外加劑與混凝土適應性的分析研究

張冷晶  李剛  胡嵐

陜西省混凝土行業協會

砼外加劑是用于改變水泥反應的進程和新拌與硬化砼的性能。若要充分發揮外加劑的自身效應，就必須對外加劑—水泥的相互適應性，以及砼施工過程中的綜合技術特征進行研究。其中也包含了對屬于水泥體系里的礦物摻合料的合理使用。

外加劑對水泥、砼的適應性既有相同性又有不相同性。相同的是：水泥是砼的主要膠凝材料，如果某種水泥和某種外加劑相互適應，那么用該水泥和該外加劑配置成砼亦應該相互適應。所不同的是，砼中其它材料性質亦可能和外加劑性能發生違勃，比如骨料中的含堿量過高，摻合料的化學成份等等。故前者是指外加劑和水泥礦物組成的是否適應，后者是指外加劑和砼所有材料性質的是否適應，并延伸到砼的強度等級、流態指標、攪拌方式、運輸距離、施工方法以及施工環境等等。

外加劑對水泥、砼的適應性體現在各個方面。比如減水率、流動度、泌水程度、凝結時間、塌落度損失、抗凍抗滲性能等等。這諸多要素都和外加劑的品種，化學成份以及水泥的礦物組成，砼的綜合技術條件是息息相關的。如何平衡處理好這些因素，使其在矛盾中統一，既要外加劑能達到理想的技術效應，又能夠使砼獲得應有的質量水平，應是砼外加劑應用研究的重點。

雖然外加劑對水泥、砼的適應性是多方面的，但按我國現在以商品砼、泵送砼為主要生產方法的工藝需求。外加劑對砼的適應性關鍵在于三個方面：即減水能量、泌水程度和保塑能力。這三個問題不但是中國砼界高層研究人員所特別關注的，也是世界各國砼專家所予以關注的。從美國、加拿大和日本的研究成果來看，和我國同濟大學的研究成果基本相一致。同濟大學材料科學院和工程學院為摸清我國南方各省市諸多水泥品種和各種外加劑的適應性情況，以江蘇、上海、浙江、廣州、深圳等城市商品砼主要水泥品種和28種外加劑進行了研究性相關試驗。試驗研究結果證明，對外加劑—水泥—砼相互適應主要影響因素可歸納為以下幾個方面：

一、外加劑方面的因素

    1、奈系減水劑：生產奈系高效減水劑的主要原料—奈的來源、品位和純度等對產品的性能有一定影響。奈系高效減水劑在生產過程中的磺化程度越高，則轉變為帶有磺酸基磺化物的奈環越多，該減水劑的分散作用也增強：水解越充分，則隨后的縮聚反應越容易進行，減水劑品質越好。奈系高效減水劑分子的聚合度對其塑化效果有明顯影響，一般奈系高效減水劑的聚合度為10左右較好。減水劑的狀態也影響其對水泥的塑化效果，粉狀減水劑的減水率約比液態減水劑低5%。

2、氨基磺酸鹽高效減水劑：氨基磺酸鹽高效減水劑作為新一代高性能減水劑，與傳統的奈系高效減水劑和密胺系高效減水劑相比，不僅摻量低（0.2%～0.7%），而且塑化效果、控制塌落度損失能力及與水泥的適應性等均得到改善。缺點是對用水量和摻量尤為敏感，容易泌水。

3、聚羧酸高性能減水劑：聚羧酸高性能減水劑的基本特征是一個短的羧酸脂主鏈和長的聚氧乙烯側鏈，這類外加劑低離子比高離子聚化物對水泥適應性更好。故聚合物的酸脂平衡就顯的尤為重要。實際應用中要嚴格控制砂、石含泥粉量，同時對環境溫度應密切關注。

二、水泥方面的因素

    水泥礦物成份、石膏型態和摻量、堿含量、游離氧化鈣含量，混合材品種與摻量、細度、新鮮程度以及溫度等對外加劑的作用效果均有不同程度的影響。

1、礦物組成和石膏摻量

一般來說，水泥中鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣的比例越大，則減水劑的分散效果越差，研究表明，水泥中的硫酸根比磺化的高效減水劑更容易與鋁酸鹽作用，所以硫酸鈣與鋁酸三鈣的濃度平衡與否和混凝土漿體中減水劑濃度迅速降低有一定關系。鋁酸三鈣過高，或者硫酸鈣和鋁酸三鈣的比例失調，都會導致水泥與外加劑適應性變差。一般水泥中的鋁酸三鈣含量約為7%，在混凝土加水5-10分鐘內，可消耗混凝土中外加劑總量的60%以上。過高的鋁酸三鈣含量，在一定程度上，可使外加劑各種功能蕩然無存，新拌混凝土失去流動性，硬化后產生開裂。控制指標應小于8%。

2、堿含量：水泥中堿含量提高會降低外加劑的塑化效果，堿含量的提高還將導致塌落度損失加快和凝結時間縮短，堿能促進鋁酸鹽溶解，形成鋁酸鹽的快速水化，堿的存在也會促使較多的高效減水劑吸附在鋁酸鹽礦物表面。所以，堿含量高的水泥，硫酸根和鋁酸三鈣的比例就顯的更加重要。通過試驗研究發現，在與堿含量較高的水泥適應性方面，適當提高石膏摻量是一種行之有效的放法。普通硅酸鹽水泥合理含堿量應在0.7%左右。

3、游離氧化鈣：工程實踐證明，水泥中的游離氧化鈣過高對外加劑適應性的影響不可忽視。2006年四月，某大型水泥廠因進廠原材料潑動較大，導致水泥熟料中的游離氧化鈣嚴重超標，最高為8.11%，平均為2.32%，造成水泥成品對外加劑適應性極差。經調整后熟料游離氧化鈣恢復到正常控制指標內（1.5%），水泥適應性隨之穩定。游離氧化鈣過高，水泥水化速度加快，需水量提升，混凝土塌落度損失加快，外加劑用量加大，嚴重程度時，還可能造成混凝土嚴重開裂，水泥成品指標控制應＜1%。

4、石膏型態：水泥水化，液相中硫酸根與鋁酸三鈣的平衡不僅取決于石膏摻量，還取決于石膏的品種型態。相同的三氧化硫含量，相同的摻量，對于水泥適應性而言，二水石膏和無水石膏所發生的效果差別很大。由于無水石膏的溶解速度較慢，不能急時提供鋁酸鹽水化所需求的硫酸鹽液相濃度，從而導致鋁酸鹽水化加速，流動性變差，尤其是在外加劑中含有糖鈣，木鈣成份時，則會產生嚴重的不適應性，混凝土塌落度損失極快，甚至會發生異常凝結。本世紀初，秦嶺水泥曾因高溫粉磨致使水泥中石膏脫水，造成西安多家攪拌站凝罐或停產。

5、水泥細度：水泥顆粒對減水劑分子具有較強的吸附性，在摻減水劑的水泥漿體中，水泥細度越細意味著其比表面積越大，對減水劑分子的吸附量越大，在水灰比和減水劑摻量相同情況下，隨著水泥細度增加，漿體流動性同步變小，損失率同步變大。需要強調的是，水泥細度的提升，對混凝土早期強度的提高是有一定貢獻。但相對其早期水化熱過高，硬化后收縮加大，尤其不利于混凝土后期的自我修復等等缺陷，仍為蔽大與利，這也是鐵規二十條對水泥細度有所限制的根本所在，從目前業內研究方向來看，水泥比表面積不能大于350m²/Kg， 有可能會寫入國標。

6、混合材料的品種：常用水泥混合材料大概有粒化高爐礦渣、粉煤灰、煤矸石、石灰石和砂巖、頁巖。針對其對外加劑的適應性來說，首先推薦使用粒化高樓礦渣，其次為F類粉煤灰。C類粉煤灰和煤矸石作為混合材，會生產需水量增加，流動性降低，外加劑需用量提高，適應性變差。石灰石，砂巖和頁巖活性指數較小，對水泥和外加劑適應性的負作用顯而易見，但從生產成本方面考慮，適當加入也不是不可行的。值得提示的是，如果礦渣加入量較大，不提倡與水泥共磨，因為礦渣較熟料難磨，達不到與水泥同步的細度要求，除活性不能充分發揮外，還有可能造成泌水現象。

7、水泥溫度及新鮮度：水泥粉磨溫度過高，不良后果有兩點：一是造成石膏脫水，（石土膏在超過135度時將失去結晶水），二是即是石膏未脫水，由于較高溫度下的水泥水化速度極快，試驗表明，在相同水灰比，相同外加劑摻量下，攝氏80度左右的水泥和攝氏25度左右的水泥相比較，無論是初始還是經時流動度，幾乎都相差過半。尤其是在氣候炎熱的夏季，混凝土生產企業使用剛出磨尚未散發熱量的新鮮水泥，常常會出現塌落度損失極快，甚至在攪拌機中混凝土就凝結的異常現象。

三、混凝土生產企業

水泥和外加劑，雖然是兩種商品，卻通過混凝土生產企業形成最終產品，兩種商品的合理使用，是適應性的應用技術關鍵。優質的水泥，優質的外加劑，最終卻沒有形成優質的混凝土，應歸結為應用技術的缺陷。對于混凝土生產企業，尤其是對配合比設計者而言，嚴格控制各種原材料質量，精確了解各種原材料性能，科學利用各種原材料質能，才能夠獲得最優質的混凝土，最合理的材料成本。同時盡可能的把混凝土適應性問題降低到最少頻率。

1、粗骨料：石子的級配和顆粒形態對混凝土質量尤為重要，級配不合理，針片狀過多的石材，混凝土合易性差，流動性差，保水性差，強度差，外加劑適應性差。如果含泥量，含石粉量過大，更可能雪上加霜。

2、細骨料：砂子的級配和含泥量如同石子一樣。砂子過粗，保水性差，流動性差。砂子過細，需水量大，收縮大，砂子中含泥量大，含堿量大，不但影響外加劑使用效果，還可能使強度，抗凍滲性能大幅度降低，并縮短混凝土使用時間。

3、外加劑：各種外加劑性能有所不同，合理選擇外加劑品種為首當其沖，其次對外加劑最佳摻量應確切掌握，精確計量，對高濃度，低摻量外加劑要特別關注，根據骨料和氣溫情況急時調整實際用量。

4、水膠比：在鎖定的水膠比和塌落度條件下，任何等級的配合比，都應該有一個唯一合理的最佳水膠比，如果水膠比自身不合理，外加劑效果有可能事倍功半。

5、砂率：合理的砂率對混凝土的流動性，保水性以及強度和外加劑效應至關重要，砂率過小，混凝土流動性差，易泌水，砂率過大，流動性亦差，和易性差，外加劑功能減弱。

6、礦物摻合料：礦物摻合料作為混凝土的一種材料，取代部分水泥以降低成本和改善混凝土性能，它和水泥共同組成了膠結材料。因此，它的質量成份，對外加劑適應性具有極大的影響。我省目前使用的礦物摻合料主要為粉煤灰，其次是礦粉，個別還使用建筑垃圾為主體材料的摻合料。對于摻合料使用應注意以下幾個問題：一是C類粉煤灰，C類粉煤灰雖然已載入粉煤灰標準GB1596，但在全國應用實例極少。由于其氧化鈣和游離氧化鈣含量較高，需水量高，外加劑難以適應是其材料性質的主要特征。二是假粉煤灰，其主要來源于無規則的黑加工作坊，主要成份為石灰石和煤矸石，最高的石灰石比例為材料整體的90%。這種劣質材料加入混凝土后，不但外加劑難以適應，且對混凝土的耐久性危害極大。三是假礦渣粉，其主要材料是小鋼廠礦渣或風化礦渣，混合部分石灰石。是僅次于假粉煤灰的劣質材料。四是建筑垃圾類摻合料，主要成份由各類廢棄粘土磚和廢棄混凝土組成，需水量較大，活性較差，摻入量越大對外加劑適應性影響越大。

四、綜合論述

總而言之，混凝土與外加劑的適應性問題，應該是一個系統工程，需要水泥廠，外加劑廠和混凝土生產企業共同合力才可解決。一種水泥，很多外加劑都不能適應，一種外加劑很多水泥都不能適應，這樣的產品肯定不受用戶歡迎，也不易被市場接受。混凝土生產企業，作為水泥和外加劑的使用者，不僅僅擁有對產品質量的評價權，還賦有發現問題，解決問題，提高供應商產品質量的社會義務。大家應該相信，只要我們各方面齊心協力，加強技術溝通，就沒有用解決不了的問題。

(本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網絡工程項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)