羟基羧酸与聚羧酸高效减水剂复配对水泥的缓凝作用研究

◎菅博文 黄世谋 张 伟

（1.河南科技大学土木建筑学院，河南 洛阳 471000；2.三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

在工程施工过程中常用减水剂中掺入缓凝剂得到其复合外加剂从而获得缓凝与减水双重作用，之后再应用于工程材料上以达到水泥的工程预期与性能要求，特别是在水泥搅拌运输车中加入减水缓凝复配外加剂并通过延长混凝土的凝结时间从而使水泥搅拌车行驶更远距离，为远距离工程水泥施工的便捷性提供了更大的可能。黄世谋[1]研究了磷酸盐与减水剂的复配，得出焦磷酸钠、六偏磷酸钠、三聚磷酸钠均可作为缓凝剂与聚羧酸复掺使用。刘恩福[2]比较多种缓凝剂在减水剂中的表现，得出缓凝剂与减水剂复配使用可增强砂浆后期强度。何燕[3]研究了多种缓凝剂与萘系减水剂复配，得出多种缓凝剂与萘系减水剂复合效果良好且对水泥净浆凝结时长均有不同程度的增加。王兵[4]通过自主合成磷酸盐缓凝剂与聚羧酸减水剂（PCE）复配并研究不同温度下的减水剂性能，结果显示低温下磷酸盐会降低PCE 的分散性、在常温及高温条件下可提高PCE 的分散和保坍性能。张乔生[5]研究了蔗糖和自制缓凝剂HNJ-10 对水泥砂浆流动度影响，结果显示蔗糖与HNJ-10 随其掺量不断增加，水泥砂浆流动度在0～2h 内均不断增加。雷霆[6]通过水溶液聚合法，研制一种固井用缓凝剂（XCT600）且通过试验表明该产品有极强的抗温能力且在160℃条件下仍对水泥有较强的缓凝作用。

笔者研究分析了羟基羧酸类缓凝剂（乳酸、水杨酸、苹果酸、柠檬酸、酒石酸）与聚羧酸高效减水剂的复掺对水泥净浆流动性的影响与缓凝时间的延长状况，为工程实际中选择羟基羧酸缓凝剂种类提供科学试验参考。

1 试验部分

1.1 试验原料

乳酸，纯度85.0%～90.0%,产地河南省；苹果酸，纯度≥99.5%，产地河南省；柠檬酸，纯度≥99.5%，产地河南省；酒石酸，纯度≥99.5%，产地河南省；聚羧酸高效减水剂，固含量：7.5%，产地河南省；普通硅酸盐水泥，强度等级：42.5R，产地河南省。

1.2 试验方法

其中关于水泥净浆流动度试验与标准稠度凝结时间试验均按照国标GB/T 8077-2012[7]和GB/T 1346-2011[8]中所规定的试验方法进行测定。

1.3 设计试验方案

羟基羧酸缓凝剂中乳酸、水杨酸、苹果酸、柠檬酸、酒石酸为最常用类型，因其来源广、产量足、价格低等优点被选为本次羟基羧酸缓凝剂试验的选择对象，为实际工程中选择缓凝剂种类提供科学参考与依据。

在有机缓凝剂中，一般掺量均不大于0.1%，因此本试验羟基羧酸缓凝剂的掺入量梯度为0%、0.01%、0.03%、0.05%、0.07%和0.09%并与聚羧酸高效减水剂复配，此前已做好聚羧酸减水剂对水泥净浆流动度最佳掺量的确认试验，试验表明在含固量为7.5%、减水率为26.2%的商用聚羧酸减水剂的最佳掺量为2.4%时，水泥流动度状况最好，试验水灰比0.29。

2 试验数据与现象分析

2.1 乳酸与聚羧酸高效减水剂复配对水泥净浆流动度、凝结时间影响程度（见图1）

图1 乳酸试验复配数据图

由图1a 各数据变化情况可得，水泥净浆在乳酸掺量为0.01%时流动度相对最小，在增加乳酸剂量梯度为0.02%时，从0.01%增加到0.05%（加了两次掺量梯度0.02%）后流动度有小幅度提升且达至最佳，之后乳酸掺量增加至0.07%、0.09%时水泥流动度变化程度较小基本上无任何流动性变化，综合分析乳酸对水泥的流动性基本无影响且在较小掺量的情况下有小幅度减弱效果。由图1b 各数据变化情况可得，在乳酸初始掺量0.01%、剂量增加梯度0.02%的基础上加至0.09%时都无法对水泥的凝结时长产生任何影响。

在进行乳酸相关试验中发现乳酸随着掺量的增多会出现类似于泌水的现象，水泥试块上方水分较多但无气泡产生。上述试验表现综合来看：乳酸不适合作为缓凝剂与聚羧酸减水剂复配使用。

2.2 水杨酸与聚羧酸高效减水剂复配对水泥净浆流动度、凝结时间影响程度（见图2）

图2 水杨酸试验复配数据图

由图2a 各数据变化情况可得，在水杨酸初始掺量0.01%，剂量增加梯度0.02%的基础上加至0.09%时，水泥浆体流动度以不同速率开始下降且整体呈下坡式，在水杨酸掺量为0.07%时的水泥浆体流动度表现最差。由图2b 各数据变化情况可得，在水杨酸初始掺量0.01%，剂量增加梯度0.02%的基础上加至0.09%时都无法对水泥的凝结时长产生任何影响。

在进行水杨酸相关试验现象中发现水杨酸进行缓凝试验时，其掺量的不同会导致水泥试块不同程度上气泡的析出且无规律性，在水泥试块完全凝结时，由于有气泡的析出导致水泥试块上方会产生蜂窝麻面的不理想现象，这会影响水泥试块的致密性。从上述试验表现综合来看：乳酸不适合作为缓凝剂与聚羧酸减水剂复配使用。

2.3 苹果酸与聚羧酸高效减水剂复配对水泥净浆流动度、凝结时间影响程度（见图3）

图3 苹果酸试验复配数据图

由图3a 各数据变化情况可得，在苹果酸掺量为0.03%时水泥浆体初始流动度最低，在掺量为0.09%时水泥60min 流动度最差，且由数据图1a 可知，苹果酸初始掺量为0.01%，掺量梯度为0.02%且增至0.09%时对水泥浆体流动度呈“W”型变化趋势无规律性影响但从总体效应来说无论苹果酸掺量大小都无法对水泥浆体流动度产生显著影响。由图3b 各数据变化情况可得，在苹果酸初始掺量为0.01%、剂量增加梯度0.02%的基础上加至0.09%时，水泥的凝结时长是稳步增加的且各个阶段的时长增加速率近似。

在进行苹果酸相关试验中未发现有对水泥试块有任何不良影响，无泌水、无气泡析出、试块干燥时无蜂窝麻面。从上述试验表现综合来看：苹果酸可以作为缓凝剂与聚羧酸减水剂复配使用。

2.4 柠檬酸与聚羧酸高效减水剂复配对水泥净浆流动度、凝结时间影响程度（见图4）

图4 柠檬酸试验复配数据图

由图4a 各数据变化情况可得，在掺量为0.01%时，水泥基体流动度有小幅度提高但在柠檬酸掺量增加梯度为0.02%的条件下水泥流动度表现愈来愈差，在柠檬酸掺量0.05%到0.07%这一阶段中的流动度下降速率最快且加至0.09%掺量时水泥基体流动度表现最差。由图4b各数据变化情况可得，在柠檬酸初始掺量为0.01%，掺量梯度为0.02%且增至0.09%时，水泥试块的缓凝时间都是以不同的增长速率提高且分为3 个阶段：第一阶段是外加剂掺量从0 加到0.01%时试块凝结时间保持稳定不变、从0.01%到0.05%和0.07%加到0.09%时凝结时间稳步增加、第三阶段是柠檬酸掺量从0.05%加到0.07%时，终凝增加速率最高且与0.09%掺量时的水泥终凝时间相近。

试验现象为：柠檬酸掺量增加导致浆体过于浓稠挂壁粘连现象严重。从上述试验表现综合来看：柠檬酸虽可作为缓凝剂复配使用，但因其对水泥流动度有较大的负面影响，因此在使用时要注意其掺量，以免出现柠檬酸掺量过大导致整体材料的工作性能严重下降从而导致产品检验不合格等负面现象。

2.5 酒石酸与聚羧酸高效减水剂复配对水泥净浆流动度、凝结时间影响程度（见图5）

图5 酒石酸试验复配数据图

由图5a 各数据变化情况可得，在水杨酸初始掺量0.01%，剂量增加梯度0.02%的基础上加至0.09%时对水泥流动度的影响既有增益效应又有减弱表现，整体亦表现为“W”型变化趋势无规律性影响且总体来说几乎无影响。由图5b 各数据变化情况可得，酒石酸对水泥试块的缓凝时间与其他4 组不尽相同，其增益效果最佳，其缓凝时长增加速率也是随着掺量梯度（掺量梯度为0.02%）的增加而稳步加快且在5 组缓凝剂试验中缓凝时长增加速率也是最快的。

试验现象为：对水泥试块没有产生任何负面影响。从上述试验表现综合来看：酒石酸在其5组试验中表现最好、性能最佳、最适合作为缓凝剂与聚羧酸复配应用于工程实际当中。

3 结语

从5 组羟基羧酸复配对水泥流动度影响程度的试验数据图来看，各种类外加剂在其不同掺量的情况之下都会对水泥流动度产生不同程度的影响，但总体而言羟基羧酸对其影响不大，只需注意水杨酸和柠檬酸两外加剂的掺量即可。

从水泥凝结时长试验的数据表现来看，因对水泥凝结时间无任何增益效果，水杨酸、乳酸不宜作为缓凝剂使用；柠檬酸虽有增加水泥凝结时长的作用但会对水泥的工作性能产生严重影响，因此在使用时低掺量即可；苹果酸与酒石酸是5组试验数据当中表现较好、影响最小的外加剂，都可作为缓凝剂使用，尤其酒石酸整体表现性能最佳，因此酒石酸是最适合作为缓凝剂应用的。