混凝土外加剂与水泥的相容性及其对砼性能的影响

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1、混凝土外加剂与水泥的相容性及其对砼性能的影响,主讲人：杨耀辉,一、外加剂与水泥的相容性,测试方法,1.相容性不良的影响,初始流动性差、流动度经时损失快以及浆体 稳定性差，施工时不易振实，容易造成“蜂窝”等缺陷，影响混凝土的密实度,混凝土均质性差在初凝前易出现粗骨料下 降、浆体上浮的分层现象；导致混凝土后期强度下降，并且在受外界环境影响和自身浆体水化影响时不同部 分体积变化不同，加剧了混凝土结构的开裂,保水性差，造成混凝土离析、泌水,四种组成材料在混凝土中所起的作用： 砂、石：骨架作用；抑制混凝土的收缩。 水泥水水泥浆：水泥浆在硬化前起润滑作用，赋予拌合物一定的和易性，硬化后将骨料胶结成一个坚实

2、的整体。水泥浆包裹在砂粒的表面并填充砂粒间的空隙而形成水泥砂浆，水泥砂浆又包裹石子表面并填充石子间的空隙，形成混凝土。凝结硬化前：起填析、润滑、包裹的作用 凝结硬化后：起胶结作用,水泥浆,砂子,石子,图1 外加剂与水泥相容性良好,2.相容性试验方法步骤,将玻璃板放置在水平位置，用湿布将玻璃 板、截锥形圆模、搅拌机及搅拌锅均匀擦拭，使其表 面湿润且不带水滴；将截锥圆模放在玻璃板中央，并用湿布覆盖待用。,称取水泥600g，倒入搅拌锅内，加入一定 掺量的外加剂（在推荐掺量范围内）与210g的水，搅拌 4min。,将拌制好的净浆迅速注入截锥形模内，并用刮刀刮平，将截锥形圆模沿垂直方向提起，同时开启秒表

3、计时至30 s，取流动部分两个相互垂直方向的最大直径，计算其平均值作为净浆的流动度。,保留锅内余下的净浆，30 min与60 min时，分别测定对应的流动度。,按不同的外加剂掺量，重复以上的试验步骤，记录相应的数据。,绘制以掺量为横坐标、流动度为纵坐标的 曲线，通过曲线分析外加剂掺量与流动度的关系及 变化规律。,（5）,（6）,3.影响外加剂与水泥适应性的主要因素,（1）外加剂自身的因素,外加剂（减水剂）的品种不同、分子结构的不 同、聚合度的不同、复配组分的不同等，均会影响其与水泥的适应性。 水泥的无机矿物颗粒由于范德化力、不同电荷的静电互相作用、水泥颗粒的表面化学作用，导致粒子形成聚集结构，

4、束缚一部分水，不能用于滑润水泥粒子，也不能立即用于水化。加入高效减水剂等外加剂后，由于吸附作用和电荷斥力，使水泥粒子分散，絮凝结构解体，释放束缚水并阻止粒子的表面相互作用，使水泥浆体的流动增大，其增加的大小与其技术性能及掺量有关。,图2 混凝土用各种外加剂,水泥的矿物组成主要有硅酸三钙(C3S) 、硅酸二钙(C2S ) 、铝酸三钙(C3A) 、铁铝酸四钙(C4AF) 等，不同矿物组成主要是由生产水泥的原材料和生产工艺决定 的，水泥的矿物组成对外加剂的影响程度依次为：C3AC4AFC3SC2S。C3A水化反应快，早期强 度提高快，需水量大。若 C3A含量过高(C3A含量 8%)，C3A吸附外加剂

5、的量大，外加剂的作用损失大。原因：C3A和C4AF在水化初期其动电电位（Zeta电位）呈正值，因而较强、较多地吸附外加剂分子（阴离子表面活性剂），而C3S和 C2S在水化初期其动电电位呈负值，因而吸附外加剂的能力较弱。水泥中C3A和C4AF的比例越大，则外加剂的分散效果越差 。,（2）水泥的矿物组成对外加剂的影响,（3）水泥熟料中调凝石膏品种的影响,水泥生产中需要加入石膏来调节水泥的凝结时间。调凝石膏对外加剂的影响程度依次为 ：无水石膏半水石膏 二水石膏。表1中编号1的水泥掺入超塑化剂后，超塑化剂与天然无水石膏相互作用，减少了SO42-离子的溶出量，因而造成水泥浆体流动性的损失；对于编号2的水

6、泥，无论掺加或不掺加超塑化剂，半水石膏和二水石膏均有控制C3A水化的足够的SO42-离子；对于编号3的水泥，由于高含量半水石膏的水化导致假凝，掺入超塑化剂后，降低了半水石膏的水化率，从而改善了浆体的流动性。,表1 不同形态石膏对水泥流变性能的影响,图 3 水泥比表面积对减水剂塑化效果的影响,水泥过细需水量大，会增加外加剂吸附量，外加剂的损失量会增大； 过细研磨时水泥的温度高，会使更多的水合石膏分解成无水石膏，无水石膏含量的提高，使水泥与外加剂的适应性变差； 若水泥的颗粒级配不好，水泥净浆的泌水率大，水泥与外加剂适应性较差。,（4）水泥细度和颗粒级配的影响,图3是采用嘉新水泥公司生产的水泥熟料与

7、二水石膏配料进行粉磨后的试验结果。,（5）水泥的碱含量,（6）混合材与外加剂的适应性,目前，我国80%以上的水泥在粉磨时掺加了一定量的混合材，如火山灰、粉煤灰、矿渣粉、煤矸石和石灰石等。由于混合材的品种、性质和掺量等的不同，外加剂的作用效果存在着较大差异 。减水剂对矿渣作为混合材的水泥的塑化效果优于纯硅酸盐水泥，而对火山灰、煤矸石作为混合材的水泥的塑化效果较差。外加剂对掺不同混合材水泥的掺量有较大差异。 若粉煤灰过细，也需要多一些的外加剂来分散粉煤灰颗粒。粉煤灰的烧失量越大（即含碳量越大），则需水量越大，对外加剂的影响也越大；碳粒粗大、多孔容易吸水，吸附外加剂的能力强，将使外加剂的掺量增加，特

8、别是对引气剂的影响大。,表2 拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术要求,F类粉煤灰是指由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰。C类粉煤灰是由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于l0%。,（7）气温、风力对外加剂的影响,（8）骨料的影响,气温越高、风力越大，混凝土的坍落度损失越大。气温高，水泥水化反应快，外加剂的消耗加快；风力越大，混凝土的水分蒸发越快，加快了水泥颗粒之间的凝聚，混凝土的坍落度损失越大。,骨料的影响若骨料的含泥量大，大量的黏土细粒会吸收更 多的水分，消耗更多的外加剂，使新拌混凝土和易性变差,容易产生离析，坍落度损失大，还影响混凝土的强度。 若砂率偏小，混凝土容易离析、抓底，混凝土坍

9、落度损失大；砂率偏大，过多的砂需要更多的水分润湿，使混凝土坍落度变小，也影响混凝土的强度。 若骨料的级配不良，特别是缺少中间粒级的骨料，也容易造成混凝土离析、抓底，混凝土坍落度损失大。,表3 骨料中有害杂质含量限值（JGJ 52-2011）,4.改善措施,混凝土的性能不仅取决于减水剂与水泥的性能，还取决于二者的相容性。因此，可以采取以下措施来改善减水剂与水泥的相容性。 (1)选择合适的水泥品种。在配制高性能混凝土时，应选择经搅拌只结合少量水的水泥或形成钙矾石比较少的水泥。 (2)选择合适的外加剂。外加剂的选择应根据工程设计对混凝土性能的要求而定，如混凝土的强度等级、 抗渗性、 耐久性、 冻融性

10、、 弹性模量等。 (3)选择合理的减水剂掺合方法。配制混凝土时， 可采用后掺法或分批掺加法来掺合减水剂。 (4)使用反应性高分子化合物。该化合物在碱性条件下缓慢反应， 从而使坍落度经时损失减少。,减水剂在水泥混凝土中的作用包括：湿润作用、吸附分散作用、润滑作用等,湿润作用当水泥加水拌合后，水泥浆形成絮凝结构将一部分拌合水包裹在水泥颗粒之间，降低了混凝土拌合物的流动性。,二、外加剂对混凝土性能的影响,以减水剂为例，分析其作用机理：,B.分散作用： 减水剂的憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，使颗粒表面带有相同的电荷，产生斥力使水泥颗粒分开，从而将絮凝结构内的游离水释放出来。,C. 润滑作用： 减水剂

11、还能在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂膜层，阻止了水泥颗粒间的直接接触，在水泥颗粒间起到很好的润滑作用。,从以下几个各方面进行分析：,力学性能,泌水率,凝结时间,抗碳化性能,抗氯离子渗透性能,1.坍落度和扩展度,混凝土的工作性或称和易性：指新拌混凝土易于成型、捣实表面平整和抵抗离析的能力，而且其中组分也不能在运输或浇注成型过程中产生离析。混凝土工作性是一项综合技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性三方面含义。 通常测定的是混凝土的流动性，而粘聚性和保水性则凭经验目测评定。,图4 混凝土坍落度,不加减水剂 聚羧酸 萘系,不加减水剂 聚羧酸系 萘系,图5 混凝土扩展度,表4 不同类型混凝土的坍落度要求

12、,2.表观密度,掺入减水剂之后，混凝土的表观密度有所增加，其主要原因是外加剂特别是减水剂加入后，减少了混凝土用水量。其次是由于新拌混凝土的粘度降低，流动性增加，易于扩展填充（与不加减水剂相比，掺入外加剂后扩展度大幅度提高），颗粒间的填充更为致密，聚羧酸系列减水剂效果最为明显。此外，混凝土的表观密度还与含气量有关。,3.含气量,掺外加剂混凝土含气量都有所增加，大部分萘系减水剂能增加1% 左右，聚羧酸系列则增加较明显，含气量为2.3%2.5%，在合理的范围内。其中聚羧酸系的增加最多，可能原因是聚羧酸系减水剂中带有引气成分。 混凝土中适当引气有利于混凝土的工作性和耐久性的改善。,4.泌水率,5.缓凝

13、时间,掺加减水剂的混凝土凝结时间都比较长。其中，木钙类缓凝效果最差，萘系减水剂缓凝效果较好，聚羧酸系的缓凝效果最好。 萘系与聚羧酸系列的减水剂缓凝效果差别不明显；对于粉剂外加剂来说，由于其在水泥水化过程中不断溶解释出，使得凝结时间比掺加液体外加剂的要长。 缓凝剂主要控制凝结时间，缓凝效果最佳。膨胀剂和早强剂的初凝和终凝时间都有所延缓。掺早强剂与膨胀剂混凝土的凝结时间与掺减水剂的混凝土相近。,6.力学性能,以C40 混凝土进行不同品种外加剂对混凝土工作性的影响规律研究。试验配合比见表5（其中 KB 为空白组对比试样，MG 表示木钙类减水剂，N1、N2 表示萘系类减水剂，J1、J2 表示聚羧酸减水

14、剂，ZQ 表示早强剂，PZ 表示膨胀剂） 。,表5 混凝土试验配合比,表6 掺外加剂混凝土 28d 的力学性能,KB 为空白组对比试样，MG 表示木钙类减水剂，N1、N2 表示萘系类减水剂，J1、J2 表示聚羧酸减水剂，ZQ 表示早强剂，PZ 表示膨胀剂,图6 减水剂种类对混凝土强度的影响,由图6可知，相对于对比组，掺入减水剂之后，混凝土的3d与7d强度增长较为明显，增长幅度在28%78%之间。这是由于掺入减水剂后，虽然水灰比保持不变，但是用水量却由原来的225kg/m3降到170kg/m3 ，混凝土的强度有所提高。但是后期28d以及60d强度增长不明显，各组相差不大。,7.抗碳化性能,8.抗

15、氯离子渗透性能,危害：在水和O2的作用下，Cl-会引起腐蚀。氯离子渗入混凝土会造成混凝土中钢筋的脱钝，进而造成钢筋的锈蚀。从而影响混凝土的耐久性。,渗入混凝土有两种方式： 一种是混凝土的原材料本身带有Cl- （例如细骨料采用海砂）； 一种是Cl-从混凝土的裂缝孔隙处侵入。,建筑行业科技的进步，将会带动外加剂的不断发展，从当前我国混凝土外加剂市场使用的比例现状来看，外加剂具有广阔的发展前景，将会迎来发展的高潮。,目前，我国正处于大规模的建设时期，每年基本建设的投入达3万亿元以上，迫切需要提高我国混凝土的施工技术水平和工程质量，提高工程的耐久性和使用寿命，外加剂已经成为国家基本建设不可缺少的材料。,三、发展与前景,谢谢大家！ ,