低热水泥与减水剂的相容性研究

文摘 2025-01-31 07:01 河南

引言

“温室效应”是全球关注的环境问题之一，CO₂是目前大气中含量最高的一种温室气体。因此，控制和治理CO₂是解决温室效应的有效途径。水泥行业每年约产生28亿吨CO₂，占全球人为碳排放总量的4%～8%。预计随着中低收入国家工业化程度的提高，水泥的需求量还将继续上升。普通硅酸盐水泥产量估计为每年41亿吨。每生产1吨水泥熟料，排放CO₂约0.78吨，其中，0.53吨是由于石灰石的煅烧而产生的。水泥生产过程CO₂排放占全球CO₂排放的5%，我国水泥的生产和消费量占全球的一半以上，且水泥生产过程的CO₂排放占我国总排放量的比例高达9%。在水泥行业，降低CO₂的排放有4种方式，分别是使用替代燃料，使用辅助胶凝材料，开发低碳水泥和碳捕集与封存技术。目前，在使用替代燃料、使用辅助胶凝材料等方面的降碳措施取得了重大进展，但面对水泥行业日益增长的需求，开发低碳水泥显得至关重要。

低热水泥（HBC）以生成焓为1350kJ/kg的C₂S为主，以生成焓为1810kJ/kg的C₃S为次要矿物并含有少量其他矿物。由于C₂S的生成焓低于C₃S，C₂S所需的烧成温度低，因此低热水泥熟料烧成过程减少了燃料消耗，相比于普通硅酸盐水泥可以减少约10%左右的CO₂排放量。在水泥的应用过程中，为了降低用水量以及制备高性能混凝土，减水剂发挥了举足轻重的作用，目前市面上常见的减水剂有聚羧酸减水剂、萘系减水剂等。低热水泥能否与减水剂有良好的相容性，是其应用的前提。因此，本文通过水泥净浆的流动度及其浆体的流变性能，评价了其与聚羧酸减水剂、萘系减水剂的相容性差异，以期为日后低热水泥的应用提供参考和建议。

1材料与方法

1.1试验材料

试验所用的水泥为P·Ⅰ42.5硅酸盐水泥（OPC）和强度等级42.5的低热水泥（HBC）。使用的减水剂为2种聚羧酸高性能减水剂（PCE1和PCE2）和一种萘系高效减水剂（NFS）。拌合水为自来水。

水泥的化学成分和物理性能指标见表1和表2，减水剂的性能指标和相关信息见表3。

1.2试验方法

1.2.1流动度测试

（a）初始流动度。

按照GB/T8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》测定水泥净浆的流动度，用于评价水胶比为0.29时不同减水剂在水泥浆体中的分散性能。将减水剂预先溶于87g的水中，与300g的水泥一并加入搅拌锅内，用水泥净浆搅拌机搅拌均匀后，将水泥净浆倒入圆锥形模具中，用刮刀刮平表面，再竖直提起模具，水泥浆体自由流淌30s后，测试相互垂直方向的流动度，取2个方向流动度的平均值记为流动度。

（b）经时流动度。

调整不同减水剂用量以实现水泥浆体的初始流动度保持在（200±5）mm，减水剂的掺量见表4。达到目标初始流动度后，收集浆体倒入搅拌锅中，静置至指定时间（30、60、120min），其间使用湿毛巾覆盖以防止水分散失。达到指定时间后，将水泥净浆搅拌均匀后倒入圆锥形模具中，按照上述方法测量该时间点水泥浆体的经时流动度。

1.2.2流变性能测试

使用流变仪不仅可以定量计算新拌水泥浆体的屈服应力与塑性粘度，还可以深入地表征新拌水泥浆体的剪切增稠或剪切稀化性能。使用同心圆筒流变仪进行流变测试，流变仪型号为德国史莱宾格Viskomat XL型流变仪，转子半径60mm，高度100mm。用于流变性能测试的水泥浆体制备方式同1.2.1小节，制备完成后将新拌水泥浆体倒入直径为80mm的圆筒中进行试验，测试用减水剂掺量见表5。剪切速率与时间的关系如图1所示，在加速段的150s内，转速从0r/min加速至80r/min；在减速段的150s内，转速从80r/min减速至0r/min。

2结果与分析

2.1饱和掺量点

随着减水剂掺量的增大，水泥浆体的流动度逐渐增大，当达到某一掺量点后，水泥浆体的流动度不再随着减水剂掺量的增大而增大，这一掺量点被称为“饱和掺量点”。水泥浆体的流动度随着减水剂掺量而变化的曲线如图2所示。

由图2可知，在OPC浆体中，PCE1、PCE2、NFS的饱和掺量点分别为0.15%、0.15%、0.65%；而在HBC浆体中，PCE1、PCE2、NFS的饱和掺量点分别为0.15%、0.14%、0.75%。3种减水剂在HBC浆体中的饱和掺量点均与其在OPC浆体中的饱和掺量点相近，其主要原因是HBC与OPC同属硅酸盐水泥体系，它们的区别主要是C₃S与C₂S的占比不同，HBC中C₂S占50%以上，OPC中C₃S占50%以上。而在水泥中各矿物组成与减水剂之间的吸附顺序为C₃A＞C₄AF＞C₃S＞C₂S[，因此，C₃S和C₂S对水泥与减水剂的影响较小，HBC与OPC的饱和掺量点相近。

2.2水泥浆体的经时损失

掺入不同减水剂的水泥浆体流动度随着时间的变化如图3所示。

相同的初始流动度（200mm）时，在HBC浆体中，PCE1组和PCE2组浆体的保坍性能相当，且均好于NFS组。这是因为聚羧酸型减水剂与水泥颗粒的相互作用机理除静电斥力作用之外还有空间位阻效应，而萘系减水剂只能通过静电斥力作用促进水泥颗粒的相互分散。在HBC浆体中，PCE2组和PCE1组的120min流动度与OPC浆体的120min流动度基本一致，但NFS组的120min流动度略高于OPC浆体。这说明掺入NFS的HBC浆体的保坍性能要好于OPC浆体，NFS与HBC浆体的适应性好于OPC浆体。

2.3水泥浆体的流变参数

图4为水泥浆体塑性粘度随着剪切速率的变化曲线图。

对剪切速率下降段的曲线采用改进后的Bingham模型进行拟合，具体计算见式（1）。

表6为水泥浆体的屈服应力和Bingham模型参数。

掺入PCE1和PCE2的低热水泥浆体呈现为典型的牛顿流体，表现为粘度不随着剪切速率的变化而变化。掺NFS的低热水泥浆体呈现为剪切稀化流体，表现为随着剪切速率的增加，其塑性粘度不断减小并最终趋于稳定。由图4（b）和表6可知，掺入NFS的HBC浆体的塑性粘度和屈服应力均大于掺入PCE1和PCE2的HBC浆体。

掺入PCE1和PCE2的HBC浆体与OPC浆体的屈服应力值相差不大，基本位于同一数量级。当NFS掺量为0.65%、0.75%和0.85%时，HBC浆体的屈服应力高于OPC浆体，分别提高11.26倍、15.90倍、13.42倍。

结论

本文通过2种水泥净浆的流动度以及浆体的流变性能，研究了低热水泥与聚羧酸减水剂和萘系减水剂相容性的差异，并得出以下结论：

（1）在HBC净浆中，PCE1、PCE2、NFS的饱和掺量点分别为0.15%、0.14%、0.75%。

（2）OPC净浆和HBC净浆与不同的减水剂均展现出良好的相容性，并且HBC净浆与聚羧酸减水剂的适应性要好于萘系减水剂。

（3）掺PCE的低热水泥净浆呈现为典型的牛顿流体，即掺PCE时低热水泥净浆无需施加外力即可流动。而掺NFS的低热水泥净浆呈现为剪切稀化流体，即掺NFS时低热水泥净浆要施加外力才可实现流动。（来源：《混凝土世界》2024.05）

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