國各地混凝土原材料不一樣,原材料的生產工藝、規模有較大差別,不僅導致了混凝土原材料的多樣性、復雜性,而且質量差別也很大。在高性能混凝土、高強混凝土、泵送混凝土的應用中往往會出現混凝土外加劑與混凝土原材料相容性較差的現象。尤其是水泥與外加劑相容性方面,在相同配比下,同摻量同品種的混凝土外加劑往往由于水泥品種不一樣,其應用效果有較大差別。同一種混凝土外加劑在某種水泥的應用中效果較好,而在另一種水泥的應用中出現較大差別,甚至出現相反效果,嚴重的會出現質量事故。如摻有甘油的混凝土外加劑或糖鈣木鈣的混凝土外加劑,在某些水泥中應用效果較理想,而在某些水泥中可能會出現相反的效果。混凝土與外加劑相容性好的情況:混凝土初始坍落度與流動擴展度的比值在 0.4 左右,一個小時坍落度損失 2030mm。外加劑在混凝土中相容性差的表現:

1)出不了機:干澀、豆渣狀,混凝土干硬,出機混凝土無流動性;

2)出機損失:初始粘稠,5 分鐘內流動消失;

3)保不住:初始狀態極好,15 分鐘流動消失;

4)坍損快:嚴重泌水,高減水,但損失還快,1 小時流動損失;

5)混凝土粘聚狀態差:大流動性混凝土露石,離析、泌水,扒底粘罐;低流動性混凝土漿體不粘,發散、發澀,包裹性差;

6)敏感:使用適應性特別好的水泥及水洗砂石,外加劑摻量低時,混凝土流動性損失過快;增加摻量后又出現泌水;

7)流動性隨時間增大:混凝土出機正好,到現場流動性增大,成型以后有局部離析、泌水、砂線現象,出現裂紋及影響外觀問題。

1 影響外加劑適應性的因素

影響外加劑適應性的因素有很多,從大的方向上看可分為外加劑自身因素、膠材及骨料的影響。

1.1 外加劑

外加劑的合成工藝決定了外加劑的分子結構、原材料的質量,生產管理決定了產品的穩定性。目前市場上常見的類型主要有兩種:一是萘系及脂肪族類高效減水劑,此類型減水劑性能相似,但萘系的含氣量稍高于脂肪族類,脂肪族類的緩凝性及泌水高于萘系產品;另一類是聚羧酸鹽類產品,有聚醚類及聚酯類兩種類型,由于酯類的生產工藝相對復雜,現在市場上常見的是醚類產品,一般酯類的引氣性及保坍性能高于醚類。羧酸鹽產品對水泥品種尤其水泥堿含量敏感,不僅有與水泥的相容性問題,對摻合料也很敏感,甚至對骨料的品質也很敏感。聚羧酸系減水劑原料和工藝不同時性能差別很大,復配技術難度大,且尚不成熟。

外加劑母料及復配的緩凝組分的質量是外加劑復配的前提和保障,因此首先要保證母料及復配材料的質量。外加劑原材料應選擇生產規模大的廠家,生產規模大的廠家有相應的質量管理體系和專業人員,相對來說生產的母料質量較好且穩定,而一些小廠對原料及生產的管理跟不上,產品波動較大。更有一些小廠受利益驅動,在母料中加入了低價的木質素類成分,給后期的復配工作帶來很多不便。如湖北某廠的萘系外加劑中加入了約 10的草漿木鈉,在某工地試驗時拌合出來的混凝土出現瞬間損失;凈漿試驗發現,不論用何種原料復配均出現了初始凈漿流動度小于 170mm,且 5 分鐘左右流動性急劇下降,同時伴有漿體發熱(溫升達 3℃)。而換用另一廠家萘系產品稍微調整復配組分后情況得到了顯著改善,混凝土的經時損失也滿足了要求。事后證明此水泥中使用了一部分的硬石膏,由于木質素類被硬石膏快速吸附將石膏包裹起來,從而無法提供水泥漿體所需的 SO42-,造成了C3A 的快速水化而發熱,且漿體迅速失去流動性。另外,一些葡萄糖酸鈉中被加入了硫酸鈉等成分。

1.2 水泥

外加劑在混凝土中的相容性主要取決于水泥礦物組成(主要是 C3AC3S)、可溶 SO3 和堿含量。C3A 在水泥水化的過程中,是水化速度最快的礦物成分,在沒有 SO3 存在的情況下,可以瞬間水化。水泥中石膏的摻入,石膏與 C3A 應生成 AFt(鈣礬石)包裹在 C3A 的表面,阻止 C3A 的進一步水化;水泥漿體中的堿可以促進 C3A 的溶出,降低 SO3 的溶解,增加溶液中 C3A 的數量,使水化速度加快,堿又能突破石膏與 C3A 反應生成 AFt(鈣礬石)包裹在 C3A 的表面膜,使被 AFt(鈣礬石)包裹的 C3A 繼續水化。水泥中的 SO3過少,不能阻止 C3A 的水化;SO3 過多,石膏沉淀會導致假凝。應當注意的是水泥中的堿與 Na2SO4 的堿對減水劑的作用是不一樣的,Na2SO4 中的堿對減水劑相容性的影響要比水泥中的堿對減水劑相容性影響小的多。因此,水泥中的 C3ASO3 及堿三者的平衡對水泥與外加劑的相容性有十分重要的作用。凡是打破三者平衡的因素,都會影響到外加劑在混凝土中的相容性。

比表面積過大,溫度過高的新鮮水泥及 C3A 含量高的水泥,這些因素都改變水泥水化的速率,使 C3ASO3、堿三者的平衡遭到破壞。石膏的種類、細度、用量等因素都會使水泥中的 SO3 溶解度不足,不能有效阻止水泥 C3A 的水化。當水泥粉磨溫度過高,二水石膏會部分轉化為溶解度最快的半水石膏,使水泥漿體中的 SO42- 迅速增加引起石膏沉淀,加速生成鈣礬石,宏觀表現假凝

1.3 礦物摻合料

單摻礦粉會使混凝土的粘聚性提高,凝結時間有所延長,泌水量有增大的跡象。全摻普通粉煤灰需要增加用水量,而且凝結時間長,但可以抑制泌水;而優質粉煤灰可以降低減水劑用量,如果摻的是統灰,因其中含一部分三級灰,則往往就是使高效減水劑失效的主要原因。摻合料細度很關鍵,料粗不但會使混凝土泌水,甚至會使坍落度損失變大。粉煤灰的燒失量、礦渣粉中摻石粉的數量,會直接影響外加劑尤其是高效減水劑和緩凝劑對水泥的適應性。

1.4 骨料

粗細骨料的形態影響混凝土的流動性及和易性。片針狀較多的粗骨料對流動性影響明顯,而砂的級配不好,如較多的粗顆粒會引起混凝土離析、泌水,過多的細顆粒則增加用水量及外加劑用量,混凝土拌合物較粘。

在人工砂中保留 9%12% 的石粉,最適宜改善混凝土的和易性,低等級混凝土中特別明顯。但不同強度等級機制砂混凝土對應最佳石粉含量不同。石粉含量控制在 8%10% 時,對各種強度要求的混凝土都能起好的作用,關鍵在于控制好亞甲藍 MB 值,使用亞甲藍 MB 值小于 0.5 的石粉,效果較好。

對于羧酸鹽類減水劑,當骨料中帶入的泥量達 2% 以上時,對外加劑的作用開始出現明顯影響;當含泥量達 3% 時,坍落度為正常條件下的 40%;當泥含量為 5% 以上時,基本無坍落度。即便通過增加摻量及用水量的辦法來提高初始坍落度,但其損失也是極快的,基本上不過 15 分鐘坍落度損失過半。因此在原材料含泥量高時,盡量使用對泥含量敏感性小的萘系或脂肪族類減水劑。

2 混凝土與外加劑相容性分步調整

2.1 第一步凈漿試驗

2.1.1 調整水泥凈漿初始流動度

在水泥凈漿實驗時,我們只使用水泥和減水劑母液進行試驗,觀察水泥與減水劑的相容性。根據 GB/T8077—2000 進行水泥與減水劑凈漿試驗,水泥 300g;水 87g:萘系、脂肪族類摻量(折固)0.6% 左右,流動度能達到 220mm 左右,20% 羧酸類 0.4%0.6% 摻量時流動度達 250mm;且漿體有光澤視為正常情況,此種水泥適應性較好,可以直接進行下一步保坍試驗。

對于在上述試驗方法的情況下,流動度小于 140mm時,可以適當提高外加劑的摻量使初始流動度達到 160180mm 左右;若萘系 1.0%(折固)、脂肪族類 0.8%(折固)以上,如果凈漿流動度仍低于 160mm,或 20% 羧酸類 0.8%1.2% 以上時流動度低于 220mm;就應提高用水量至 105g 再次試驗,一般情況下我們調整到合適的摻量后,流動度最好能達到 180mm(羧酸類達到 220mm)以上。如果用提高減水劑摻量的辦法還達不到上述結果,將凈漿用水量調整到 105g 來調整凈漿流動度到 180mm 以上。

我們通過提高用水量或提高減水劑摻量的方法將凈漿流動度調整到 180mm 以上,再用增減外加劑中 pH 值及硫含量的辦法調節 C3ASO3 與堿三者平衡關系,來調整水泥與減水劑的相容性,水泥中的堿、硫酸鹽化程度亦即熟料塑化度應在合適的范圍,堿含量過大會導致混凝土的凝結時間縮短和坍落度經時損失變大。可溶性堿的最佳值為 0.4%0.5% Na2O 當量,低于最佳值時加入 Na2SO4,水泥流動性會顯著增加。熟料塑化度 SD 值計算式為: SDSO3/(1.292Na2O0.85K2O)SD 值范圍是 40%200%,偏低也就是三氧化硫少了,要在外加劑中補充相應的硫酸鹽,偏高即是三氧化硫多了,應當把外加劑 pH 值略微調高。將凈漿流動度調整到180mm 以上是為了方便觀察 C3ASO3 與堿三者平衡的調整情況,便于調整復配方案。

如山東山水 P·O42.5 水泥,脂肪族減水劑母液摻量 1.5%時(300g 水泥、105g 水),流動度 140mm,增加摻量至 2.0% 時流動度為 180mm。在此基礎上用調節 C3ASO3與堿三者平衡關系的方法進行調整后,摻量 1.5% 流動度為 280mm 以上(泌水嚴重),減摻量至 1.1% 后流動度仍達250mm。用調節 C3ASO3 與堿三者平衡關系的方法進行調整,其凈漿和混凝土的損失都容易控制。

需要注意的是,初始水泥凈漿流動性試驗時,應該用母料或母液,而不加入其它復配組分,以免干擾分析結論。

2.1.2 調整復配組分初步控制凈漿流動度損失

初始流動度出來后,我們就可以調整緩凝保塑組分控制一小時的凈漿流動度損失,初步找出一種到兩種較好的復配組分。

這一步只需找出哪些復配方案的流動性損失最小即可,在這個階段并不要求流動度最大、一個小時不損失,只要考慮使用哪些原料有明顯的改善作用即可。

復配時最好不宜使用過多的緩凝組分,一般二元的緩凝組分已足夠,過多的緩凝組分一是難以把控,另外還給生產組織及管理增加難度。筆者常用的羥基羧酸鹽與多元磷酸鹽的二元復合對于解決一般的坍落度損失已經夠用了。

關于緩凝保塑組分應用的一些經驗是:硅酸三鈣礦物多的水泥宜使用葡萄糖酸鈉和其他羥基羧酸鹽,使用聚磷酸鹽特別是六偏磷酸鈉及三聚磷酸鈉等。鋁酸鹽礦物多的水泥除了選擇葡萄糖酸鈉之外,還必須復配一些輔助成分如三聚磷酸鈉等。另外加入單糖對葡鈉有一定的增效作用。

我們在調整緩凝保塑組分時應注意各組分的摻加上限,并考慮各份疊加后的緩凝性,不能僅為了調整凈漿流動性損失而超量添加緩凝組分,這種為了控制凈漿流動度損失而過量使用緩凝組分造成的不凝結事故經常可見。

2.1.3 檢測摻合料的影響

選擇其中一至兩個較好的復配方案,然后按混凝土中水泥、粉煤灰、礦粉的比例配成 300g 膠材,按同樣的方法再次試驗,觀察初始的凈漿流動度及損失與全部用水泥時的差別,正常情況下初始流動度會增加且損失會減少,如果發現加入膠材后初始流動度及損失明顯變差,那應確認是哪種材料有問題,一般情況是粉煤灰的問題占多數。

通過以上的試驗,我們基本上可確認出一個初步的配方了。但具體的配方調整還應在混凝土中完成。

2.2 第二步混凝土試驗

在混凝土試驗開始前應對所用的原材料進行檢測,如粗骨料的級配情況、片針狀含量、砂的模數級配、砂中細粉料的含量、砂石中的含泥量及機制砂中石粉含量等。條件實在不具備時也可以根據經驗對材料進行目測,一是看砂的級配及細粉料多少;二是目測含泥量的多少。對于含泥量高的骨料應盡量避免使用羧酸類的減水劑,聚羧酸減水劑對含泥量的敏感度遠高于萘系和脂肪族類減水劑。

在以上試驗的基礎上進行一次混凝土的初拌,通過觀察混凝土出現的性狀來進行相對應的調整。

初始坍落度和流動擴展度不滿足設計要求,且適當提高外加劑摻量 10%(相對量)后仍然不理想時,首先要考慮混凝土配合比是否合理。若是由于骨料的級配及砂中所含細粉料的變化,使得混凝土的砂率及用水量不在合理的范圍內了,這時就應根據實際情況調整混凝土的配合比。

其次,細度過大的水泥也會出現初始狀態不理想的情況,通過增加用水量或提高外加劑的量效果也不會太理想,這種情況與凈漿的表現基本一致。我們只能采取變通的辦法來處理:即一方面外加劑主劑中加入容易泌水的胺基或脂肪族類減水劑,在緩凝滿足要求的前提下適當提高葡萄糖酸鈉用量;另一方面是在配合比設計上讓混凝土初始狀態出現泌水。另外換用聚羧酸鹽類減水劑也可能會有明顯的改善。總之,混凝土試驗的先決條件是必需使初始坍落度和流動擴展度不滿足設計要求,否則控制混凝土坍落度損失的工作無從談起。

2.3 第三步優化復配方案

2.3.1 調整輔助成分用量

在前面的試驗中,我們通過調整混凝土的配合比初步調整了拌合物的和易性。如果因為原料的原因造成混凝土離析、泌水時,我們可以通過摻用一些外加劑的組分來進行調整。加入糊精、纖維素、酰胺等保水組分來減少泌水、離析。加入適量優質引氣組分對減少泌水、離析也有較好的作用,同時引氣劑的加入對改善坍落度損失也有很好的效果,尤其是羧酸類減水劑中加入引氣組分后,它的保坍效果有時遠好于加入緩凝劑的效果。

2.3.2 優化緩凝劑組分滿足保坍及凝結時間要求

在以上試驗的基礎上,適當下調母料的用量、微調緩凝劑的用量與比例,在滿足凝結時間要求的前提下,降低成本,以達到復配方案有較好的性價比。由于保水組分及引氣組分的加入對減小混凝土的坍損一般有好的輔助作用,因此可以適當降低母料的用量。但是使用羧酸類減水劑時,筆者建議在進行混凝土初調時就加入,這是因為引氣組分在羧酸類減水劑中的輔助效果有些遠遠好于一些常用的緩凝保坍組分。

3 結束語

外加劑在混凝土中的相容性是一個綜合性的問題,不但受水泥及粉煤灰、礦粉等膠材的影響,而且與骨料、混凝土配合比密切相關。在實際工程中很多時候適當調整混凝土配合比、改變粉煤灰與礦粉的用量比,同時再輔以外加劑解決或減輕離析、泌水可起到事半功倍的效果。

筆者在工作中采用分步走的方法:先用凈漿試驗找基本配比,再做混凝土初調找到一個合理外加劑相容性復配方案,之后再根據混凝土的性狀做優化,從而得到一個性價比合適的最佳方案,在實際生產中,我們要根據實際情況進行調整。外加劑不是萬能的,它只能起到調節作用,對膠材的質量不進行控制、使用不合格的骨料而期望外加劑來滿足所有的性能要求,是不切實際的。

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