胶凝材料与外加剂相容性关系的探讨
战文超
（天津振华商品混凝土有限公司 天津 滨海新区 300456）
摘 要：本文根据流变学原理，研究了水泥、粉煤灰、矿粉等几个方面的因素对相容性的影响。采用减水剂饱和点掺量、水泥净浆流动度、流动度经时损失，作为宏观评价指标，对影响减水剂与水泥及掺合料相容性的原因进行了探讨，提出了一些解决相容性问题的方法，研究了相容性的差异对混凝土性能的影响，最后综合以上评价指标，提出了相容性的定量评价方法。
关键词：相容性；水泥；掺合料；减水剂
Study of compatibility of superplasticizer with several cememting materials
ZHAN Wenchao
（Tianjin ZhenHua Commercial Concrete Co., Ltd., Binhai New Area,Tianjin 300456）
Abstract: Influence of cement, fly ash and slag on the compatibility of superplasticizer was studied in this paper according to the rheological principle. Additive amount of superplasticizer at saturation point, fluidity of cement paste and fluidity loss were characterized to evaluate the compatibility. Simultaneously, the reasons for the compatibility were discussed and several solutions were also proposed. The correlation between the compatibility and the performance of concrete was also investigated. Finally, the quantitative evaluation methodology was proposed.
Keywords: Compatability; Cement; Admixture; Superplasticizer
1 减水剂与水泥相容性的评价
混凝土外加剂应用技术规范对相容性的说明是：将经检验符合有关标准的某种外加剂掺加到按规定可以使用该品种外加剂的水泥（掺合料）所配制的混凝土中，若产生应有的效果则该外加剂和该水泥/掺合料相容，否则，认为该外加剂和该水泥/掺合料不相容。
通常认为外加剂的饱和点低、初始坍落度大、流动度好，并且经时损失小，则相容性好,否则相容性不好。我们认为评价外加剂与水泥相容性的好坏，还应该包含水泥浆体的稳定性。将相容性这一概念包含的内容扩展,以更加科学、准确的反映外加剂与水泥的相容性。
1.1 实验材料
1.1.1 减水剂
萘系高效减水剂（FDN），固含量35%，天津鑫永强外加剂厂生产。
氨基磺酸盐高效减水剂（AS），固含量35%，潍坊外加剂厂生产。
聚羧酸高效减水剂（SR3），固含量35%，上海淘正化工有限公司生产。
1.1.2 胶凝材料
水泥，P·042.5R级，冀东水泥厂生产，比表面积为350m2/kg。
水泥熟料化学成分（%）
|
Cement |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
fCaO |
|
水泥 |
21.54 |
4.81 |
3.20 |
64.71 |
2.81 |
0.86 |
矿粉，S95，唐山超岩集团生产，比表面积420 m2/kg，密度2840kg/m3。
粉煤灰，F类二级，陡河电厂生产，比表面积272m2/kg，密度2200kg/m3。
1.2 试验方法
水泥净浆流动度试验方法：称取600克水泥，水胶比为0.29，根据减水剂的性能确定减水剂加入量，在搅拌机中先慢搅2min，停15s，再快搅2min，然后将浆体迅速注入截锥圆模内，用刮刀刮平后将截锥圆模向上垂直提起，用直尺量取流淌部分互相垂直的两个方向的最大直径，取平均值作为水泥净浆流动度的初始值。剩余浆体静置到规定的时间，进行慢搅2min、停15s，再快搅2min，按此方法分别测定0.5h、1.0h、1.5h和2.0h的净浆流动度。流动度之差即为该品种减水剂在该掺量时的流动度经时损失。
1.3 试验仪器
（1）净浆搅拌机；YDNJ－160型水泥净浆搅拌机，济南运达设备公司。
（2）截锥圆模、天平、烧杯、量筒、钢尺、滴管等若干。
2 减水剂与胶凝材料的相容性研究
主要研究掺合料对减水剂与水泥相容性的影响。试验使用的减水剂为聚羧酸系（SR3）、氨基磺酸盐系（AS）和萘系（FDN）高效减水剂。
2.1 掺合料掺量对减水剂与水泥相容性的影响
将矿粉和粉煤灰分别采用10%、20%、30%三个掺量（内掺）水平掺入水泥，分别检测这几种水泥与三种减水剂SR3、FDN和AS之间的相容性。试验主要包括减水剂的饱和点掺量试验和饱和点掺量水泥浆体流动度试验、流动度经时损失的试验。
2.1.1 掺合料掺量对减水剂掺量饱和点的影响
由图1、图2、图3，减水剂SR3对矿粉三个掺量水平10%、20%、30%下的水泥饱和点掺量为
图1 矿粉不同掺量对SR3饱和点的影响
下的水泥饱和点掺量为1.8%，减水剂FDN对矿粉三个0.7%，减水剂AS对矿粉三个掺量水平10%、20%、30%掺量水平10%、20%、30%下的水泥饱和点掺量为1.5%，即水泥中矿粉掺量对减水剂SR3、AS和FDN的饱和点掺量影响不大。
图2 矿粉不同掺量对AS饱和点的影响
图3 矿粉不同掺量对FDN饱和点的影响
由图4、图5、图6，减水剂SR3对粉煤灰三个掺量水平10%、20%、30%下的水泥饱和点掺量为0.9%，AS对粉煤灰三个掺量水平10%、20%、30%下的水泥饱和点掺量为1.8%，FDN对粉煤灰的掺量水平10%、20%、30%饱和点为1.5%，即粉煤灰掺量对减水剂SR3、AS和FDN的饱和点掺量影响不大。
图4 粉煤灰不同掺量对SR3饱和点的影响
图5 粉煤灰不同掺量对AS饱和点的影响
图6 粉煤灰不同掺量对FDN饱和点的影响
表2-1 掺合料掺量不同时减水剂的饱和点 （%）
|
减水剂种类 |
矿粉的掺量（%） |
粉煤灰的掺量（%） |
|
10 |
20 |
30 |
10 |
20 |
30 |
|
SR3 |
0.7 |
0.7 |
0.7 |
0.9 |
0.9 |
0.9 |
|
AS |
1.8 |
1.8 |
1.8 |
1.8 |
1.8 |
1.8 |
|
FDN |
1.5 |
1.5 |
1.5 |
1.5 |
1.5 |
1.5 |
2.1.2 掺合料掺量对浆体流变性的影响
图7 SR3饱和点矿粉不同掺量净浆经时损失
图8 SR3饱和点粉煤灰不同掺量净浆经时损失
根据图7、图8，在SR3饱和点下，水泥浆体的流动度均随着矿粉和粉煤灰掺量的增加而增大，在0.5h、1.0h、1.5h、2.0h流动度经时损失很小，基本不损失。
图9 AS饱和点矿粉不同掺量净浆经时损失
图10 AS饱和点粉煤灰不同掺量净浆经时损失
根据图9、图10，在AS饱和点掺量下，水泥浆体的流动度均随着矿粉和粉煤灰掺量的增加而增大，且0.5h、1.0h、1.5h、2.0h流动度经时损失很小，基本不损失。
图11 FDN饱和点矿粉不同掺量净浆经时损失
图12 FDN饱和点粉煤灰不同掺量净浆经时损失
根据图11、图12，在FDN饱和点掺量下，水泥浆体的流动度均随着矿粉掺量的增加而增大，且0.5h、1.0h、1.5h、2.0h流动度经时损失随着矿粉的掺量的增加而减小,但是对粉煤灰来说，浆体流动度随着粉煤灰的掺量的增加而减小，且0.5h、1.0h、1.5h、2.0h流动度经时损失随着粉煤灰的掺量的增加而增大，这说明粉煤灰与FDN相容性不良，实际生产时应适当控制粉煤灰。
3 减水剂与水泥相容性的定量评价讨论
对于减水剂与水泥相容性的评价，目前还只是定性的评价，但是，简单的用相容与不相容来评价减水剂的相容性是不够的。从浆体流变学角度出发，结合传统的检测方法，建立一套能全面反映相容情况并且能在实际工程中方便应用的定量评价方法，有利于减水剂与混凝土技术的快速高水平发展。以下以减水剂饱和点掺量、饱和点净浆流动度、流动度经时损失，板结、泌水现象等做为评价依据，对减水剂与水泥相容性的定量评价方法进行研究。
3.1 饱和点的掺量
饱和点掺量反映了水泥净浆流动度随减水剂掺量的增加而增加至恒定值（或接近恒定值）时减水剂的最小掺量，是减水剂最充分破坏浆体中絮凝结构时的最小掺量，也是在配制混凝土时发挥减水剂最大作用（最高流动性能）的最少掺量。当饱和点掺量较大才能达到较好的流动性能时，因大量的减水剂加入到混凝土中，会对硬化混凝土的强度、耐久性及体积稳定性带来不利影响[1]。因此，减水剂与水泥相容性越好，减水剂饱和点掺量越低，单位立方米混凝土的用水量及水泥用量才可以降到最低，所配制混凝土的经济成本最低。由于总胶凝材料的体积减少，混凝土内部温升降低，收缩开裂几率减少，对混凝土的高性能化十分有利[2]。
3.2 饱和点净浆流动度
从流变学角度看，饱和点净浆流动度反映了该系统浆体的屈服应力及粘度系数降低至恒定值时净浆流动度的大小；从减水剂对水泥颗粒的作用效果看，饱和点净浆流动度反映的是该系统的最大分散程度。饱和点净浆流动度较小，说明浆体的流动性能较差，即使进一步加大减水剂掺量也难以达到较好的流动性能。若需要配制高流动性能的混凝土，则必须通过加大单位用水量或胶凝材料用量来实现，此时混凝土的经济性、力学性能、耐久性能或体积稳定性将下降。
3.3 净浆流动度经时损失
净浆流动度经时损失是指在各减水剂饱和点掺量下，浆体的流动性随时间变化的损失率。它与减水剂的作用效果及水泥的水化速度密切相关。对于带支链的聚合物分子，因其较长的支链作用可在较长时间内维持浆体较好的流动性能。以空间位阻作用为减水分散原理的减水剂，因分子量较大，分子链较长，可以减缓流动度经时损失。对水泥而言，水泥的早期水化速度越快，流动度经时损失越大。由于饱和点掺量是工程上减水剂使用的最经济掺量，因此，饱和点的流动度经时损失参数对评价相容性的影响较大[3]。
3.4 板结、泌水现象
板结、泌水情况常出现在减水剂与水泥相容性不良或是减水剂掺量超过饱和点时。此时，水泥浆体的粘聚性不良，导致浆体对内部水的束缚能力不足，一部分自由水从浆体体系中脱离出来，造成板结、泌水现象。板结、泌水现象较显著时表现为：（1）测量净浆初始流动度时，落入量筒或烧杯的表面有一层明显的水层；摊开在玻璃板上，浆体的外径有一圈较明显的水圈，且浆体对玻璃板的粘聚力很强；（2）放置烧杯中静置一段时间后，浆体表面有严重的泌水现象，且底部浆体很硬，难以搅拌；当用较大的力搅拌浆体后，泌出的水重新返回浆体内部从而获得较好的流动性能，流动度经时损失较小[4,5]。
板结、泌水情况在混凝土中产生的直接后果是：（1）新拌混凝土在泵送过程中易发生堵泵现象，施工时不易振实，容易造成蜂窝等缺陷，影响混凝土的密实度；（2）混凝土均质性差，在初凝前易造成粗骨料下降，浆体上浮的分层现象，导致混凝土后期强度下降，并且在受外界环境影响和自身浆体水化影响时，不同部分体积变化不同，加剧了混凝土结构的开裂现象；（3）外部的泌水造成浆体中的水部分渗出，使体系中水泥水化所需的水减少而影响水化。内部的泌水使浆体内部游离水增加，而这些游离水在混凝土中的分布不均匀。水泥净浆中虽然也含有游离水分，使水泥石本身变得疏松多孔，但是，泌水形成的游离水大部分集中在粗集料或钢筋与水泥浆体的界面区，游离水中溶解的水泥早期水化生成的Ca（OH）2在界面区内富集和定向排列，使那里成为混凝土最疏松最薄弱的部位，降低了混凝土的强度。界面缺陷影响了混凝土的抗渗性和体积稳定性，从而影响了混凝土的耐久性。相容性是饱和点掺量、饱和点净浆流动度、流动度经时损失及板结、泌水程度的函数，饱和点掺量低，饱和点净浆流动度大，流动度经时损失小，浆体不板结、泌水，则减水剂与水泥的相容性好。
4 结论
本文以减水剂、水泥和掺合料为原材料，采用净浆流动度法研究了胶凝材料与外加剂相容性的关系，得出如下主要结论：
（1）矿粉、粉煤灰的掺入对减水剂剂饱和点掺量影响不大。
（2）矿粉和粉煤灰掺入使水泥净浆在AS和SR3饱和点掺量下初始流动度增大；矿粉对FDN的水泥浆体有同样的结果，但掺入粉煤灰的水泥浆体流动度减小，粉煤灰与FDN的相容性差，在实际生产中应根据粉煤灰的细度随时调整掺量。
（3）饱和点是指水泥净浆流动度随着减水剂掺量的增大到恒定值（或接近恒定值）时减水剂的最小掺量。从流变学角度看：饱和点掺量是指最充分破坏浆体中絮凝结构时减水剂的最小掺量，饱和点初始流动度反映了浆体的流动性能的大小。
（4）饱和点掺量、饱和点处净浆流动度、流动度经时损失的大小以及浆体板结、泌水的情况是评价减水剂与水泥相容性好坏的重要指标。饱和点掺量小，饱和点净浆流动度大，流动度经时损失小及浆体泌水少时，可定性认为减水剂与水泥的相容性好。
参考文献
[1] 杨芳，高性能外加剂和水泥相容性的试验研究，温州大学学报, 2003, (1): 88-92。
[2] 徐飞. 混凝土质量管理中存在问题的探讨[J]. 混凝土, 2001, (12): 56-57.
[3] 吴笑梅, 樊粤明, 文梓云. 水泥与外加剂相容性之流变学研究[C]. 九届全国水泥和混凝土化学及应用技术年会论文汇编, 华南理工大学出版社, 2005: 360-368.
[4] 吴笑梅, 文梓云, 樊粤明.Marsh 筒法量化评价水泥与外加剂流变学相容性的探讨[C].九届全国水泥和混凝土化学及应用技术年会论文汇编, 华南理工大学出版社, 2005: 648-655.
[5] 何延树. 混凝土外加剂[M]. 西安:陕西科学技术出版社, 2003, 60-63.
