混凝土減水劑和泵送劑的臨界摻量

　　根據(jù)雙電子模型，當(dāng)S≤r時，粒子之間的范德華分子引力電位可表示為

式中：ε――介電常數(shù)；
　　　r――顆粒半徑；
　　　ψ――表面電位；
　　　s――顆粒間表面距離；
　　　K――德拜-黑格爾常數(shù)；
　　　H――哈馬克常數(shù).
　　所以，水泥顆粒之間相互作用的總電位能為　
　　當(dāng)粒子間距較大或較小時，粒子以相互吸引為主，范德華引力占主導(dǎo).在中間狀態(tài)時，則要考慮斥力和吸力的共同作用.在總的電位能曲線上有兩個極小值，較深的一個稱作第一極小值，較淺的稱作第二極小值，表明了粒子間距較大或較小時，范德華引力占優(yōu)勢.在總的電位能曲線上，還有一個極大值Vb稱作位能勢壘.
　　粒子布朗運動平均位能為1.5 kT.溶膠粒子熱運動能量與位能曲線上兩個極小值和位能勢壘的大小相比較.如果位能勢壘比熱運動能小，即Vb＜1.5 kT，或者由于固體表面電位ψ比較低，或電解質(zhì)濃度ε比較小，或哈馬克常數(shù)H比較大等各種原因，而使總電位能曲線上沒有位能勢壘，由于吸引力，膠粒就要互相粘結(jié)，直到第一極小值，此時發(fā)生膠結(jié)聚結(jié).
　　加入表面活性物質(zhì)的外加劑后，由于外加劑含有可電離的基團(tuán)，水泥顆粒間雙電位斥力增加；外加劑含有吸附層使哈馬克常數(shù)大大地減小，導(dǎo)致水泥顆粒間范德華引力減弱；外加劑大分子物質(zhì)吸附在水泥顆粒表面，高分子鏈伸入到介質(zhì)中，引起這些鍵之間的相互作用，同時伴隨著熵的減少，則斥力位能VR增加，總的位能V總升高，因而位能勢壘也增加，使水泥顆粒間要達(dá)到凝聚，必須克服更高的位能勢壘，因而在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定的分散狀態(tài).
2.2　外加劑改性效果變壞的機理
　　在某些條件下，混凝土中加入超量的外加劑會使其產(chǎn)生聚結(jié)，造成改性效果不再增加，甚至對某些性能產(chǎn)生副作用，其機理如下.
　　(1)水泥溶膠粒子與加入的外加劑，兩者電荷符號相反，外加劑超過一定摻量則中和了膠體粒子表面的電荷，使粒子失去電性而易凝聚.
　　(2)超過一定摻量時，表面活性物質(zhì)在水泥膠粒表面形成薄的吸附層，其憎液部分朝外，使膠粒易凝聚.
　　(3)外加劑的長鏈分子在粒子表面上發(fā)生兩處以上的吸附，使膠粒易發(fā)生聯(lián)橋而凝聚在一起.
　　各種條件下粒子相互作用的電位如圖1所示.它表明摻加適量外加劑的分散作用、臨界摻量的極限凝聚點和超摻量的凝聚結(jié)構(gòu).
 

(a)穩(wěn)定的膠體系統(tǒng) (b)臨界摻量凝聚點 (c)超摻量凝聚結(jié)構(gòu)
圖1　各種條件下粒子相互作用電勢能曲線

3　確定臨界摻量的方法

　　各國學(xué)者在研究外加劑的分散和凝聚效應(yīng)是通過流變參數(shù)、ξ(電動)電位、等溫吸附、砂漿流動度、小漏斗流過時間、混凝土坍落度等檢驗方法確定.
　　服部健一，大門正機等通過對ξ電位、等溫吸附和砂漿流動性的測定，研究了高效減水劑(磺化三聚氰胺甲醛縮合物和磺化萘甲醛縮合物)的減水機理，并相應(yīng)確定其臨界摻量數(shù)據(jù).從測定結(jié)果來看，三者非常吻合，磺化三聚氰胺甲醛縮合物的臨界摻量為1.5%；磺化萘甲醛縮合物為0.75%.
 

圖2　ηmax與減水劑摻量的關(guān)系

　　R.Lapasin等用三種木質(zhì)素磺酸鹽F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3和一種磺化三聚氰胺甲醛縮合物，研究減水劑摻量對水泥漿流變性能的影響，試驗采用425#普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.4，以回轉(zhuǎn)粘度計測出在不同轉(zhuǎn)速下的最大剪應(yīng)力τmax及相應(yīng)的粘度ηmax表現(xiàn)出靜止?fàn)顟B(tài)下水泥漿的結(jié)構(gòu)特性.
　　圖2為ηmax和η(平衡粘度)與減水劑F1的摻量C的關(guān)系.從圖2中可以看出，隨著減水劑摻量的增加，ηmax逐漸降低，達(dá)到一定摻量時，ηmax達(dá)到最小值，這個摻量就是臨界摻量.
　　試驗結(jié)果表明，對于三種木質(zhì)素磺酸甲醛的臨界摻量Cc為0.5%；對于磺化三聚氰胺甲醛的臨界摻量為2.5%.
　　盡管確定減水劑和泵送劑臨界摻量的方法很多，但筆者認(rèn)為：ξ電位、等溫吸附、流變參數(shù)等測試方法，從表面物理化學(xué)和流變學(xué)理論研究和分析方面具有重要意義，而流動度、小漏斗流過時間和坍落度測試方法，更簡便和更接近工程實踐并具有應(yīng)用價值.因此，對于商品混凝土廠、建筑公司和一般科研機構(gòu)，由于條件所限，宜以流動度、小漏斗流過時間和坍落度等方法試驗來確定外加劑臨界摻量.

4　影響外加劑臨界摻量的因素

4.1　外加劑的種類和品質(zhì)
　　各種減水劑增大流動性效果不同，在一定范圍內(nèi)，流動性隨著摻量的增大而增大，但達(dá)到一定摻量其增大流動性的效果不再增加，即都有一個臨界摻量.
　　圖3為各種減水劑的摻量和水泥漿流動度的關(guān)系曲線.由圖3可知，β萘磺酸高縮合物鈉鹽系，增大流動性的效果最佳，臨界摻量1.0%左右；雜酚油磺酸縮合物鈉鹽系，增大流動性效果第二，臨界摻量1.0%左右；β萘磺酸低縮合物鈉鹽系，增加流動性效果第三，臨界摻量1.2%左右；三聚氰胺甲醛樹脂磺酸鈉系，增大流動性的效果第四，臨界摻量1.5%左右；葡萄糖酸鈣、木質(zhì)素磺酸鈉系、聚氰乙烯酚醛乙醚的增大流動性的效果要略低些，臨界摻量均為0.5%左右.
 

①―β萘磺酸高縮合物鈉鹽；②―雜酚油磺酸縮合物鈉鹽；
③―β-萘磺酸低縮合物鈉鹽；④―密胺樹脂磺酸鈉；
⑤―葡萄糖酸鈉；⑥―木質(zhì)素磺酸鈉；⑦―聚氯化乙烯酚醛乙醚
圖3　各種減水劑的摻量和水泥漿流動度的關(guān)系

4.2　減水劑的核體數(shù)與分子鏈長短
　　服部健一在對β-萘磺酸甲醛縮合物的基礎(chǔ)研究中證實，減水劑的臨界摻量隨著核體數(shù)和分子鍵增多而增大.
4.3　水泥漿的水灰比
　　試驗研究表明，水泥漿的流動度，隨著萘系減水劑摻量的增大而增大，但其效果和臨界摻量因水灰比的不同而不同.當(dāng)水灰比較低時，臨界摻量較大，水灰比較高時，臨界摻量較小.

5　泵送劑超摻量實例簡介

　　沈陽某農(nóng)貿(mào)大廳工程，3層框架結(jié)構(gòu)，采用商品混凝土.在澆筑一層框架柱時，其中有6根柱子(C40)由于攪拌站的液態(tài)外加劑稱量斗閘門控制失靈，致使摻加的磺化三聚氰胺甲醛類混凝土泵送劑，超摻量為3.6%左右(規(guī)定摻量為1.8%).一天后拆模，發(fā)現(xiàn)柱子表面強度低，保護(hù)層表皮被拉成許多橫豎裂縫.筆者曾應(yīng)邀到現(xiàn)場檢測和咨詢，根據(jù)該泵送劑的情況，確認(rèn)該質(zhì)量缺陷不是混凝土緩凝引起的，而是由于泵送劑超摻量產(chǎn)生過多的泌水影響表面凝結(jié)硬化.從鉆取的芯樣看，振搗密實，核心區(qū)混凝土7 d現(xiàn)有強度為29.3 MPa，快速蒸養(yǎng)抗壓強度為48.8 MPa，說明混凝土強度滿足設(shè)計要求.
　　遼寧省某綜合樓地下一層墻、梁、板為C30混凝土，其水泥為撫順大壩水泥，泵送劑摻量1.4%，由于有較大的緩凝性，在氣溫較高的四月中旬，底板混凝土終凝時間在12 h左右，在此之前不能用腳踏.據(jù)分析該泵送劑含有較多緩凝組分，但因該組分摻量低于0.5%，所以盡管早期強度略低，但28 d強度略高于設(shè)計要求.

作者簡介：魏秀軍　34歲，男，工程師

作者單位:沈陽市工程質(zhì)量檢測中心，沈陽，110002.