长距离混凝土泵送剂及混凝土经时损失、力学性能研究

曲 烈 刘子香李 鹏 王光月王丽娜 冯聪媛 王 超

1天津城建大学材料科学与工程学院（300384） 2天津市飞龙砼外加剂有限公司（300406）3河南省散装水泥办公室（450008）

0 引言

随着我国经济和城市化的快速发展,混凝土技术正朝着机械化、高性能、长距离泵送、无噪声的发展方向。在施工过程中，掺入缓凝剂能使新拌混凝土较长时间内保持混凝土的工作性[1]。在某些情况下,掺入过多缓凝剂会使混凝土长时间不凝结,强度下降[2-3]。

在20世纪80年代后期，日本研究出了超缓凝剂,这种超缓凝剂能够任意调解混凝土的凝结时间，凝结时间可达到两天，且混凝土的物理力学性能比较稳定[4-5]。国内缓凝剂的应用可以保证混凝土的坍落度在1 ～2 h不损失或者损失很小，可保证正常的混凝土浇筑施工。具体采用聚羧酸减水剂加葡萄糖酸钠，但这难以保证长距离泵送混凝土的工作性，开发8个小时甚至更长时间的混凝土坍落度不损失的长距离混凝土泵送剂，已经迫在眉捷[6-7]。

杨惠先等人[8]研究了高掺量缓凝剂对水泥凝结时间和水泥砂浆强度的影响，结果表明低掺量氧化锌缓凝效果最好。随着缓凝剂掺量的增大，水泥砂浆的早期强度会降低，后期强度会增长，氧化锌在掺量低于0.7%时，几乎不降低早期强度，28 d抗压强度还有所提高。邓君[9]研究了聚羧酸系高效泵送剂和萘系泵送剂的性能，试验表明聚羧酸系高效泵送剂具有减水率高、分散能力好、流动保持性好、抗压强度比高等特点，是一种高性能泵送剂。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用水泥为天津振兴水泥厂生产的P.O 42.5硅酸盐水泥，其性能指标见表1；中砂、5 ～20 mm石子为市售产品，其性能指标见表2；聚羧酸减水剂为天津市飞龙砼外加剂厂生产；氧化锌、酒石酸钾钠、柠檬酸、葡萄糖酸钠、三萜皂苷及引气剂松香热聚物均为天津市科威化学试剂公司所提供。

表1 试验用水泥的物理力学性能

表2 试验用砂子的物理性能

1.2 试验方案与方法

掺缓凝剂的水泥净浆凝结时间试验设计:Ref组的水泥净浆配方为水泥475 kg、用水量155 kg、水灰比为0.33。实际称取500 g水泥、163 g水。A1、A2、A3、A4掺氧化锌缓凝剂组试验:称取500 g水泥、163 g水，掺聚羧酸减水剂1.1%，再分别加入0.2%、0.4%、0.6%、1.0%；B1、B2、B3、B4 掺酒石酸钾纳缓凝剂组试验:称取500 g水泥，163 g水，掺1.1%聚羧酸减水剂，分别加入0.2%、0.4%、0.6%、1.0%酒石酸钾纳。C1、C2、C3、C4 掺柠檬酸缓凝剂组试验:称取500 g水泥、163 g水,掺1.1%聚羧酸减水剂,分别加入 0.2%、0.4%、0.6%、1.0%柠檬酸。D1、D2、D3、D4掺葡萄糖酸钠缓凝剂组试验:加入0.2%、0.4%、0.6%、1.0%葡萄糖酸钠。按上述配方制成净浆，慢速搅拌2 min，停15 s，再快速搅拌2 min，然后出锅，测定所配净浆的凝结时间。

掺缓凝剂水泥胶砂强度试验设计。水泥胶砂配方为水泥 450 g、用水量 225 g、标准砂 1 350 g，分别加入氧化锌0%、0.2%、0.4%、0.6%、1.0%。编号记为 Z0、Z2、Z4、Z6、Z10。 水泥胶砂试件制成后放入标养箱养护，测定3 d、28 d抗折、抗压强度。

表3 试验用5～20 mm碎石物理力学性能

掺泵送剂混凝土的坍落度经时损失和力学性能试验设计。Ref组C50混凝土配合比试配试验:水泥 475 kg、中砂 710 kg、5 ～10 mm 小碎石 111 kg、10 ～20 mm中碎石999 kg（含水率1.0%）、水155 kg，聚羧酸减水剂掺量1.1%、5.22 kg。试验混凝土的7 d抗压强度达到54.8 MPa，28 d抗压强度达到62.3 MPa。

掺聚羧酸减水剂和氧化锌组试验:a组混凝土试块同上配方，聚羧酸减水剂1.3%，氧化锌掺量0.4%；掺聚羧酸减水剂、氧化锌组和三萜皂苷组试验：b、c、d组混凝土试块同上配方，聚羧酸减水剂1.3%，氧化锌掺量0.4%，三萜皂苷掺量分别为0.10%、0.15%、0.20%；掺聚羧酸减水剂、氧化锌和松香热聚物组试验:e、f、g组混凝土试块同上配方，聚羧酸减水剂1.3%，氧化锌掺量0.4%。松香热聚物掺量0.10%、0.15%、0.20%。按配方拌制混凝土，测量混凝土坍落度，然后成型混凝土试块，养护后测量混凝土强度。

试验方法:水泥胶砂试块用DKZ-000型电动抗折试验机测抗折强度，用JYE-300A型全自动恒压力试验机测抗压强度，检验方法按《水泥胶砂强度检验方法(ISO法）》（GB/T 17671-1999)进行。混凝土试块用2 000 kN压力机测抗压强度，检验方法按 《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB 50081-2002)进行。

2 结果与讨论

2.1 缓凝剂对水泥净浆凝结时间的影响

由图1可以看出，掺入四种缓凝剂的水泥净浆凝结时间均增加。其中氧化锌的缓凝效果最好。未掺氧化锌,水泥初凝时间3 h 40 min；掺0.2%氧化锌，水泥初凝时间40 h 50 min；掺0.2%其他三种缓凝剂，水泥初凝时间16 h 25 min ～20 h 42 min。未掺氧化锌，水泥终凝时间4 h 35 min；掺0.2%氧化锌，水泥终凝时间45 h 23 min；掺0.2%其他三种缓凝剂，水泥终凝时间17 h 55 min ～23 h 52 min。掺0.4%氧化锌，水泥初凝时间51 h 17 min；掺0.4%其他三种缓凝剂，水泥初凝时间23 h 42 min ～28 h 22 min。掺0.4%氧化锌，水泥终凝时间57 h 30 min；掺0.4%其他三种缓凝剂，水泥终凝时间25 h 8 min ～30 h 42 min。

图1 缓凝剂对水泥净浆初凝、终凝时间的影响

随着缓凝剂掺量增加，水泥初凝时间和终凝时间间隔增加。未掺缓凝剂的初、终凝时间间隔为55 min，掺0.2%氧化锌量的水泥初、终凝时间间隔为4 h 33 min，掺0.4%氧化锌量的水泥初、终凝时间间隔为6 h 13 min，掺0.6%氧化锌量的水泥初、终凝时间间隔为10 h 49 min，掺1.0%氧化锌量的水泥初、终凝时间间隔为10 h 29 min。

2.2 缓凝剂对水泥胶砂强度的影响

由图2可以看出，当掺0 ～0.4%氧化锌量时，水泥胶砂的3 d、28 d抗压、抗折强度随着掺量的增加而增大，当氧化锌掺量大于0.4%时，水泥胶砂3 d、28 d抗压、抗折强度随着掺量的增加而降低。氧化锌掺量对3 d水泥胶砂强度影响比较大。与未掺氧化锌组相比，掺0.2%氧化锌3 d水泥胶砂的抗折强度增长3.33%，3 d抗压强度增长2.46%；28 d抗折强度增加2.27%，28 d抗压强度增长0.61%。掺0.4%氧化锌，水泥胶砂的3 d抗折强度增长6.67%，3d抗压强度增长5.23%；28 d抗折强度增加4.54%，28 d抗压强度增长3.48。掺0.6%氧化锌，水泥胶砂的3 d抗折强度为空白组的70%，3 d抗压强度为空白组的96.6%；28 d抗折强度为空白组的76%，28 d抗压强度为空白组的91.6%。掺1.0%氧化锌，水泥胶砂的3 d抗折强度为空白组的48.3%，3 d抗压强度为空白组的50.5%；28 d抗折强度为空白组的90.9%，28 d抗压强度为空白组的87.1%。可见，大掺量加入氧化锌，会降低水泥胶砂的强度，尤其是降低早期强度；加入少量氧化锌，可以提高水泥胶砂的早期和后期强度，氧化锌的最佳掺量为0.4%。

图2 缓凝剂对3 d、28 d水泥胶砂强度的影响

2.3 泵送剂对混凝土坍落度经时损失的影响

一般说来，混凝土泵送剂由减水剂、缓凝剂和引气剂复配而成。当混凝土的坍落度小于140 mm的时候，混凝土就基本没有泵送性。由表4、图3可以看出，空白组坍落度为185 mm，该混凝土在1 h内坍落度损失较慢，到2 h时仍具有可泵性，3 h不具有泵送性。

表4 泵送剂对新拌混凝土坍落度的影响

图3 泵送剂对新拌混凝土坍落度的影响

由a、b、c、d可看出，三萜皂苷掺量为0 ～0.15%时，随着引气剂掺量的增加混凝土坍落度将增加；三萜皂苷掺量为0.20%时，混凝土坍落度损失较快。可见掺入过多的引气剂，将使混凝土坍落度损失增加。当聚羧酸减水剂掺量为1.3%、氧化锌掺量为0.4%、三萜皂苷引气剂掺量为0.15%时,混凝土保坍性能最好，其9 h混凝土坍落度为140 mm，仍具有可泵性。在此配比下，1 h混凝凝土坍落度损失为 0%；2 h损失 5%，4 h损失 10%；8 h损失27.5%，9 h损失30%。

由a、e、f、g可看出，随着松香热聚物掺量的增加混凝土坍落度增加。当聚羧酸减水剂掺量为1.3%、氧化锌掺量为0.4%、松香热聚物掺量为0.20%时，混凝土的保坍性能最好，9 h坍落度为140 mm，还具有泵送性。在此配比下，1 h混凝土坍落度损失为5%，2 h损失7.5%，4 h候损失15%，8 h损失35%，9 h损失35%。

由b和e可看出，引气剂掺量为0.1%时，掺松香热聚物混凝土初始坍落度比掺三萜皂苷的坍落度高5 mm,两种混凝土坍落度都随着时间变化而减小。相比之下，掺松香热聚物混凝土坍落度损失更快，6 h掺三萜皂苷混凝土还具有泵送性，5 h掺松香热聚物混凝土具有泵送性。可见，此引气剂掺量下，掺三萜皂苷混凝土泵送性能优于掺松香热聚物的。

由c和f可看出，引气剂掺量为0.15%时，掺松香热聚物混凝土初始坍落度比掺三萜皂苷的坍落度高10 mm，两种混凝土坍落度都随着时间变化而减小。相比之下，掺松香热聚物混凝土坍落度损失更快，9 h掺三萜皂苷混凝土还具有泵送性，6 h掺松香热聚物混凝土也具有泵送性。可见，此引气剂掺量下，掺三萜皂苷混凝土泵送性能也优于掺松香热聚物的。

由d和g可看出，引气剂掺量为0.2%时，掺松香热聚物混凝土初始坍落度和掺三萜皂苷的坍落度相同，两种混凝土坍落度都随着时间变化而减小。相比之下，掺三萜皂苷混凝土坍落度损失更快，9 h掺松香热聚物混凝土还具有泵送性，3 h掺三萜皂苷混凝土就失去泵送性。可见，此引气剂掺量下，掺松香热聚物混凝土泵送性能优于掺三萜皂苷的。

2.4 泵送剂对混凝土力学性能的影响

由表5可看出，Ref组混凝土7 d、28 d强度分别为52.1 MPa、59.7 MPa；掺聚羧酸减水剂、氧化锌缓凝剂混凝土 7 d、28 d强度分别为 52.7 MPa、60.27 MPa；掺聚羧酸减水剂、氧化锌缓凝剂和0.15%三萜皂苷混凝土7 d、28 d强度分别为54.7 MPa、64.2 MPa；掺聚羧酸减水剂、氧化锌缓凝剂和0.20%松香热聚物混凝土7 d、28 d强度分别为54.6 MPa、62.5 MPa。即当三萜皂苷掺量为0、15%和松香热聚物0.20%时,掺两种引气剂的混凝土7 d、28 d抗压强度相差无几；与Ref组混凝土相比，掺引气剂混凝土7 d强度提高2.5 ～2.6 MPa，28 d强度提高2.8 ～4.5 MPa。

表5 泵送剂对硬化混凝土抗压强度的影响（MPa）

3 结论

1）掺0.4%氧化锌，水泥初凝时间51 h17 min，终凝时间57 h 30 min，随着氧化锌掺量增加初凝、终凝时间间隔明显增大。氧化锌在掺量低于0.4%时,几乎不降低水泥胶砂的早期强度，其28 d抗压强度还有所提高。

2）当掺1.3%聚羧酸减水剂、0.4%氧化锌和0.15%三萜皂苷引气剂时，9 h坍落度还有140 mm，具有可泵送性，28 d混凝土抗压强度满足设计要求；当掺1.3%聚羧酸减水剂量、0.4%氧化锌和0.20%松香热聚物引气剂时，9 h坍落度还有140 mm，具有泵送性，28 d混凝土抗压强度也满足设计需求。

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