梁天宇

（廣州市建筑科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510440）

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，商品混凝土飛速發(fā)展，高強(qiáng)高性能混凝土在工程中的應(yīng)用越來(lái)越多，混凝土設(shè)計(jì)除了考慮混凝土強(qiáng)度、耐久性之外，還要注意其施工性能。改善施工性能的主要措施是摻加外加劑，外加劑已成為現(xiàn)代混凝土制備技術(shù)和施工技術(shù)不可分割的重要組成部分，各種外加劑的應(yīng)用更是使混凝土材料實(shí)現(xiàn)高性能化和綠色化的重要措施之一，然而混凝土外加劑與水泥之間有時(shí)存在不相適應(yīng)性，并在一定程度上影響著外加劑的應(yīng)用效果以及混凝土的性能。

水泥與外加劑不相適應(yīng)主要表現(xiàn)在：混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失大，混凝土凝結(jié)過(guò)快，甚至造成混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫等情況，影響混凝土工作性能。如在某高速公路C40和C50預(yù)制梁混凝土配合比試配過(guò)程中，用某著名品牌的緩凝高效減水劑與某工廠的 P.O42.5水泥試拌，結(jié)果發(fā)生拌合物板結(jié)發(fā)熱和流動(dòng)度損失過(guò)快現(xiàn)象。后經(jīng)查明是該水泥由于采用了無(wú)水石膏作為調(diào)凝劑，而與減水劑發(fā)生嚴(yán)重的不相容，才引起流動(dòng)度損失過(guò)快和異常板結(jié)。水泥與外加劑適應(yīng)性不好，可能是外加劑本身質(zhì)量問(wèn)題，也可能是水泥品質(zhì)的原因及施工時(shí)使用方法不當(dāng)造成的。本文將從水泥與外加劑的適應(yīng)性的主要影響因素和改善措施兩方面來(lái)闡述。

1 影響因素

1.1 水泥

1.1.1 水泥的礦物組成對(duì)外加劑的影響

加拿大人P.C Aticin［1］認(rèn)為，水泥中的鋁酸鹽含量與硫酸鹽形態(tài)和含量是影響水泥與外加劑適應(yīng)性的主要因素。水泥中主要礦物成分主要有硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF）等，不同礦物組成主要是由生產(chǎn)水泥的原材料和生產(chǎn)工藝決定的，水泥的礦物組成中對(duì)外加劑分子的吸附作用是不一樣的，其吸附順序?yàn)?C3A＞C4AF＞C3S＞C2S，可見(jiàn)，鋁酸鹽礦物對(duì)外加劑分子的吸附能力大于硅酸鹽礦物，其原因是鋁酸鹽礦物在水化初期動(dòng)電電位呈正值，因而對(duì)外加劑分子的吸附能力較強(qiáng)，而硅酸鹽礦物在水化初期其動(dòng)電電位呈負(fù)值，因此對(duì)外加劑分子的吸附能力較弱。在外加劑摻量相同的情況下：［2］水泥中鋁酸鹽礦物含量越高，外加劑的分散效果越差，外加劑對(duì)水泥的適應(yīng)性越差；水泥中硅酸鹽礦物含量越高，外加劑對(duì)水泥的適應(yīng)性越好。

1.1.2 水泥中的堿含量

水泥中堿的存在有助于鋁酸鹽相的溶出，使得水泥粒子對(duì)外加劑的吸附量增加，所以隨著水泥堿含量的增加，外加劑的塑化效果變差，而且堿含量的提高還會(huì)導(dǎo)致混凝土凝結(jié)時(shí)間的縮短和坍落度損失的加劇，減弱了高效外加劑的作用。但當(dāng)可溶性堿的含量過(guò)低時(shí)，不僅當(dāng)減水劑劑量不足時(shí)坍落度經(jīng)時(shí)損失較快，而且當(dāng)劑量稍高于飽和點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的離析與泌水。水泥中的可溶性堿主要由生產(chǎn)水泥的黏土質(zhì)原料帶入，通常以Na2O當(dāng)量表示，即以（Na2O＋0.658K2O）占水泥質(zhì)量的百分含量表示，這種可溶性堿的最佳含量為0.4%～0.6%。［3］由于水泥廠多采用新型干法工藝生產(chǎn)水泥，這種工藝生產(chǎn)的水泥堿含量較高，這給混凝土堿骨料反應(yīng)的發(fā)生提供了必要條件。

1.1.3 水泥中石膏的形態(tài)和摻量

石膏作為水泥的緩凝劑，在水泥生產(chǎn)中用于調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時(shí)間，其遇水后溶解為 Ca2＋、SO42－，在水泥水化初期能抑制C3A水化速率，得到水泥和混凝土能所需要的工作性能，因此水泥中硫酸鹽的數(shù)量和溶解度至關(guān)重要，但不同品質(zhì)、不同形態(tài)的石膏溶解度和溶解速度差異較大，它們對(duì)水泥的緩凝作用不同。在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，水泥磨內(nèi)溫度偏低時(shí)產(chǎn)生半水石膏少，不能抑制C3A的早期水化，導(dǎo)致急凝，與外加劑相容性變差；水泥磨內(nèi)溫度偏高時(shí)幾乎全部二水石膏都轉(zhuǎn)化為無(wú)水石膏，易導(dǎo)致水泥假凝；水泥磨內(nèi)溫度適當(dāng)高，使部分二水石膏轉(zhuǎn)化為溶解速度大的半水石膏，能很好地抑制C3A的早期水化，與外加劑適應(yīng)性好，石膏中的結(jié)晶水越多，水泥和外加劑的適應(yīng)性越好。三種結(jié)晶形態(tài)的石膏對(duì)木鈣、糖鈣外加劑的吸附能力為：無(wú)水石膏＞半水石膏＞二水石膏。因此，石膏的成分、溶解度含量直接影響混凝土的凝結(jié)時(shí)間，也影響混凝土外加劑與水泥的適應(yīng)性。

同時(shí)水泥中石膏的摻量對(duì)外加劑也有影響，石膏摻量宜控制在1.3%～2.5%（以SO3百分比計(jì)算），如果石膏摻量不夠或細(xì)度不夠，使石膏不能充分溶解，當(dāng)溶解度含量小于1.3%時(shí)，不能阻止水泥快凝，容易產(chǎn)生速凝現(xiàn)象，溶解度含量大于2.5%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng)也很少。在水泥凝結(jié)時(shí)間控制范圍內(nèi)，適當(dāng)提高水泥中SO3的含量，有利于改善水泥與外加劑的相容性，但適宜的SO3含量應(yīng)根據(jù)水泥中C3A的含量、堿含量、水泥比表面積及生產(chǎn)水泥的品種來(lái)確定。［4］

1.1.4 水泥的顆粒細(xì)度

水泥顆粒對(duì)外加劑分子具有較強(qiáng)的吸附性，在摻加外加劑的水泥漿體中，水泥顆粒越細(xì)，比表面積越大，則對(duì)外加劑分子的吸附量越大，在相同的外加劑摻量下，對(duì)于細(xì)度較大的水泥，其塑化效果要差一些。而且水泥顆粒本身具有絮凝的作用，水泥顆粒越細(xì)，這種絮凝作用越明顯，破壞這種絮凝所用的外加劑就越多。所以外加劑在相同摻量的情況下，水泥越細(xì)，其塑化效果就越差。

1.1.5 水泥的新鮮程度、溫度的影響

一方面由于粉磨時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，新鮮的水泥出磨時(shí)間短，顆粒間相互吸附凝聚的能力強(qiáng)，正電性強(qiáng)，吸附陰離子表面活性劑多，因此表現(xiàn)出減水劑減水率低，混凝土坍落度損失快的現(xiàn)象。另一方面剛磨出來(lái)的水泥溫度很高，當(dāng)水泥溫度小于70 ℃時(shí)，對(duì)減水劑的塑化效果影響不大，當(dāng)水泥溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，對(duì)減水劑的塑化效果降低明顯，當(dāng)水泥溫度更高時(shí)，可能會(huì)造成二水石膏（CaSO4·2H2O）脫水變成無(wú)水石膏，需水量及外加劑吸附量明顯增大，坍落度損失也會(huì)明顯加快。所以，新鮮水泥（特別是出廠日期12 d內(nèi)）具有需水量大、坍落度損失快、易速凝等特點(diǎn)。

1.2 外加劑種類

不同種類減水劑對(duì)水泥的適應(yīng)性也不同，氨基磺酸鹽和聚羧酸鹽系減水劑對(duì)水泥適應(yīng)性好，混凝土坍落度損失較小，但氨基磺酸鹽摻量大時(shí)易泌水；萘系高效減水劑與蜜胺樹(shù)脂系減水劑對(duì)水泥的適應(yīng)性要差一些，主要表現(xiàn)在混凝土坍落度損失較快。特別是高濃型萘系減水劑（Na2SO4含量低于 5%）遇見(jiàn)“缺硫水泥”時(shí)，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

除了高效減水劑以外，普通減水劑、緩凝劑不同，對(duì)不同的水泥其適應(yīng)性也不一樣。因此，正確使用不同品種緩凝劑及緩凝減水劑是控制混凝土坍落度損失的一個(gè)非常重要的方法。

1.3 礦物摻合料的影響

混凝土的礦物摻合料主要有：粉煤灰、礦渣、磷渣、沸石、火山灰、硅灰等。在混凝土中摻入粉煤灰等礦物摻合料，有利于提高水泥漿體的流動(dòng)性，提高外加劑的使用效果，改善外加劑與水泥間的適應(yīng)性。由于具有顆粒表面接近球形、活性低、吸水量少、改善顆粒級(jí)配等特點(diǎn)，粉煤灰是目前使用最廣泛、效果最好的礦物摻合料。

1.4 骨料級(jí)配對(duì)適應(yīng)性的影響

骨料級(jí)配越好，外加劑與水泥的適應(yīng)性就越好。良好骨料級(jí)配的混凝土，由于細(xì)骨料有效地填充粗骨料間的空隙，使填充骨料間空隙和包裹粗、細(xì)骨料所需的水泥漿體減少，節(jié)約的水泥漿體用來(lái)改善混凝土的流動(dòng)性，所以外加劑使用效果更好。相反，骨料級(jí)配不良的混凝土，即使增加外加劑摻量也無(wú)法解決流動(dòng)性差的問(wèn)題。

1.5 環(huán)境條件的影響

當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，混凝土表面水分蒸發(fā)和水泥的水化反應(yīng)速度都將加快，而混凝土內(nèi)部游離水通過(guò)毛細(xì)管補(bǔ)充到混凝土表面，并被蒸發(fā)而減少。由于這兩方面的原因，將使新拌混凝土坍落度損失加快。因此在高溫環(huán)境中，需要提高混凝土外加劑的摻量，并采取措施減少混凝土表面的水分蒸發(fā)。攪拌及運(yùn)輸過(guò)程中氣泡外溢也會(huì)引起坍落度損失。如果混凝土運(yùn)輸較遠(yuǎn)或者澆注速度較慢，則新拌混凝土因水化及水分蒸發(fā)會(huì)使坍落度損失加快。

2 改善水泥和外加劑適應(yīng)性問(wèn)題的措施

水泥與高效減水劑的適應(yīng)性是影響新拌混凝土工作性的重要因素，長(zhǎng)期以來(lái)，混凝土工作者在提高減水劑與水泥的適應(yīng)性方面進(jìn)行了大量的研究工作，提出了各種改善外加劑與水泥適應(yīng)性，控制混凝土坍落度損失的方法。

2.1 新型高性能減水劑的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的高效減水劑主要為萘磺酸鹽甲醛縮合物（萘系高效減水劑）和三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物（蜜胺樹(shù)脂系高效減水劑），它們的減水率高，但缺陷是與水泥適應(yīng)性較差，混凝土坍落度損失快。為了克服萘系高效減水劑和蜜胺樹(shù)脂系高效減水劑的缺陷，目前國(guó)內(nèi)外研究最多的是氨基磺酸鹽系及聚羧酸鹽系新型高效減水劑。這兩種新型高效減水劑就可以很好地控制混凝土坍落度的損失。

2.2 外加劑的復(fù)合使用

通過(guò)外加劑的復(fù)合使用，提高減水劑與水泥的適應(yīng)性，從而控制混凝土的坍落度，這是普遍使用的一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的方法。該方法主要包括：高效減水劑與緩凝劑或緩凝減水劑的復(fù)合使用，主要通過(guò)緩凝組分的緩凝作用抑制水泥的早期水化反應(yīng)，從而減小混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失；減水劑與引氣劑復(fù)合使用，主要通過(guò)引入大量微小氣泡，增大混凝土拌和物的流動(dòng)性，同時(shí)增大黏聚性，減小混凝土的離析和泌水；減水劑與減水劑的復(fù)合使用，通過(guò)“協(xié)同效應(yīng)”和“超疊加效應(yīng)”，提高減水劑與水泥的適應(yīng)性。［5］

2.3 外加劑的摻入方法

改變外加劑的摻入時(shí)間，即采用后摻法、多次添加法等方法，保持混凝土的流動(dòng)性。在水化反應(yīng)的整個(gè)過(guò)程中，保證水泥漿體中外加劑濃度，避免因外加劑數(shù)量下降，使大部分新生水化產(chǎn)物未能得到外加劑的吸附，引起水化產(chǎn)物相互搭接而產(chǎn)生凝結(jié)。

2.4 適當(dāng)調(diào)整混凝土配合比法

混凝土拌合物初始坍落度值的大小對(duì)2 h經(jīng)時(shí)損失速度影響很大。通常初始坍落度值小，坍落度2 h經(jīng)時(shí)損失速度大，而隨著初始坍落度值增大，特別是1 h坍落度經(jīng)時(shí)損失速度減小。因此，對(duì)于運(yùn)程較遠(yuǎn)的商品泵送混凝土，如果出現(xiàn)坍落度損失過(guò)快，而通過(guò)調(diào)整外加劑配方及摻量的方法，又不能很好地解決問(wèn)題，在這種情況下，則可能通過(guò)適當(dāng)調(diào)整混凝土配合比（包括漿量多少、砂率大小等），在原坍落度設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上，在充分保證硬化混凝土的各種性能的前提下，適當(dāng)增大混凝土初始坍落度，也不失為一種解決工程中緊急事件的應(yīng)急方法。

有時(shí)導(dǎo)致水泥與外加劑不相適應(yīng)的原因是多方面的和互相交織的，因此具體采取哪種解決措施就需要進(jìn)行充分的前期試驗(yàn)和細(xì)致周密的分析。另外，此類問(wèn)題要由水泥廠、外加劑廠、混凝土拌合物制備單位以及施工單位聯(lián)手解決。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于水泥與外加劑的適應(yīng)性問(wèn)題，前人已經(jīng)做了大量工作，尤其是在對(duì)外加劑適應(yīng)性影響因素方面研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)表明，水泥與外加劑相容性的影響因素眾多，很多因素之間既相互作用又相互依賴，幾乎所有影響水泥與外加劑適應(yīng)性的因素都與水泥的其他性能有關(guān)。本文從影響水泥與外加劑適應(yīng)性的各種因素入手，探討了改善外加劑適應(yīng)性的一些可行的措施，希望能對(duì)混凝土原材料生產(chǎn)單位、混凝土制備單位以及混凝土施工單位技術(shù)人員有所啟示。為避免水泥與外加劑不適應(yīng)而造成的工程質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)在生產(chǎn)施工前，先根據(jù)工程要求及材料特點(diǎn)進(jìn)行外加劑與水泥適應(yīng)性試驗(yàn)，選取合適的原材料及配比進(jìn)行混凝土生產(chǎn)及施工，將因水泥與外加劑不相適應(yīng)所造成的工程質(zhì)量問(wèn)題降低到最小程度。

1 P.C Aticin等.高效減水劑：如何起作用與為什么有時(shí)不好用［J］.美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)期刊，混凝土國(guó)際，1994（5）

2 陽(yáng)乾坤、李忠勝.預(yù)拌混凝土外加劑與水泥適應(yīng)性問(wèn)題的研究及對(duì)策［J］.工程質(zhì)量，2010（08）

3 覃維祖.高效減水劑的作用與發(fā)展［J］.混凝土，1994（05）

4 李濤、楊光偉.改善水泥與混凝土外加劑相容性的技術(shù)措施［J］.水泥工程，2008（6）