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高效减水剂对水泥水化性能的作用是什么?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-06-25

随着高效减水剂在混凝土工程中的广泛应用,经常发生水泥与高效减水剂不适应情况。主要表现在减水效果低下、凝结速度过快、坍落度损失快、甚至降低混凝土强度。这种不适应情况不仅与水泥的成分、矿物组成、磨制过程中工艺差异有关,也与高效减水剂的品种、原材料选用、制造工艺、外加剂掺量直接相关。

一、水泥的早期水化

当水与高吸湿性水泥粒子接触时,由于水泥中各相完全或部分溶解,表面水解很快形成一层薄薄的无定形或胶体产物。在最初溶解之后,液相中的均匀成核过程或固液界面的非均匀成核过程生成水化物。随着成核过程,水化产物的生长受到溶液浓度、反应用水、离子的可得量、反应过程的活化能以及晶体生长的定向要求的控制。在第一阶段后期,水泥粒子完全被一层水化产物所覆盖,这一保护层阻碍反应物在反应界面的内外扩散,极大降低了反应速度。这一阶段从与水接触开始持续约15min。

水泥发生水化反应的第二阶段是诱导期,持续时间约为15min~4h。早期主要是铝酸盐的反应,这时期的SO2- 浓度起主导作用。如果浓度太低,过度的成核作用使C—S—H的生长产生间凝;如果浓度太高,大量的成核作用和石膏晶体的生长使水泥产生假凝。只有SO2- 浓度合适时,才能使钙矾石晶体继续形成,C—S—H胶体增加,水化前沿向水泥粒子内部扩展,产生渗透力和机械力。

上述水化过程确定水泥浆的流变性能和凝结性能。掺入减水剂后,减水剂与水泥反应物将相互作用,对水泥水化的扩散过程、成核过程和生长过程产生干扰,改变混凝土的初期流动性能,并影响混凝土的其他性能。

二、高效减水剂与水泥浆的流动性

由于范德华力、不同静电的互相作用,水化颗粒表面化学作用,导致粒子形成聚集结构,束缚一部分水使其不能用于湿润水泥粒子,也不能立即用于水化。加入高效减水剂后,由于吸附作用和同电荷斥力,使水泥粒子分散,絮状结构解体,释放束缚水并阻止粒子的相互作用,使水泥浆的流动性增大。

高效减水剂与水和水泥体系接触后,即均匀地吸附于水泥粒子表面或者处于游离状态,测定水泥浆中未被吸附的高效减水剂数量,即可得到吸附百分数。铝酸三钙(CA)在拌合几秒钟后,即吸附了相当多的外加剂,硅酸三钙(CS)在6~7min后才开始吸附外加剂,而水泥在拌合后5min即达到最大吸附量。随着萘磺酸盐高效减水剂的吸附量增加,水泥浆的流动度也成比例增大。

萘系减水剂的吸附量和吸附速度受水泥中硅酸盐相的比例(CS/CS) 和铝酸盐相的比例(CA/CAF)的影响很大。在其他条件保持相同情况下,水泥中CS/CS和CA/CAF比值较高时,吸附较多的萘系减水剂。许多试验结果表明,萘磺酸高缩合物均匀地吸附于水泥粒子表面,铝酸盐带正电荷,易吸附带负电荷的减水剂;硅酸盐带负电荷,稍后于铝酸盐吸附减水剂。水泥四种矿物成分吸附减水剂均带负电荷,因同电荷相斥使水泥粒子分散,从而提高水泥浆的流动度。

随着减水剂掺量增加,吸附量增加,ξ电位增加,混凝土的流动性增大。减水率增大到一定数量,达到最大减水率。此后再增加减水剂的掺量,减水率不再变化。当水泥四种矿物含量不同时,对减水剂的吸附量不同,产生的ξ电位不同,得到的分散效果不同。要得到同样的和易性,需要用不同的减水剂掺量,CA或CS含量大时要用较多的减水剂。

生产萘系减水剂的外加剂厂家原料和工艺的差别,使减水剂的分散性能或减水效果也发生差别。如主链的长度和磺酸基团的位置、单体或轻分子量的数量等因素都会影响高效减水剂性能的发挥。在进行混凝土配合比设计时,要通过充分的试配过程来选择最适合水泥性能的高效减水剂,以达到混凝土拌合物的最佳性能。

三、石膏形态、水泥凝结和混凝土坍落度损失

在水泥四种矿物成分中,活性反应程度依次是CA>CS>CS>CAF。铝酸盐相在水泥早期水化过程中起着重要作用,由于铝酸三钙的高反应活性,掺加外加剂对硫酸盐控制水化速度的影响必然会影响到水泥的水化过程。在此过程中,水泥浆溶液中的硫酸钙必须充分溶解,并有足够的硫酸根离子和钙离子供给才能生成硫铝酸钙。当铝酸盐和水直接反应时,水泥水化过程会发生假凝。假凝时,可以通过进一步拌合,破坏生成物结构,使其恢复流动性。

水泥厂有时会采用硬石膏作调凝剂。虽然在普通混凝土工程中水泥性能表现正常,但当与外加剂共同使用时,这种水泥会表现出与外加剂明显不适应的特性。南京水利科学院试验结果表明,木钙对某些使用硬石膏的水泥有速凝作用。不掺木钙时,用石膏和用硬石膏生产的水泥凝结时间完全相同;但掺加0.2%的木钙后,用石膏的水泥初凝时间推迟4h左右,但使用硬石膏生产的水泥则快速凝结,初凝时间减少到40min左右。

四、坍落度损失与外加剂的关系

混凝土坍落度损失是一系列物理化学作用的结果。坍落度损失发生在水泥中CA与石膏反应期间,可能与CA和石膏反应以及晶体生成的程度有关。CA、石膏形态、碱含量都会影响混凝土坍落度损失速度。

萘系减水剂主要通过静电斥力增加减水剂吸附量、增加水泥分散性,以达到增加混凝土流动度的目的。随着时间推移,水泥粒子表面析出溶解离子和生成水化物,水泥粒子表面吸附的分散剂也会受到化学的、物理的变化影响,降低静电斥力,使混凝土坍落度损失。

水泥粒子因外加剂的分散作用,粒子间接触更为紧密。如果粒子间斥力降低,将会使粒子间移动变得较困难,粒子间摩擦阻力增加,导致流动性降低,这就是坍落度损失。测定水泥各成分对萘磺酸盐高缩合物的吸附量,发现CA与CAF的吸附量比CS多。吸附速度随水泥成分不同而变化。在水泥粒子最初接触水与减水剂时,CA与CAF优先吸附。接触水6min左右,CS开始吸附。静电斥力基本上与减水剂的吸附量成正比例。虽然CS占水泥组分中的大部分,但依赖于CA与CAF的吸附量。故CA与CAF少的水泥将均匀地吸附大部分减水剂,获得更好的流动性。

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