混凝土外加剂与水泥适应性改善措施研究

文摘 2024-11-19 07:04 河南

在各类工程项目建设中，高性能混凝土的应用十分常见，与此同时，对于混凝土配合比设计的要求也逐渐提高。为改善混凝土性能，需应用外加剂，如果外加剂与水泥的适应性比较差，则无法充分发挥外加剂的应用效果，导致混凝土凝结速度加快，坍落时损失过大，且易发生混凝土开裂的情况。通常水泥和外加剂的适应性取决于水泥与外加剂的品质，对此，对混凝土外加剂与水泥适应性的改善措施进行深入探究迫在眉睫。

1 混凝土外加剂与水泥适应性对工程的影响

施工成本直接影响着整个项目建设的质量以及水平，在工程建设时，在混凝土中加入一定量的外加剂能够有效控制水灰比，并在节省水泥材料的情况下增加混凝土结构的耐久性与强度，同时还可缩短施工周期，减少人工成本投入，提升项目收益。然而在实际施工中，如果未对水泥和外加剂的适应性予以注重，就容易出现各种问题。

例如，在铁路工程中使用后张法预制梁管道开展压浆作业时，如果收缩性相对较大，则难以保证压浆施工的密实性，容易使预制梁发生破损；在预制管桩制备过程中，在干硬性混凝土中采用的外加剂不符合要求，在完成高压养护工作后其强度难以达到规定标准，并发生全部报废的情况。在进行水下大规模混凝土作业时，因外加剂无法使得混凝土材料满足自流平的要求，进而出现停工的情况。与此同时，还显著减少缓凝时间，直接影响到工程项目的后续建设，甚至造成更为严重的风险事故。

2 试验研究

2.1 原材料

在开展试验时，水泥材料主要以硅酸盐水泥熟料为主。具体使用的材料见表1。

在试验中，采用以下外加剂：①固体萘系减水剂，具体使用量占水泥材料总重量的 0.6%；②液体聚羧酸系减水剂，使用量占水泥材料总重量的1％。

2.2 试验方法

2.2.1 粉磨试验

使用 5kg熟料与 250g石膏实施混合配料，配置出 3份规格一致的混合料。在使用实验磨时，需选择尺寸为 SMФ500mm×500mm，各组粉磨实际用时为 20min、30min 以及 40min。在完成粉磨工作之后，需使用0.9mm大小的方孔筛进行过筛处理，然后再开展各项物性测验。

2.2.2 水泥净浆流动度试验

在试验过程中，应在 120℃、140℃与 100℃时对水泥材料烘干 1h后或者不烘干的情况下添加合理的外加剂或不添加，测定水泥的初期与 1h之后的实际流动性。

同时，还应对水泥与外加剂的适应性进行全面评价，如果未在水泥中添加外加剂，其水灰比保持在 0.35，当加入适量的外加剂之后，则水灰比保持在0.29。

3 试验结果与讨论

3.1 水泥细度对水泥净浆流动度的影响

在熟料内添加适量的石膏，进行 20min的粉磨之后，比表面积为 320m²/kg，粉磨 30min后，比表面积为373m²/kg，而在粉磨 40min后，比表面积达到 402m²/kg，如果磨粉时间不断增加，水泥比表面积会持续变大，其颗粒也会越来越细。在加入适量的水之后，比表面积会变大，水泥颗粒则变细，与此同时，水泥材料充分水化时，其水化速度也会变快，并且需要消耗大量水分，从而容易造成假凝情况，减少水泥材料的流动性。通常情况下，水泥颗粒具有一定的吸附性，能够吸附大量的外加剂分子，如果泥浆中含有外加剂，会增加比表面积，细化水泥颗粒，提升吸附性，当外加剂用量相同时，对于细度相对较高的水泥，则无法达到预期的塑化效果。

水泥材料的流动性与比表面积之间具有较为复杂的关联性。在没有加入外加剂的前提下，进行磨粉20min之后，比表面积减少时，其流动性达到最高，而比面积逐渐减小时，则流动性不断提升。然而在加入适当外加剂之后，如果其比表面积处在 373m²/kg，则水泥材料的流动性较高，且具有良好的流动度。

然后，如果水泥材料的比表面积减小时，其流动性会出现减弱的情况，比表面积增加使流动性会增大然后再逐渐减小，具体原因是通过添加适量外加剂会提升比表面积，水泥材料变细，并对水的需求较多，导致水泥材料内的 C₄AF和 C₃A会发生水化反应，增加吸附性，使外加剂的占比下降，并提升液体粘度，最终会降低水泥材料的流动性。

当粉磨时间为 20min时，与 30min的粉磨时间进行对比，其流动性相对较小，主要原因是与颗粒形状相关，在进行 20min粉磨时，因粉磨用时较少，导致水泥中容易出现各种大小不一的颗粒，显著提升颗粒间的摩擦力，对此，与 30min粉磨对比，其水泥流动性相对较小。如果没有加入外加剂，因用水量比较多，所以用水泥材料的比表面积下降，则流动性上升。

在水泥材料内添加适量的外加剂之后，开始其流动性为 150mm，等到 1h后会减少 25%，其原因是水泥和外加剂之间具有适应性，但是未设置明确要求，通常各种类型的外加剂之间的标准有着较大差异，在开展试验时，其主要目的是探究各种影响因素以及规律，故此次试验中无须考虑水泥材料在流动性方面的要求。

3.2 外加剂种类对水泥净浆流动性的影响

在本次试验过程中，所选择的外加剂基本以萘系、聚羧酸系外加剂为主。一般情况下，外部环境产生影响相对较小，基本可忽略不计，而在进行水泥粉磨时，根据用时情况，外加剂 2远远大于外加剂 1的使用效果。将适量的外加剂添加到混凝土材料后，在颗粒表面通常会吸附大量憎水基团，而亲水基团具体指的是水溶液，从而能够构成吸附膜。在使用外加剂时，由于具有定向吸附的效果，可使胶粒表面中的电荷符号始终保持一致，然而由于存在同性相斥的情况，在对混凝土进行拌合时，加水期间会导致水泥出现絮凝状的现象，还会释放出絮凝内的水分，从而有效改善水泥材料的流动性。在使用聚羧酸类外加剂时，与其他类型的外加剂性能进行对比，在聚羧酸类外加剂的实际应用中，在主链上增加作用存在显著差异的基团，因此，聚羧酸类外加剂对水泥的流动性会产生较大影响，如果在工程项目建设中，对于混凝土强度的要求比较高，则推广应用聚羧酸类外加剂。

然而，在聚羧酸类外加剂的实际应用中，对于水泥以及其他混凝土原材料的要求比较高，因此，在混凝土拌合过程中会出现各类问题，如粘稠度过高。另外，在混凝土浇筑过程中易出现分层问题，在拆模后混凝土结构表面平整度较差。因此，在混凝土拌合过程中，聚羧酸类外加剂与水泥的适应性比较差。

3.3 石膏晶型对水泥净浆流动性的影响

由于烘干温度的升高，导致水泥材料的流动性减小。而在原状石膏内基本都是 CaSO₄·2H₂O，由于烘干温度的增加，使得石膏内的 CaSO₄·2H₂O反应成 CaSO₄·0.5H₂O或者是无水 CaSO₄。在对水泥进行粉磨处理时，由于磨机中的温度高达 45℃，使水泥中石膏逐渐转变为二水石膏与其他物质，具体包括无水石膏和半水石膏。如果粉磨时长达到 30min，全面检测 140℃、100℃以及120℃下烘干水泥的流动性，具体数据见表2。

通过对表 2进行分析，对水泥进行烘干处理，设置多个烘干温度，在水泥材料中外加剂的吸附性取决于石膏结晶的形态变化，由高至低依次为 CaSO₄、CaSO₄·0.5H₂O以及 CaSO₄·2H₂O。在制备混凝土材料时，使用水泥调凝剂，若选用无水石膏，当添加适量的外加剂之后，其表面能够吸附大量外加剂分子，并逐渐构成吸附膜层，从而难以溶出 SO₄^2-离子，同时与水化铝酸盐难以组合成水化硫铝酸钙。因此，会使 C₃A出现严重水化的情况，并在这一期间，能够产生较多水化铝酸钙结晶体，导致混凝土容易发生较为严重的坍落。当二水石膏较多时，会降低净浆的流动性，对此，如果烘干温度过高，会减少净浆的流动性。

3.4 新鲜水泥温度对水泥净浆流动性的影响

如果水泥温度达到 50℃，无须考虑其细度，流动性基本均小于室内温度情况下的水泥流动性。如果新鲜水泥具有较高的干燥度，同时温度也比较高，在添加适量的水之后，初期水泥会快速水化，并且还会散发出较多热量，对此，需消耗大量水资源，与此同时，在水泥内 C₄AF和 C₃A水化速度较快，显著提升外加剂的吸附能力，如果温度越高，其吸附量也会上升，所以在加入相同量的外加剂时，泥浆流动性会降低，由于受到上述因素影响，高温情况下泥浆流动性小于低温下的水泥流动性。

3.5 水泥净浆流动度经时损失

通常水泥材料最初的流动性超过 1h之后流动性，然而根据试验结果显示，如果烘干温度不超过 120℃，水泥初期的流动性依旧高于 1h之后的流动性，如果烘干温度达到 140℃时，则能够显著提升水泥 1h之后的流动性，并且无须在意添加何种类型的添加剂，如果在对水泥进行烘干时温度达到 140℃，则能够增加 1h之后的水泥流动性，发生此类问题主要取决于水泥材料内石膏实际状态。当温度为 140℃时，对水泥材料烘干 1h，其内部石膏会逐渐转变为半水石膏，与此同时，还有部分 β-CaSO₄·0.5H₂O，在水泥材料中添加适量的水之后，检测出其初期流动性相对较低，在等待1h之后，水泥内的水会与半水石膏发生反应，从而生成二水石膏，使水泥材料的流动性再次提升。

4 混凝土外加剂与水泥适应性改善策略

4.1 重视混凝土外加剂与水泥的质量检测

水泥材料与外加剂的品质直接会影响到其适应性。在制作混凝土过程中，需对现场施工期间使用的所有水泥与外加剂进行全面质量检查，与此同时，还需对混凝土进行试配试验，详细了解材料的技术特点，尽可能采用适应性优良的水泥材料与外加剂，避免由于适应性较差而发生成本提升或是存在质量等诸多问题。

4.2 复合选用混凝土外加剂，对掺入方法加以合理调整

选用适宜本工程建设的外加剂并符合应用，可最大程度优化水泥材料与减水试剂之间的相容性，同时还可全面控制水泥材料的坍落度产生的损失，此方法能够有效处理水泥材料和外加剂之间适应性，并大规模使用到各个项目。该方法详细内容如下：将延缓凝结试剂与速效减水试剂进行混合应用，利用此两种材料发挥出的效果，显著降低水泥坍落所发生的损失，再利用产生较多的微型气泡对引气试剂和减水试剂进行混合使用，以改善水泥拌合物的具体流动度，同时还可增强水泥材料的黏聚性能，降低水泥分离解析以及水分分泌，联合应用减水剂可充分发挥协同效能，进而改善混凝土和减水剂之间的匹配。对混凝土外加剂配方以及掺量进行调节，如果依然无法改善适应性，则要求对混凝土材料配合比进行优化调整。

4.3 混凝土制备方、外加剂厂与水泥厂相互协调

为了改善外加剂与水泥的适应性，要求各方协调配合。在水泥厂生产过程中，应当摒弃硬石膏；如果水泥为掺硬石膏水泥，则外加剂厂应当为施工单位提供不含糖钙的外加剂。在混凝土制备中，需与外加剂厂加强沟通交流，对外加剂类型、用量等进行调节控制。

5 结语

综上所述，在混凝土制备过程中，外加剂是一种较为特殊的产品，合理选用外加剂可改善混凝土材料性能。在混凝土制备过程中，如果没有应用外加剂，则水泥比表面积比较小，水泥的流动性会显著提升，在加入外加剂后，水泥流动性有所改善。将聚羧酸系外加剂与萘系外加剂进行对比，前者在改善水泥流动性方面的优势更为显著。另外，随着水泥烘干温度的增加，水泥净浆流动度会随之改善，无水石膏越多，净浆的流动性越小。

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