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止于至善

有混凝土的地方,就会有我

 
 
 

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学校外硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员,中国土木工程学会混凝土耐久性专业委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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调整外加剂在混凝土中的相容性方法  

2016-07-16 07:05:01|  分类: 混凝土质量控制 |  标签: |举报 |字号 订阅

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外加剂能提高新拌混凝土的工作性能,改善施工环境,提高硬化混凝土的力学性能和耐久性,同时可节约水泥、降低成本、加快施工速度。因此,混凝土外加剂广泛用于各种混凝土工程中。但是我国各地混凝土原材料不一样,原材料的生产工艺、规模有较大差别,不仅导致了混凝土原材料的多样性、复杂性,而且质量差别也很大。在高性能混凝土、高强混凝土、泵送混凝土的应用中往往会出现混凝土外加剂与混凝土原材料相容性较差的现象。尤其是水泥与外加剂相容性方面,在相同配比下,同掺量同品种的混凝土外加剂往往由于水泥品种不一样,其应用效果有较大差别。同一种混凝土外加剂在某种水泥的应用中效果较好,而在另一种水泥的应用中出现较大差别,甚至出现相反效果,严重的会出现质量事故。如掺有“甘油”的混凝土外加剂或“糖钙”或“木钙”的混凝土外加剂,在某些水泥中应用效果较理想,而在某些水泥中可能会出现相反的效果。混凝土与外加剂相容性好的情况:混凝土初始坍落度与流动扩展度的比值在 0.4 左右,一个小时坍落度损失 2030mm。外加剂在混凝土中相容性差的表现:

1)出不了机:干涩、豆渣状,混凝土干硬,出机混凝土无流动性;

2)出机损失:初始粘稠,5 分钟内流动消失;

3)保不住:初始状态极好,15 分钟流动消失;

4)坍损快:严重泌水,高减水,但损失还快,1 小时流动损失;

5)混凝土粘聚状态差:大流动性混凝土露石,离析、泌水,扒底粘罐;低流动性混凝土浆体不粘,发散、发涩,包裹性差;

6)敏感:使用适应性特别好的水泥及水洗砂石,外加剂掺量低时,混凝土流动性损失过快;增加掺量后又出现泌水;

7)流动性随时间增大:混凝土出机正好,到现场流动性增大,成型以后有局部离析、泌水、砂线现象,出现裂纹及影响外观问题。

1影响外加剂适应性的因素

影响外加剂适应性的因素有很多,从大的方向上看可分为外加剂自身因素、胶材及骨料的影响。

1.1 外加剂

外加剂的合成工艺决定了外加剂的分子结构、原材料的质量,生产管理决定了产品的稳定性。目前市场上常见的类型主要有两种:一是萘系及脂肪族类高效减水剂,此类型减水剂性能相似,但萘系的含气量稍高于脂肪族类,脂肪族类的缓凝性及泌水高于萘系产品;另一类是聚羧酸盐类产品,有聚醚类及聚酯类两种类型,由于酯类的生产工艺相对复杂,现在市场上常见的是醚类产品,一般酯类的引气性及保坍性能高于醚类。羧酸盐产品对水泥品种尤其水泥碱含量敏感,不仅有与水泥的相容性问题,对掺合料也很敏感,甚至对骨料的品质也很敏感。聚羧酸系减水剂原料和工艺不同时性能差别很大,复配技术难度大,且尚不成熟。

外加剂母料及复配的缓凝组分的质量是外加剂复配的前提和保障,因此首先要保证母料及复配材料的质量。外加剂原材料应选择生产规模大的厂家,生产规模大的厂家有相应的质量管理体系和专业人员,相对来说生产的母料质量较好且稳定,而一些小厂对原料及生产的管理跟不上,产品波动较大。更有一些小厂受利益驱动,在母料中加入了低价的木质素类成分,给后期的复配工作带来很多不便。如湖北某厂的萘系外加剂中加入了约 10%的草浆木钠,在某工地试验时拌合出来的混凝土出现瞬间损失;净浆试验发现,不论用何种原料复配均出现了初始净浆流动度小于 170mm,且 5 分钟左右流动性急剧下降,同时伴有浆体发热(温升达 3℃)。而换用另一厂家萘系产品稍微调整复配组分后情况得到了显著改善,混凝土的经时损失也满足了要求。事后证明此水泥中使用了一部分的硬石膏,由于木质素类被硬石膏快速吸附将石膏包裹起来,从而无法提供水泥浆体所需的 SO42-,造成了C3A 的快速水化而发热,且浆体迅速失去流动性。另外,一些葡萄糖酸钠中被加入了硫酸钠等成分。

1.2 水泥

外加剂在混凝土中的相容性主要取决于水泥矿物组成(主要是 C3AC3S)、可溶 SO3 和碱含量。C3A 在水泥水化的过程中,是水化速度最快的矿物成分,在没有 SO3 存在的情况下,可以瞬间水化。水泥中石膏的掺入,石膏与 C3A 反应生成 AFt(钙矾石)包裹在 C3A 的表面,阻止 C3A 的进一步水化;水泥浆体中的碱可以促进 C3A 的溶出,降低 SO3 的溶解,增加溶液中 C3A 的数量,使水化速度加快,碱又能突破石膏与 C3A 反应生成 AFt(钙矾石)包裹在 C3A 的表面膜,使被 AFt(钙矾石)包裹的 C3A 继续水化。水泥中的 SO3过少,不能阻止 C3A 的水化;SO3 过多,石膏沉淀会导致假凝。应当注意的是水泥中的碱与 Na2SO4 的碱对减水剂的作用是不一样的,Na2SO4 中的碱对减水剂相容性的影响要比水泥中的碱对减水剂相容性影响小的多。因此,水泥中的 C3ASO3 及碱三者的平衡对水泥与外加剂的相容性有十分重要的作用。凡是打破三者平衡的因素,都会影响到外加剂在混凝土中的相容性。

比表面积过大,温度过高的新鲜水泥及 C3A 含量高的水泥,这些因素都改变水泥水化的速率,使 C3ASO3、碱三者的平衡遭到破坏。石膏的种类、细度、用量等因素都会使水泥中的 SO3 溶解度不足,不能有效阻止水泥 C3A 的水化。当水泥粉磨温度过高,二水石膏会部分转化为溶解度最快的半水石膏,使水泥浆体中的 SO42- 迅速增加引起石膏沉淀,加速生成钙矾石,宏观表现“假凝”。

1.3 矿物掺合料

单掺矿粉会使混凝土的粘聚性提高,凝结时间有所延长,泌水量有增大的迹象。全掺普通粉煤灰需要增加用水量,而且凝结时间长,但可以抑制泌水;而优质粉煤灰可以降低减水剂用量,如果掺的是统灰,因其中含一部分三级灰,则往往就是使高效减水剂“失效”的主要原因。掺合料细度很关键,料粗不但会使混凝土泌水,甚至会使坍落度损失变大。粉煤灰的烧失量、矿渣粉中掺石粉的数量,会直接影响外加剂尤其是高效减水剂和缓凝剂对水泥的适应性。

1.4 骨料

粗细骨料的形态影响混凝土的流动性及和易性。片针状较多的粗骨料对流动性影响明显,而砂的级配不好,如较多的粗颗粒会引起混凝土离析、泌水,过多的细颗粒则增加用水量及外加剂用量,混凝土拌合物较粘。

在人工砂中保留 9%12% 的石粉,最适宜改善混凝土的和易性,低等级混凝土中特别明显。但不同强度等级机制砂混凝土对应最佳石粉含量不同。石粉含量控制在 8%10% 时,对各种强度要求的混凝土都能起好的作用,关键在于控制好亚甲蓝 MB 值,使用亚甲蓝 MB 值小于 0.5 的石粉,效果较好。

对于羧酸盐类减水剂,当骨料中带入的泥量达 2% 以上时,对外加剂的作用开始出现明显影响;当含泥量达 3% 时,坍落度为正常条件下的 40%;当泥含量为 5% 以上时,基本无坍落度。即便通过增加掺量及用水量的办法来提高初始坍落度,但其损失也是极快的,基本上不过 15 分钟坍落度损失过半。因此在原材料含泥量高时,尽量使用对泥含量敏感性小的萘系或脂肪族类减水剂。

2 混凝土与外加剂相容性分步调整

2.1 第一步净浆试验

2.1.1 调整水泥净浆初始流动度

在水泥净浆实验时,我们只使用水泥和减水剂母液进行试验,观察水泥与减水剂的相容性。根据 GB/T80772000 进行水泥与减水剂净浆试验,水泥 300g;水 87g:萘系、脂肪族类掺量(折固)0.6% 左右,流动度能达到 220mm 左右,20% 羧酸类 0.4%0.6% 掺量时流动度达 250mm;且浆体有光泽视为正常情况,此种水泥适应性较好,可以直接进行下一步保坍试验。

对于在上述试验方法的情况下,流动度小于 140mm时,可以适当提高外加剂的掺量使初始流动度达到 160180mm 左右;若萘系 1.0%(折固)、脂肪族类 0.8%(折固)以上,如果净浆流动度仍低于 160mm,或 20% 羧酸类 0.8%1.2% 以上时流动度低于 220mm;就应提高用水量至 105g 再次试验,一般情况下我们调整到合适的掺量后,流动度最好能达到 180mm(羧酸类达到 220mm)以上。如果用提高减水剂掺量的办法还达不到上述结果,将净浆用水量调整到 105g 来调整净浆流动度到 180mm 以上。

我们通过提高用水量或提高减水剂掺量的方法将净浆流动度调整到 180mm 以上,再用增减外加剂中 pH 值及硫含量的办法调节 C3ASO3 与碱三者平衡关系,来调整水泥与减水剂的相容性,水泥中的碱、硫酸盐化程度亦即熟料塑化度应在合适的范围,碱含量过大会导致混凝土的凝结时间缩短和坍落度经时损失变大。可溶性碱的最佳值为 0.4%0.5% Na2O 当量,低于最佳值时加入 Na2SO4,水泥流动性会显著增加。熟料塑化度 SD 值计算式为: SDSO3/(1.292Na2O0.85K2O)SD 值范围是 40%200%,偏低也就是三氧化硫少了,要在外加剂中补充相应的硫酸盐,偏高即是三氧化硫多了,应当把外加剂 pH 值略微调高。将净浆流动度调整到180mm 以上是为了方便观察 C3ASO3 与碱三者平衡的调整情况,便于调整复配方案。

如山东山水 P·O42.5 水泥,脂肪族减水剂母液掺量 1.5%时(300g 水泥、105g 水),流动度 140mm,增加掺量至 2.0% 时流动度为 180mm。在此基础上用调节 C3ASO3与碱三者平衡关系的方法进行调整后,掺量 1.5% 流动度为 280mm 以上(泌水严重),减掺量至 1.1% 后流动度仍达250mm。用调节 C3ASO3 与碱三者平衡关系的方法进行调整,其净浆和混凝土的损失都容易控制。

需要注意的是,初始水泥净浆流动性试验时,应该用母料或母液,而不加入其它复配组分,以免干扰分析结论。

2.1.2 调整复配组分初步控制净浆流动度损失

初始流动度出来后,我们就可以调整缓凝保塑组分控制一小时的净浆流动度损失,初步找出一种到两种较好的复配组分。

这一步只需找出哪些复配方案的流动性损失最小即可,在这个阶段并不要求流动度最大、一个小时不损失,只要考虑使用哪些原料有明显的改善作用即可。

复配时最好不宜使用过多的缓凝组分,一般二元的缓凝组分已足够,过多的缓凝组分一是难以把控,另外还给生产组织及管理增加难度。笔者常用的羟基羧酸盐与多元磷酸盐的二元复合对于解决一般的坍落度损失已经够用了。

关于缓凝保塑组分应用的一些经验是:硅酸三钙矿物多的水泥宜使用葡萄糖酸钠和其他羟基羧酸盐,使用聚磷酸盐特别是六偏磷酸钠及三聚磷酸钠等。铝酸盐矿物多的水泥除了选择葡萄糖酸钠之外,还必须复配一些辅助成分如三聚磷酸钠等。另外加入单糖对葡钠有一定的增效作用。

我们在调整缓凝保塑组分时应注意各组分的掺加上限,并考虑各份叠加后的缓凝性,不能仅为了调整净浆流动性损失而超量添加缓凝组分,这种为了控制净浆流动度损失而过量使用缓凝组分造成的不凝结事故经常可见。

2.1.3 检测掺合料的影响

选择其中一至两个较好的复配方案,然后按混凝土中水泥、粉煤灰、矿粉的比例配成 300g 胶材,按同样的方法再次试验,观察初始的净浆流动度及损失与全部用水泥时的差别,正常情况下初始流动度会增加且损失会减少,如果发现加入胶材后初始流动度及损失明显变差,那应确认是哪种材料有问题,一般情况是粉煤灰的问题占多数。

通过以上的试验,我们基本上可确认出一个初步的配方了。但具体的配方调整还应在混凝土中完成。

2.2 第二步混凝土试验

在混凝土试验开始前应对所用的原材料进行检测,如粗骨料的级配情况、片针状含量、砂的模数级配、砂中细粉料的含量、砂石中的含泥量及机制砂中石粉含量等。条件实在不具备时也可以根据经验对材料进行目测,一是看砂的级配及细粉料多少;二是目测含泥量的多少。对于含泥量高的骨料应尽量避免使用羧酸类的减水剂,聚羧酸减水剂对含泥量的敏感度远高于萘系和脂肪族类减水剂。

在以上试验的基础上进行一次混凝土的初拌,通过观察混凝土出现的性状来进行相对应的调整。

初始坍落度和流动扩展度不满足设计要求,且适当提高外加剂掺量 10%(相对量)后仍然不理想时,首先要考虑混凝土配合比是否合理。若是由于骨料的级配及砂中所含细粉料的变化,使得混凝土的砂率及用水量不在合理的范围内了,这时就应根据实际情况调整混凝土的配合比。

其次,细度过大的水泥也会出现初始状态不理想的情况,通过增加用水量或提高外加剂的量效果也不会太理想,这种情况与净浆的表现基本一致。我们只能采取变通的办法来处理:即一方面外加剂主剂中加入容易泌水的胺基或脂肪族类减水剂,在缓凝满足要求的前提下适当提高葡萄糖酸钠用量;另一方面是在配合比设计上让混凝土初始状态出现泌水。另外换用聚羧酸盐类减水剂也可能会有明显的改善。总之,混凝土试验的先决条件是必需使初始坍落度和流动扩展度不满足设计要求,否则控制混凝土坍落度损失的工作无从谈起。

2.3 第三步优化复配方案

2.3.1 调整辅助成分用量

在前面的试验中,我们通过调整混凝土的配合比初步调整了拌合物的和易性。如果因为原料的原因造成混凝土离析、泌水时,我们可以通过掺用一些外加剂的组分来进行调整。加入糊精、纤维素、酰胺等保水组分来减少泌水、离析。加入适量优质引气组分对减少泌水、离析也有较好的作用,同时引气剂的加入对改善坍落度损失也有很好的效果,尤其是羧酸类减水剂中加入引气组分后,它的保坍效果有时远好于加入缓凝剂的效果。

2.3.2 优化缓凝剂组分满足保坍及凝结时间要求

在以上试验的基础上,适当下调母料的用量、微调缓凝剂的用量与比例,在满足凝结时间要求的前提下,降低成本,以达到复配方案有较好的性价比。由于保水组分及引气组分的加入对减小混凝土的坍损一般有好的辅助作用,因此可以适当降低母料的用量。但是使用羧酸类减水剂时,笔者建议在进行混凝土初调时就加入,这是因为引气组分在羧酸类减水剂中的辅助效果有些远远好于一些常用的缓凝保坍组分。

3 结束语

外加剂在混凝土中的相容性是一个综合性的问题,不但受水泥及粉煤灰、矿粉等胶材的影响,而且与骨料、混凝土配合比密切相关。在实际工程中很多时候适当调整混凝土配合比、改变粉煤灰与矿粉的用量比,同时再辅以外加剂解决或减轻离析、泌水可起到事半功倍的效果。

笔者在工作中采用分步走的方法:先用净浆试验找基本配比,再做混凝土初调找到一个合理外加剂相容性复配方案,之后再根据混凝土的性状做优化,从而得到一个性价比合适的最佳方案,在实际生产中,我们要根据实际情况进行调整。外加剂不是万能的,它只能起到调节作用,对胶材的质量不进行控制、使用不合格的骨料而期望外加剂来满足所有的性能要求,是不切实际的。

 

[作者简介]杨华(1968—)耿加会,武汉武钢浩源实业化工有限公司。

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