混凝土外加劑與水泥適應性的改善措施
2005-03-30 00:00
摘要：從分析混凝土外加劑與水泥適應性的影響因素及其規(guī)律入手，提出了改善外加劑與水泥適應性的可操作性措施，如增加外加劑摻量、改變外加劑復合方案、增加某種陰離子、優(yōu)化水泥制備工藝及消除引起不適應性的因素等，并例舉了兩個工程應用實例。
關鍵詞：外加劑；水泥；適應性；解決措施；工程實例
混凝土外加劑已成為現(xiàn)代化混凝土制備技術和施工技術所離不開的一種重要組分，各種外加劑的應用更是使混凝土材料實現(xiàn)高性能化和綠色化的重要措施之一。然而混凝土外加劑與水泥之間有時存在不相適應性，并在一定程度上影響著外加劑的應用效果以及混凝土的性能。
筆者曾經(jīng)對混凝土外加劑與水泥適應性的定義進行了描述[1]。認為：按照混凝土外加劑應用技術規(guī)范，將經(jīng)檢驗符合有關標準的某種外加劑摻入按規(guī)定可以使用該品種外加劑的水泥所配制的混凝土(或砂漿)中，若能夠產(chǎn)生應有的效果，就認為該水泥與這種外加劑是適應的；相反，如果不能產(chǎn)生應有的效果，則該水泥與這種外加劑不適應。
為了摸清上海、江蘇、浙江、廣東等地區(qū)水泥與外加劑的適應情況，尋求產(chǎn)生不相適應性現(xiàn)象的原因，提出有效的解決措施，從而更好地為高速發(fā)展的國民經(jīng)濟和工程建設服務，課題組開展了“水泥與外加劑適應性”的研究項目，就減水型外加劑(包括普通減水劑、高效減水劑、緩凝減水劑、緩凝高效減水劑、普通泵送劑、高效泵送劑和控制混凝土坍落度損失外加劑等)與水泥的適應性問題展開一系列的試驗研究。試驗從上海、南京、鎮(zhèn)江、深圳、廣州、浙江等地所普遍使用的外加劑產(chǎn)品中共抽取28個樣品，并抽取六家水泥廠九種標號(牌號)的水泥樣品、細度不同的水泥樣品以及存放期不同的水泥樣品。
本文簡要總結了通過試驗研究得出的影響外加劑與水泥適應性的各種因素，提出了解決這一問題的幾個可操作措施，并列舉了兩個工程應用實例。
1 混凝土外加劑與水泥適應性的影響因素及其作用規(guī)律
影響外加劑作用效果的因素很多，如表1。這些因素往往相互交織在一起,共同對外加劑的使用效果產(chǎn)生影響。
表1 影響混凝土外加劑與水泥適應性的因素
Table 1 Factors influencing the compatibility between cement and concrete
admixtures
|
Superplasticizers |
Cement |
|
Degree of sulfonation |
Mineral components |
|
Degree of polymerization |
Alkali content |
|
Kinds of alkali for neutralization |
Kinds and dosage of gypsum |
|
Purity |
Kinds and dosage of blends |
|
State |
Fineness |
從表1可以看出，影響外加劑作用效果的因素很多，有外加劑方面的，也有水泥方面的，混凝土摻合料、環(huán)境因素及外加劑摻量、摻加方法的影響也不容忽視。上述各種因素對混凝土外加劑與水泥適應性的影響規(guī)律及機理分析參見文獻[1-12]。
2 混凝土外加劑與水泥適應性的改善措施
改善混凝土外加劑與水泥的適應性，首先要對混凝土原材料生產(chǎn)者、混凝土拌合物制備者和施工技術人員進行大力宣傳。只有全社會都承認水泥與外加劑之間存在適應性這一事實，才能正確面對其可能產(chǎn)生的后果，也才能促使人們努力解決這一問題。
其次，混凝土制備者應對每一批水泥、每一批外加劑進行質(zhì)量檢測和混凝土試配試驗，尋求原材料的技術特性，盡量將相互適應性好的外加劑與水泥配合使用，以避免因?qū)⒉幌噙m應的水泥與外加劑共同使用而造成的質(zhì)量事故、材料浪費或成本提高。
再者，混凝土的制備成本固然重要，但混凝土制備者不能只注重節(jié)省費用而無視某些水泥(如鋁酸鹽含量相對較高者)或摻加了某種摻合料后配制的混凝土對外加劑摻量的實際需求，因為，外加劑的適宜摻量與水泥特性、摻合料性能及摻量等因素有關，而非傳統(tǒng)觀念上的固定值。
第四，水泥廠、外加劑廠與混凝土制備單位應攜手解決這一類問題，而決不能對自己所存在的技術問題遮遮掩掩、推卸責任。比如水泥廠盡量不采用硬石膏作為調(diào)凝劑，外加劑廠遇到所配合使用的水泥為摻硬石膏水泥時，應提供不含木鈣或糖鈣的外加劑或采取其它技術措施，同時，混凝土制備者也應采納外加劑廠的建議，及時改變外加劑的品種和摻量。
在實際工程中，水泥與外加劑的適應性試驗應在混凝土拌合物制備前就完成，這樣才能正確地選擇水泥、摻合料和外加劑，并確定最優(yōu)化的配合比。在施工中，水泥廠和外加劑廠應提供質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。如果某批水泥或外加劑出現(xiàn)了不相適應性問題，應立即配合分析和查找原因，以尋求有效的對策。
表2是針對水泥與外加劑不相適應的一些常見現(xiàn)象建議采取的措施。必須指出的是，有時導致水泥與外加劑不相適應的原因是多方面的和互相交織的，具體采取哪種解決措施，要進行充分的前期試驗和細致周密的分析。另外，此類問題要由水泥廠和外加劑廠、混凝土拌合物制備單位以及施工單位聯(lián)手解決。
表2 水泥與外加劑不適應性常見問題的解決措施
Table 2 Solving measures for the incompatibility problems between cement and concrete admixtures
|
Phenomena of incompatibility |
Possible reasons |
Solving measures |
Units being responsible |
|
1)Plasticizing efficiency of the nephthelene based superplasticizer is not ideal at the recommended dosage |
a)Sulphanaton of superplasticizer is not enough |
Increase the sulphanation degree of superplasticizer |
1 |
|
b)Degree of polyrization of superplasticizer is not suitable |
Adjust the degree of polyrization of superplasticizer | ||
|
c)C3A content in cement is too high or the ratio of gypsium to C3A is too low |
Increase the dosage of superplasticizer |
2 | |
|
Add the superplasticizer a few minutes after the water | |||
|
Add some SO42- in concrete mix | |||
|
Use new type superplasticizers, i.e. poly carboxylicacids, etc. | |||
|
d)Alkali content in cement is too high |
Increase the dosage of superplasticizers |
2 | |
|
Add some SO42- in concrete mix | |||
|
Reduce the alkali content in cement |
3 | ||
|
e)The quality of fly ash blended in cement is not good |
Increase the dosage of superplasticizer or select new type superplasticizers |
2 | |
|
f)Add zeolite or silica fume in concrete as mineral admixtures | |||
|
g)Specific surface area of cement is too high |
Increase the dosage of superplasticizers |
2 | |
|
2)Set time of concrete is extremely shortened when adding lignosulfonate plasticizer or calcium sucrose |
Unhydride exists in cement |
Supplement some SO42- in concrete mix |
2 |
|
Add lignosulfonate plasticizer or calcium sucrose with superplasticizers together |
1 and 2 | ||
|
Add lignosulfonate plasticizer or calcium sucrose a few minutes after water | |||
|
Add superplasticizer instead of lignosulfonate plasticizer or calcium sucrose | |||
|
3)The slump-loss of concrete can not be efficiently controlled when adding a certain pumping admixture |
1)Part or all of adjusting agent of cement set time is anhydride, or there is lignosulfonate plasticizer and/or calcium sucrose in pumping admixture |
Supplement some SO42- in concrete mix |
2 |
|
Add pumping admixtures a few minutes after water | |||
|
Replace the lignosulfonate plasticizer and/or calcium sucrose in pumping admixture with other set retarders |
1 | ||
|
Select other type pumping admixtures |
2 | ||
|
Don’t use unhydride as adjusting agent of cement set time |
3 | ||
|
2)Alkali content in cement is too high |
Supplement some SO42- in concrete mix |
2 | |
|
Increase the dosage of pumping admixture | |||
|
Add pumping admixtures a few minutes after water | |||
|
Replace some cement with mineral admixtures(i.e. slag powder) | |||
|
Increase the set retarder content in pumping admixture |
1 | ||
|
3)C3A content in cement is too high, or SO42-/C3A ratio is not enough |
Increase the dosage of pumping admixture |
2 | |
|
Supplement some SO42- in concrete mix | |||
|
Increase the set retarder content in pumping admixture |
1 | ||
|
Select the efficient set retarder | |||
|
4)The cement used in concrete is too fresh |
Increase the dosage of pumping admixture |
2 | |
|
Replace some cement with reactive mineral admixtures | |||
|
5)The temperature of cement is too high |
Avoid using cement with high temperature |
2 | |
|
Increase the dosage of pumping admixture | |||
|
Increase the set retarder content in pumping admixture |
1 | ||
|
6)Use zeolite or fly ash of not good quality as mineral admixture |
Increase the dosage of pumping admixture |
2 | |
|
Decrease the dosage of this kind of mineral admixtures | |||
|
7)Use expansion admixtures with high alkali content |
Increase the set retarder content in pumping admixture |
1 | |
|
Increase the dosage of pumping admixture |
2 |
Notes: 1-concrete admixtures factories; 2-concrete manufactures; 3-cement plants
3 改善混凝土外加劑與水泥適應性的工程實例
利用筆者所提出的基本措施，曾成功解決了幾個工程實際問題，舉例如下。
3.1 因更換水泥所引起的不適應性問題
3.1.1 工程概況
上海浦東某重點工程，2001年開始施工。該工程采用商品混凝土，強度等級為C40，要求初始坍落度為20+2cm，1小時后坍落度不得低于16cm。
混凝土配合比為水泥:粉煤灰:礦渣粉:砂:石子:泵送劑:水=262:82:110:680:1023:6.81:180。原材料如下：江西某廠52.5級普通硅酸鹽水泥；II級粉煤灰；上海產(chǎn)S95礦渣粉；長江河砂，細度模數(shù)2.6；5-25mm連續(xù)級配碎石；上海某廠SP406高效泵送劑。
該工程所澆注的混凝土由上海某攪拌站供應，該攪拌站采用SP406高效泵送劑制備混凝土，過去所使用的水泥為京陽嘉新牌52.5 P.O和安徽海螺牌52.5 P.O，按上述配比所配制混凝土的初始坍落度和坍落度保持性均滿足工程要求。但當時由于上海市預拌混凝土需求量非常大，水泥供不應求，臨時改換了江西某廠生產(chǎn)的52.5 P.O。攪拌站事先對該水泥的性能特點不很了解，擬定仍按原來的配比進行生產(chǎn)，卻遇到了所配制混凝土坍落度嚴重損失的異常情況。具體表現(xiàn)為：初始坍落度較小，只有16cm，且即使通過增加用水量使初始坍落度達到20cm，但只停放30min后坍落度就減小到6.5cm，根本無法滿足運輸和泵送要求。
3.1.2 原因分析及解決措施
根據(jù)筆者的分析，一方面，可能是因為該水泥礦物成分與其它水泥有差別，或者石膏與鋁酸鹽比例較小，另一方面，當時正處于水泥舊標準向新標準轉換的階段，為滿足早期強度的要求，可能該水泥的粉磨細度較大，再者，也有可能是泵送劑出現(xiàn)了質(zhì)量波動。因此進行了一系列試驗進行對比，查找原因并提出了相應對策。試驗結果如下。
1)采用標準檢驗方法對外加劑進行檢測，當摻量為1.5%C時，當時供應的一批SP406高效泵送劑和前幾批泵送劑的留存樣品均符合泵送劑一等品標準[13]，且質(zhì)量穩(wěn)定。因此，可以排除外加劑的質(zhì)量波動因素。
2)對江西某廠水泥質(zhì)量進行檢測，結果表明其性能符合《GB175-1999硅酸鹽、普通硅酸鹽水泥標準》，可以排除水泥的質(zhì)量因素。
3)在不摻加摻合料的情況下，對比了海螺水泥、京陽水泥和江西某廠水泥與SP406的適應性，結果如表3。
表3 三種同強度等級的普通硅酸鹽水泥與SP406高效泵送劑的適應性
Table 3 Compatibility between pumping agent SP406 and the 3 kind of ordinary Portland cement(52.5 grade)
|
Series number |
Concrete proportion
C:S:G:SP406:W |
Kinds of cement |
Slump/cm | ||
|
0min |
30min |
60min | |||
|
No.1 |
454:680:1023:6.81:180
454:680:1023:6.81:180
454:680:1023:6.81:180 |
Hailuo 52.5 P.O |
21.0 |
18.5 |
17.0 |
|
No.2 |
Jingyang 52.5 P.O |
20.5 |
19.0 |
17.0 | |
|
No.3 |
Jiangxi 52.5 P.O |
17.5 |
8.0 |
4.5 | |
|
No.4 |
454:680:1023:9.08:180 |
Jiangxi 52.5 P.O |
24.0 |
19.0 |
18.0 |
可見，采用同一種SP406高效泵送劑，摻量也相同，只是水泥品牌不同，所配制混凝土的坍落度損失情況不同，江西某廠的水泥所配制的混凝土坍落度損失較大。觀察表明，NO.3混凝土拌合物在0-20min內(nèi)的稠化現(xiàn)象非常嚴重，可以將出現(xiàn)不適應性現(xiàn)象的原因基本歸結于該水泥的特性上。
為此，將SP406的摻量增加到2.0%C，便發(fā)現(xiàn)混凝土的坍落度損失減小了(表3中No.4)。
另外，在對混凝土原材料的進一步了解中發(fā)現(xiàn)，當時所使用的粉煤灰盡管符合II級粉煤灰標準，但其含碳量相對較高(燒失量為6.2%)，對于本C40混凝土配合比，顯然粉煤灰的用量偏大。粉煤灰大量吸附減水劑也將導致混凝土坍落度損失過大。
最后筆者提出，可采取以下措施改善江西某廠水泥所配制混凝土的拌合物性能：1)在配合比不變的情況下，適當增加SP406外加劑的摻量；2)在配合比不變的情況下，適當調(diào)整SP406外加劑的復合方案；3)適當改變混凝土的配合比，比如減小粉煤灰用量，而相應增加礦渣粉的用量。
表4為在上述三種方案的基礎上，采用江西某廠52.5 P.O所配制混凝土的拌合物性能，“Shen 8 ”外加劑為按本C40混凝土原材料性質(zhì)和配合比新研制的泵送劑。
表4 采取措施后，用江西某廠水泥所配制C40 混凝土拌合物的性能試驗結果
Table 4 Test results of properties of concrete mix using 52.5 P.O cement produced in Jiangxi Province
|
Series number |
Concrete proportion |
Slump
/cm | |||
|
C:FA:Slag:S:G:W |
Admixture and its dosage
/%(B) |
0min |
30min |
60min | |
|
No.5 |
262:82:110:680:1023:180 |
SP406，2.0 |
20.0 |
18.0 |
16.5 |
|
No.6 |
262:82:110:680:1023:180 |
Shen 8，1.5 |
21.0 |
19.5 |
17.5 |
|
No.7 |
262:45:147:680:1023:180 |
SP406，1.8 |
19.5 |
18.5 |
17.5 |
3.2 因使用膨脹劑所產(chǎn)生的不適應性問題
3.2.1 工程概況
濟南某高層建筑地下連續(xù)墻澆注工程，2001年6月施工?；炷翉姸鹊燃墳镃30，抗?jié)B等級P10，要求初始坍落度為20+2cm，50min后坍落度不得低于16cm。
該工程混凝土配合比為水泥:膨脹劑:砂:石子:泵送劑:水=407:55:750:1000:11.55:185。原材料如下：山水牌32.5P.O；山東某廠UEA膨脹劑；河砂，細度模數(shù)2.6；5-25mm連續(xù)級配碎石；山東某外加劑廠STH高效泵送劑。
山水牌水泥為濟南市攪拌站廣泛使用的一種水泥品牌，山東某外加劑廠生產(chǎn)的系列外加劑與這種水泥具有良好的適應性，可用以配制C30-C50商品混凝土。2001年6月濟南某攪拌站為濟南市某高層地下連續(xù)墻工程提供具有抗裂防滲要求的商品混凝土，擬采用山水牌32.5級普通硅酸鹽水泥，并采用內(nèi)摻法摻入占水泥用量12%的UEA膨脹劑，泵送劑則選用STH高效泵送劑，但試配結果顯示所配制混凝土不僅需水量高，而且坍落度損失很快，但當時氣溫并不是很高(室外氣溫只有30oC左右)。工程緊迫，急需解決這一技術難題。
3.2.2 原因分析及解決措施
試驗結果顯示，山水牌32.5級普通硅酸鹽水泥和STH高效泵送劑均符合有關標準，且在不摻加膨脹劑的情況下，兩種材料之間具有良好的適應性。所以將產(chǎn)生不相適應性的主要原因鎖定在膨脹劑方面。
我國生產(chǎn)的膨脹劑主要為硫鋁酸鹽型和明礬石型，其中大多都引入了明礬石，明礬石的化學式為K2SO4.Al2(SO) 3.4Al(OH)3，可見膨脹劑中含有一定量的K2O，實際上也含有一定量的Na2O。在混凝土中摻加UEA膨脹劑，實際上也就增加了混凝土中的堿含量。
因此，為滿足拌合物的性能要求，對STH高效泵送劑進行了改性，研制了一種適合于摻加UEA膨脹劑混凝土的新型泵送劑----STH-2高效泵送劑。表5是STH-2高效泵送劑與STH高效泵送劑對混凝土拌合物性能影響的試驗結果。工程實踐表明，摻加STH-2高效泵送劑可以配制出滿足本項目要求的商品混凝土。
表5 兩種泵送劑的性能對比
Table 5 Comparison of Properties of the two pumping admixtures
|
Series number |
Concrete proportion
C:UEA:S:G:W |
Pumping admixture and its dosage
/%(C+UEA) |
Slump
/cm | |
|
0min |
50min | |||
|
SD1 |
462:0:750:1000:177 |
STH，2.5 |
22.0 |
18.5 |
|
SD2 |
462:0:750:1000:175 |
STH-2，2.5 |
21.5 |
19.0 |
|
SD3 |
407:55:750:1000:183 |
STH，2.5 |
21.0 |
10.5 |
|
SD4 |
407:55:750:1000:180 |
STH-2，2.5 |
21.0 |
17.5 |
4 結語
隨著國家“十五”規(guī)劃的實施以及全面開發(fā)西部戰(zhàn)略的進行，今后的工程建設規(guī)模將是空前的，對混凝土材料的數(shù)量和質(zhì)量也必將提出更高的要求。大中城市混凝土的全面商品化將極大地促進外加劑在混凝土中的使用。因此，水泥與外加劑的適應性問題也將越加會顯得“突出”。
本文從技術角度論述了影響水泥與外加劑適應性的各種因素以及改善適應性的一些可行的措施，希望能對混凝土原材料的生產(chǎn)單位、混凝土制備單位以及混凝土施工單位技術人員有所啟示。誠然，要徹底解決水泥與外加劑適應性的問題，還需要產(chǎn)、官、學、研各界人士的共同努力。今后，將對這一問題進行進一步研究，建立一整套數(shù)據(jù)庫資料。同時希望工程界也應摒棄傳統(tǒng)的“生產(chǎn)成本”觀念，敢于面對這一事實，并采取必要的措施，以有效的技術手段，將因水泥與外加劑不相適應所造成的工程質(zhì)量問題降低到最小程度。
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[13]JC473 混凝土泵送劑標準[S]
Measures to Improving the Compatibility
between Concrete Admixtures and Cement
SUN Zhen-ping, JIANG Zheng-wu, ZHANG Guan-lun, WANG Yu-ji
(State Key Laboratory of Concrete Materials Research, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: Based upon the analysis of the factors influencing the compatibility between concrete admixtures and cement, Some useful measures which can be taken to improve the compatibility are proposed, such as 1)increasing the dosage of admixtures, 2)changing the composition of admixtures, 3)adding certain anions to admixtures, 4)improving the manufacturing technology of cement, and 5)avoiding the factors leading to the incompatibility etc. Two practical problems being successfully solved by means of the measures put forward in the paper are cited.
Keywords: admixture; cement; compatibility; improving measures; practical examples
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