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甄别及调整外加剂与水泥适应性的试验方法

外加剂与水泥产生不相适应的情况时有发生,尤其在使用泵送减水剂时,这种现象更加频繁。 不相适应的表现大致有以下几种情况:一是新拌混凝土坍落度偏小,扩展度更小,而此时的减水剂用量已经相…

外加剂与水泥产生不相适应的情况时有发生,尤其在使用泵送减水剂时,这种现象更加频繁。

不相适应的表现大致有以下几种情况:一是新拌混凝土坍落度偏小,扩展度更小,而此时的减水剂用量已经相当大,通俗的说法就是“打不开”;二是坍落度损失大,有时甚至出现假凝, 即在搅拌开始时水泥浆很稀,随即迅速发粘、变干,出机后混凝土和易性很差;三是虽然坍落度和扩展度都不小,但混凝土泌水,有时滞后1~3小时泌水并且严重;四是砂浆包裹不住石子,发生离析但却并未大量泌水;五是新拌混凝土中未观察到明显不适应,可是硬化后强度偏低。特定外加剂与特定的水泥发生不相适应的原因可能来自三个方面:水泥特性引起;混凝土组成材料,特别是其中的砂及掺和料引起;外加剂本身匹配不当所引起。究竟哪个是主要原因,需要经过试验和分析,要想调整到相适应,就必须进行试验。


于是,从何处着手开始试验的问题就摆到我们面前了。

第一步宜从检测拟用的水泥pH值开始,也就是水泥的碱度。用pH试纸就可以完成这项工作,当然用pH计或pH笔更好。可以用三份水溶解一份水泥(以重量计),充分搅拌后沉淀澄清,取清液一滴置于广泛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值应在12以上,但也有普通硅酸盐水泥pH值只有9~10,个别的更低。试验结果让我们能初步判断:水泥中可溶性碱量大还是小;水泥中的混合材是否是含偏酸性的材料或石粉类惰性材料而使pH值偏低。


第二步是考察。考察的第一部分是要尽量设法取得该种水泥的熟料分析结果。水泥厂每班做一次熟料的萤光快速分析,每个月有一个平均值,虽然不可能写在水泥合格证上,但也不是一个保密资料。如果我们能得到近期任何一日的熟料分析结果也可以。根据分析数据可以计算出水泥中的四种矿物:铝酸三钙C3A,铁铝酸四钙C4AF,硅酸三钙C3S和硅酸二钙C2S的数量。影响水泥适应性的矿物是C3A、C3S和C4AF。这些数据可以帮助我们选择缓凝剂的品种。另外根据熟料分析中的碱和硫含量数据,能计算出塑化度值SD作为复配外加剂时要适当增加硫酸盐还是增加碱的参考依据。


虽然熟料分析单中的碱是总碱量而非单纯的可溶性碱量,但对我们快速认定SD值仍有重要的参考价值。而将水泥溶于水后,溶液的碱含量是包括混合材在内的可溶性碱含量,对调整适应性的试验可能更有意义。


考察的第二部分是了解熟料磨成水泥时掺加了什么种类的混合材料以及掺量是多少,这对分析诸如混凝土泌水、凝结时间异常(过长、过短)的成因都很有帮助。粉磨熟料时混合材只是矿渣(水渣)或粉煤灰,则成品水泥对外加剂尤其是缓凝剂的适应性就好, 但以水淬粒化高炉矿渣作混合材的水泥有时泌水, 这是因其硬度大于熟料,不易磨得与熟料同样细的缘故。混合材是煤矸石、页岩灰、沸石等火山灰质材料时,成品水泥表现为吸附高效减水剂,减水剂掺量必须增加很多才能得到预计的混凝土坍落度,并且扩展度可能还达不到要求,往往牺牲了外加剂用量其效果也不明显。粉磨时混合材若是石灰石粉,则成品水泥易产生泌水。加入其他工业废渣,虽然可能掺量不大,但磨成水泥后与外加剂的适应性就差,而且还比较难调整。熟料粉碎时所掺的石膏也有很大关系,如脱硫石膏、无水石膏、难溶性硬石膏、工业废石膏、钛石膏等,对水泥与外加剂的适应性都有较明显的差异。


考察的第三部分是要掌握混凝土掺和料的品种和细度情况。全掺矿渣粉易泌水,但改善了混凝土多种性能。全掺普通粉煤灰需要较多的拌和水量,而且凝结时间长,不过却明显抑制了泌水,但优质粉煤灰可以减少减水剂用量,如果掺的是统灰,因其中含一部分三级灰,则往往就是使高效减水剂“失效”的主要原因。掺和料细度很关键,料粗不但会使混凝土泌水(例如粗粉煤灰),甚至会使坍落度损失变大。粉煤灰的烧失量、矿渣粉中掺石粉的数量(说白话就是掺假的程度)都很重要,会直接影响外加剂尤其是高效减水剂和缓凝剂对水泥的适应性。


这就像中医诊病的问、闻、望、切,西医诊断时要开化验单,作血常规,B超或CT一样。总之先诊后断,最后才能制定出治疗方案。


适应性试验之第三步是找出所用的高效减水剂对这种水泥的饱和掺量值,如果是两种或几种高效减水剂混用的,就按混用的总量通过水泥净浆试验找出饱和掺量点。高效减水剂的用量越接近该水泥的饱和掺量,就越容易得到较好的适应性。但是早强水泥的饱和掺量点普遍较高,令传统的高效减水剂用量超过1%或0.8%(按折固量计算),这对于通常掺量不超过2.5%的泵送剂来说,达到饱和掺量很不现实,连“接近”都不可能,主要还需依靠不同高效减水剂的复配,以及与多种缓凝剂的复配来达到调整适应性的目的。根据经验,减水剂用量低于饱和掺量的70%,即使用多种缓凝剂同时调整适应性,也无法得到满意的结果。


水泥净浆试验可以用纯水泥做,也可把300克胶凝材料总量按照混凝土配合比中的胶凝材料的比例分配。先用前个方案再用后个方案做,往往更容易找出正确的结果。即将重新颁布的《混凝土外加剂应用技术规范》中用水泥胶砂试验代替水泥净浆作为外加剂相容性的快速试验方法可能是一个更好的选择。


第四步是试着调整水泥中的碱硫酸盐化程度亦即熟料塑化度到合适的范围。熟料塑化度SD值计算式为:

SD=SO3 /(1.292Na2O+0.85K2O)

各个成分含量值正是在熟料分析中列出的。SD值范围是40%~200%,偏低也就是三氧化硫少了,要在外加剂中加少量含硫的盐如硫酸钠,偏高即是分子大了也就是三氧化硫多了,应当把外加剂pH值略微调高例如用碳酸钠、苛性钠等。


第五步则要试配复合外加剂并通过净浆试验找出适合的调凝剂品种及恰当的掺量。要参考第二步考察的结果,选择可能最有效的调凝剂。硅酸三钙矿物多的水泥宜使用葡萄糖酸钠和其他羟基羧酸盐,使用聚磷酸盐特别是六偏磷酸钠及三聚磷酸钠等,但葡萄糖酸钠与六偏磷酸钠之间易产生交互作用,建议不要同时使用。铝酸盐矿物多的水泥除了选择葡萄糖酸钠之外,还必须复配恰当的助剂—伴侣,如三聚磷酸钠等,单糖对葡钠有增效作用,故气温高时可选用。有一种观点是此时应改用聚羧酸系减水剂,因为铝酸盐矿物严重吸附萘磺酸盐系等磺酸基高效减水剂但却不吸附羧酸基高效减水剂。某商品混凝土公司用砂的含泥量一般,但混凝土坍落度损失一直很大,后经试验全部改用聚羧酸系减水剂,使坍落度损大、扩展度小的难题得以解决。如果无法得知水泥熟料化学及矿物成分也不了解水泥混合材种类,外加剂复配就只能先用葡萄糖酸钠、柠檬酸钠或六偏磷酸钠中任一种来尝试,加碱还是加硫酸盐也得轮番尝试。


当砂质量较差如含泥多,或全用人工砂、特细砂搅拌混凝土时,在净浆试验得到满意结果之后,必须继续做胶砂试验,进一步调整与外加剂的适应性。


适应性试验的第六步是混凝土试验,拌和物的量最少不宜少于10升。由于砂、石、水等多种材料的加入,胶凝材料量也比净浆试验大10余倍,加上试验人员操作手法不同等因素


影响,净浆与混凝土试验结果常常相违。虽然可能要做较大调整,但不必推倒重来,前面试验所用的大部分外加剂成分可继续采用,但其用量可能会不同,有些组分可能要增删,增加高效减水剂的用量有时也是必要的。总之,净浆调好了,可能在混凝土中仍然达不到预期;若是净浆都没有调好,则混凝土可能会出现更大问题。


地方性建材质量越来越差是当前普遍现象,砂子含泥量过高在许多地区巳经变得十分“正常”,这使适应性调整变得更加困难。因集料中含泥量高而使拌和物变得太黏,此时采用降黏剂效果也不明显,往往用氨基磺酸盐高效减水剂与萘系高效减水剂复合并适当掺用易泌水的缓凝剂有可能会得到较好的效果,此时调整砂的好、差搭配往往会比调外加剂更省钱、省力。


小量试验成功后,有时还需要放大量重复一次,例如25升~45升,因为结果可能还会有一些不同。只有一定数量的混凝土试验成功,才算完成了适应性调整。


但是在很多情况下,仅仅用调整外加剂的办法也达不到满意效果,即使适应性可以过得去,但有时因产品成本过高又令用户不好接受。因此,适应性调整试验的第七步就是适当修改混凝土配合比:视不适应的不同表现,可以适当增加或减少矿物掺和料数量,而且把单掺一种掺和料改成双掺,即同时采用两种不同的掺和料,双掺比单掺为优是毋庸置疑的;增加或减少水泥用量,可以解决混凝土发黏、坍落度损失快以及混凝土泌水,尤其是表面露砂等缺陷;略微提高或减少用水量;加大或降低砂率、甚至部分调换砂的品种,比如粗细砂搭配、天然砂与人工砂搭配等。这些小修改能使成本基本不变,操作也简单,但效果有时会很明显。当然,必要时更换一个生产厂的水泥也会解决久而未决的问题。


在适应性调整过程中要特别重视同类组分的协同作用。在缓凝组分选择上不宜只选用一种,而宜同时选配2~3种彼此有明显相互加强作用即协同作用的物质。减水组分也是两种高效、普通减水剂复配(同时)使用,能起到优势互补作用。较经典的做法如萘磺酸盐与氨基磺酸盐复配,比较新的做法如酮醛缩合物与改性碱木素的复合、脂型与醚型聚羧酸系的复配等。


水泥与外加剂特别是高效减水剂适应性是受多种因素影响的复杂问题,有时依赖复配方案或调整混凝土配合比仍无法解决,只能更换水泥品牌或生产厂家,以及化学合成新的高分子助剂(如一些国际著名品牌外加剂公司的做法)予以解决。


(来源:《混凝土世界》)

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作者: ADIEU

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