如何调整外加剂在混凝土中的相容性

2014-04-07李国宏余春荣陈清耿加会

商品混凝土 2014年12期

关键词：净浆羧酸外加剂

李国宏，余春荣，陈清，耿加会

（1. 舞阳县惠达公路工程有限公司，河南舞阳 462400；2. 建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

如何调整外加剂在混凝土中的相容性

李国宏1，余春荣2，陈清1，耿加会1

（1. 舞阳县惠达公路工程有限公司，河南舞阳 462400；2. 建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

外加剂是现代混凝土必不可少的组分，外加剂的使用促进了混凝土技术的革新。在使用的过程中，外加剂与混凝土原材料不相容的问题经常出现。为了避免在调整外加剂与混凝土原材料相容性过程中的盲目性、无序性，笔者根据实践，将外加剂复配采用分步处理方法，将复杂的问题简单化、程序化，先净浆，再砂浆，最后混凝土试验确定外加剂复配配方。

外加剂；原材料；混凝土；相容性；分步法复配

0 概述

商品混凝土经过 30 多年的发展，外加剂在混凝土使用过程中表现出来的优异性能已被业界广泛认可。由于混凝土原材料复杂多变，再加上环境等影响因素，外加剂与混凝土原材料的相容性差的问题时常出现。国内专家学者针对这一问题进行了大量的试验研究，在外加剂相容性的问题上取得了巨大的进步。但是，至今也没有找到一个从根本上解决问题的办法，混凝土及外加剂生产一线的技术人员主要依靠经验解决相容性的问题，在方法上存在很大的盲目性。笔者根据外加剂复配的经验，通过大量的试验尝试，利用分解理论将混凝土相容性问题分离成多个因素，逐个试验分析。总结出采用分步解决混凝土各原材料与外加剂相容性的问题，此方法，仅供大家参考。

在使用外加剂的过程中经常遇到与混凝土原材料不相容的问题，常见的外加剂在混凝土中相容性差的具体表现为：

（1）外加剂用量大，混凝土初始坍落度偏小，扩展度更小，通俗说法就是“打不开”；

（2）混凝土坍落度损失快，出机后混凝土和易性很差，坍落度和扩展度迅速损失，5～10min 内完全损失；

（3）混凝土坍落度和扩展度都不小，混凝土泌水，有时会滞后 1～3h 泌水并且量大；砂浆包裹不住石子，发生离析，但却并未伴大量泌水；

（4）混凝土对外加剂掺量敏感，掺量低时坍落度偏小，增加掺量可以满足坍落度要求，混凝土泌水严重，30min 后坍落度损失严重。

1 影响外加剂相容性的因素

在混凝土中，影响外加剂相容性的因素很多，大致可以分为：外加剂自身的特点、水泥、矿物掺合料、砂石的质量、环境等因素。这些影响因素有时不是单一的，而是多个因素相互影响、共同作用的结果。影响外加剂相容性的因素不同，解决的办法也不相同。具体采用哪种解决方案，要进行充分的试验和具体的分析，对症下药，才能从根本上解决外加剂在混凝土中不相容的问题。

1.1 外加剂

减水剂是外加剂的主要品种，减水剂占外加剂总量的80%～90%。目前，市场上常见的高效减水剂主要有二类：一类是萘系及脂肪族类为代表的传统高效减水剂，此类减水剂的减水性能相似，但萘系的含气量稍高于脂肪族高效减水剂，脂肪族高效减水剂的缓凝性及泌水高于萘系产品；另一类是以聚羧酸盐系、氨基磺酸盐系（因价格高未大规模使用）为代表的高性能减水剂。我国的聚羧酸减水剂主要有两种：一种是通常呈微黄色的聚醚类；另一种是通常呈现暗红色的聚酯类。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，醚类的减水率较高，性能较稳定。聚羧酸系减水剂的合成原料和工艺的差异（如聚羧酸减水剂在合成过程中需要先消泡再引气的工艺，所使用消泡剂与引气剂的差别也影响聚羧酸减水剂产品的性能），造成聚羧酸减水剂产品的性能有很大的差别。聚羧酸减水剂的合成工艺直接影响外加剂的分子结构，原材料的质量与生产管理决定了产品的稳定性，聚羧酸减水剂可以分为保坍型、早强型、引气型、高减水型等。聚羧酸减水剂与水泥存在相容性问题，对矿物掺合料，甚至对骨料的品质也存在相容性问题。聚羧酸减水剂也存在与传统外加剂相容性的问题（如在有 Na2SO4存在的情况下，聚羧酸减水剂减水率变差），聚羧酸减水剂的复配技术难度大，而且复配技术尚不成熟，许多结论还存在很大争议。

在进行外加剂复配工作前，应熟悉外加剂的品种、性能及优缺点。外加剂种类不同，性能会有很大的差别，使用效果也会大相径庭。减水剂自身的合成工艺对相容性有重要的影响。例如，萘系和脂肪族高效减水剂合成本身就影响产品的质量，磺化程度影响减水剂的分散性，分子量、分子分布及聚合度聚合性质影响减水率。针对这些产品的不同特点进行复配，是有效解决外加剂相容性差的方法之一。

1.2 混凝土原材料对外加剂相容性的影响

水泥的主要成分为 C3S、C2S、C3A 及 C4AF，这些矿化成分其吸附活性顺序通常认为应该是 C3A＞C4AF＞C3S＞C2S，一般来说，水泥 C3A 和 C4AF 的比例越大, 则减水剂的分散效果越差[1]。水泥中的石膏与 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，而水泥浆体中的可溶性的碱可以促进 C3A 的溶出，增加溶液中 C3A 的数量，可见，水泥中的 C3A、SO3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，凡是影响三者平衡的因素，都会影响到外加剂在混凝土中的相容性[2]。另外，水泥的温度、细度等因素也会影响水泥与外加剂在混凝土中的相容性。

粉煤灰、矿渣粉、硅灰、炉渣、煤矸石等矿物掺合料，其所需浸润水量与水泥在相同数量级上，其成分性能的变动也造成与减水剂“相容性”的变化。特别是粉煤灰中作为烧失量成分的未燃煤，实乃焦炭颗粒，是强吸附剂，能大量吸附减水剂，其含量变化当然明显影响粉煤灰与减水剂的“相容性”。又如煤渣、煤矸石等，或含有多孔材料成分，其孔隙内吸入的拌合水较多，溶解于水中的外加剂也将随之被吸收，这种情况也影响着对减水剂的“相容性”。

砂、石在混凝土中占 70%～80%，砂、石的质量直接影响混凝土的质量，砂、石的含泥量和石粉含量对外加剂的影响都不容忽视，尤其是使用聚羧酸减水剂时，影响更加突出。有研究表明[3]，粘土矿物高岭土和伊利石对减水剂的吸附量很大，分别是水泥的 5～10 倍和 2～5 倍，膨润土的吸附量更几乎是水泥的 50 倍左右。所以，含泥量严重影响着砂、石对外加剂的“相容性”。至于石粉，不同于泥粉，对外加剂的吸附很小，但因粉粒径接近于掺合料，也是需要“浸润水份”的，石粉含量变化大也会引起拌合物稠度变化，显得影响着砂、石对减水剂的“相容性”。

2 混凝土与外加剂相容性分步调整

影响外加剂在混凝土相容性的因素很多，调整外加剂与混凝土原材料的相容性也是一项复杂的工作。只有找到影响外加剂在混凝土相容性的原因，才能有的放矢，有效避免调整方案的盲目性，最终找到最佳的解决方案。笔者将各种原材料分解开，一个一个地分析，找到影响外加剂相容性的根本原因。

2.1 初步确定外加剂配方

2.1.1 净浆流动度试验

根据 GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》规定的试验方法：水泥 300g；水 87g；外加剂掺量——萘系、脂肪族类掺量（折固）0.6% 左右，固含量的 20% 聚羧酸掺量 0.4%～0.6%。萘系、脂肪族类掺量（折固）0.6% 左右。在进行水泥净浆实验时，为避免外加剂成分之间相互干扰，只使用水泥和减水剂母液进行试验，不加入其他复配外加剂（俗称“小料”）。观察水泥与减水剂的相容性，若水泥净浆流动度达到 220mm 左右，固含量的 20% 聚羧酸类掺量 0.4%～0.6% 时，流动度达 250mm 左右，浆体有适量的气泡且浆体有光泽，则说明该减水剂与水泥相容性较好，可以直接进行下步复配试验。

对于遇到水泥净浆流动度＜140mm 的情况，根据上述影响因素分析，我们可以初步判断可能是由于 C3A、SO3与碱三者平衡关系遭到破坏，不能有效地控制水泥的水化。采用添加新的外加剂办法，调节 C3A、SO3与碱三者平衡关系的方法进行调整。为了便于观察新添加的外加剂对净浆的影响，先通过提高用水量或改变减水剂掺量的方法，将水泥净浆流动度调到 180mm 以上。再通过调节 C3A、SO3与碱三者平衡关系来解决水泥与减水剂的相容性。搅拌站所使用的水泥，C3A的含量是固定的，也很难进行调整，仅能改变 SO3和碱的含量来使 C3A、SO3与碱三者之间的关系达到平衡。可以参照冯浩[4]测 pH 值的办法，先测水泥的 pH 值：用三份水溶解一份水泥，充分搅拌后沉淀澄清，取一滴清液滴在 pH 试纸上，观察试纸背面变色程度以确定水泥的碱性（一般 pH 值在 12 以上），初步判断水泥的碱性。偏高也就是 SO3少了，要再加少量含 SO3的盐，偏低应当把外加剂 pH 值略微用碱调高。

在调节 C3A、SO3与碱三者之间平衡时，也要注意减水剂自身的特性。萘系高效减水剂在合成的过程中不可避免地含有 Na2SO4，而脂肪族高效减水剂是在碱性环境下合成的，脂肪族的 pH 值较高。了解这些特性，可以根据各自的优点进行复配使用，调节 SO3和碱与 C3A 的平衡，有时也会取得良好的效果。

在水泥与外加剂净浆试验做到满意的流动度以后，接着按照生产实际 C30 混凝土配合比将水泥、粉煤灰、矿粉所占的百分比，再按 GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行净浆流动性试验，测试初始的净浆流动度及经时损失与水泥净浆流动度时的差别。一般情况下，由于矿物掺合料的矿物组成、颗粒级配、颗粒形态与水泥的差别，掺加矿物掺合料后初始净浆流动度会增加，经时静浆流动度损失会减少，外加剂的相容性得到一定改善。如果发现加入矿物掺合料后初始净浆流动度及经时损失明显变差，则矿物掺合料的对外加剂相容性产生不利的影响。此时，将三元胶凝材料改为二元胶凝材料，再进一步试验确认是哪种材料有问题。

2.1.2 添加缓凝组分控制净浆流动度损失

确认按照 C30 混凝土配合比的胶凝材料比例的净浆流动度满足复配要求后，紧接着用调整缓凝剂掺量的办法控制 1h净浆流动度损失不超过 30mm，根据试验结果找出一、二种较好的复配组分并确定各组分的复配掺量。

由于水泥中的 C3A 的水化受到石膏的抑制作用，因此，缓凝剂的大部分作用是针对 C3S 的水化而发生作用的。不宜使用过多的缓凝组分，防止各缓凝组分之间相互影响。一般选用对 C3S 作用好的葡萄糖酸钠作为缓凝组分进行试验，如果保坍效果不佳，可以采用两种组分复合使用。常用的复合组合：对于矿物成分 C3S 含量多的水泥，可以采用葡萄糖酸钠或其他羟基羧酸盐，六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、柠檬酸钠；对于 C3A 含量多的水泥，采用葡萄糖酸钠，复合三聚磷酸钠、硼砂、改性淀粉、糊精（DE 值在 20 以上）；C4AF含量偏高的水泥，用三聚磷酸钠比其他磷酸盐有效；对于C3A、C4AF 含量偏高的水泥，聚羧酸减水剂的保坍效果优于萘系等传统高效减水剂。另外，单糖对葡萄糖酸钠有增效作用，这也是在高温环境下，液体葡萄糖酸钠的效果好于粉剂葡萄糖酸钠的原因。

若外加剂的掺量是胶凝材料的 2%，一般葡萄糖酸钠的用量在 20～40kg/t 左右，用葡萄糖酸钠复合三聚磷酸钠、硝酸锌或硫酸锌、糊精按克分子比 3:1。

在复合使用缓凝保坍组分时，应注意各组分份的的使用掺量的上限，并考虑各组分叠加后的缓凝性能。防止各组分缓凝掺量叠加过高，造成缓凝事故，并根据气温变化及时调整掺量。另外，在复合使用防冻剂、膨胀剂、早强剂等外加剂时，应通过试验重新确定各组分的使用掺量。

2.2 确定外加剂最佳复配配方

按照 GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》中附录 A《混凝土外加剂相容性快速试验方法》的相关规定测试，砂浆配比为去除石子的工程实际混凝土施工配合比，砂浆的水胶比与混凝土的水胶比相比低 0.02，聚羧酸减水剂应按混凝土配合比掺量降低 0.1%，砂浆数量不宜少于 1L，砂浆扩展度应达到 (350±20)mm。然后分别测试经时 30min 或60min 的砂浆流动度，单位为 mm。用 GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》中附录 A“混凝土外加剂相容性快速试验方法”既可以有效地判定减水剂之间的差异，也可以有效判定外加剂与混凝土使用的砂之间的相容性。

在外加剂相容性的调整过程中，经常会遇到的净浆试验与混凝土试验的相关性差的情况。这是由于 GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》水泥净浆试验方法的水胶比是 0.29（或 0.35）与 GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》的砂浆试验方法的水胶比可能会不相同，水胶比的差异会造成水泥中 C3A、SO3与碱溶解度的不同。因此，在试验前，应在保持母体用量不变的情况下，对外加剂的复配成分做调整。有以下几个配方：（1）原配方不变；（2）原配方的缓凝成分不变，按照 0.29/砂浆水胶比对补充的 SO3与碱进行调整；（3）将原配方的复配成分均按照 0.29/砂浆水胶比进行调整。最后观察这三种外加剂配方哪一个配方更优。

2.3 混凝土试验检验外加剂复方

经过上述相关的试验，基本上可以确定外加剂的复配配方，进行最后一步试验——在混凝土中检验这个复配配方。

用生产 C30 配合比做混凝土试验，不宜少于 10L，加入混凝土的全部材料，数量也扩大 10 倍以上，试验结果有可能需要调整，大可不必重新推倒重来，增加高效减水剂用量也是有必要的。外加剂净浆试验做成功混凝土有可能不行，如果净浆试验都不行，用在混凝土中更不行。

遇到混凝土离析、泌水时，我们可以通过掺用糊精、纤维素、酰胺等保水组分进行调整。加入适量的引气剂也可以有效防止离析泌水，尤其是聚羧酸减水剂加入引气剂后，在减少泌水的同时，又能保持坍落度损失。此外，降低用水量，减少外加剂掺量，增加砂率及细粉料用量也能有效控制泌水、离析。因此，在很多情况下仅仅靠调整外加剂的办法很难得到满意的结果，配合比的调整也是十分必要的。

外加剂在混凝土中每方就那么六、七公斤，作用有限，外加剂不是“万能药”，仅仅靠外加剂解决不了所有的问题。有时根据混凝土试验反应出的结果，灵活调整混凝土配合比的砂率、骨料的级配、胶凝材料种类及用量可以取得良好的效果。在调整外加剂在混凝土适应性的问题上，其实只有 40% 的问题用外加剂可以解决，约 30% 的问题可以通过混凝土材料和配合比解决，剩下的 30% 通过同时调整混凝土配合比和外加剂或通过水泥厂来调整，通过水泥厂调整比调整外加剂更有效。