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减水剂在混凝土工程中的应用及存在问题

来源:石家庄市海森化工有限公司  日期:2017-02-18 09:00:00  属于:产品技术
文章摘要:本文对比了几种减水剂在水泥混凝土中的不同作用效果,总结了减水剂作用机理。通过分析其在工程中的应用,发现应用中存在着减水剂与水泥相容性不好这一重要问题。针对这一问题,分析了水泥与减水剂相容性的影响因素,探讨了评价相容性的方法,提出了解决这一问题的措施,以期对减水剂在水泥混凝土工程中的广泛应用提供实际的参考。

一  引言

混凝土外加剂是在混凝土搅拌前或拌制时加入的一种用以改善新拌混凝土或硬化混凝土性能的材料。按其主要功能分为改善混凝土流变性能的外加剂(如减水剂、引气剂和泵送剂等);调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂(包括早强剂、缓凝剂和速凝剂等);改善混凝土耐久性的外加剂(包括引气剂、阻锈剂和防水剂等);改善混凝土其他性能的外加剂(如粘结剂、消泡剂、脱模剂、着色剂和防潮剂等)。外加剂已经成为混凝土除过水泥、砂、石、水的第五元素。它的发展给工程带了可观的经济效益。而减水剂是目前研究和使用最广泛的一种混凝土外加剂。因此,研究减水剂的作用机理及其在使用过程中存在的问题意义很大。

1.1减水剂的研究发展历程

 

从减水剂的性能发展过程来看,减水剂的发展可以分成四个阶段:(1)以木质素磺酸盐为代表的“普通”减水剂的开发与应用;(2)以萘系为代表的“高效”减水剂;(3)以聚羧酸系为代表的第三代“高性能”减水剂阶段。国外自20世纪90年代开始使用聚羧酸系高性能减水剂,当前世界范围内日本(60%)和欧美(20%)对聚羧酸的使用量已达到80%以上。掺聚羧酸系高性能减水剂的混凝土具有以下性能特点:掺量低、减水率高;混凝土拌合物综合性能好、坍损小;增强效果好;低收缩;一定的引气量;总碱含量和氯离子含量极低;环境友好。2000年前后,我国混凝土工程界逐渐认识聚羧酸系高性能减水剂。随着国家铁路、公路、桥梁等基础设施建设的大规模开展,聚羧酸系高性能减水剂因其良好的工作性,在各种重、大型工程中得到了应用,2006年以后得到了迅猛发展,2007年产量达到了41.43万吨。我国聚羧酸生产企业的生产能力都较大,目前处于以销定产的状态。

 

当前,聚羧酸系高性能减水剂在我国工程上的应用可谓如火如荼,地铁、引水输水、西气东输等工程的隧道施工中广泛使用高精度钢筋混凝土盾构管片,城市桥梁施工中发展预制拼装节段梁,高速铁路施工推广无砟轨道板、箱梁,大型重点工程中的预制清水混凝土饰面板,大型体育场看台开发了高性能先张预应力板等,均使用了聚羧酸系高性能减水剂。聚羧酸系高性能减水剂的发展趋势也不仅仅局限于过去的重大工程、重点部位的应用,而面向一般重要工程、普通工程发展;由高强度等级、特殊功能混凝土逐步向普通混凝土中应用发展。尽管在使用中还有许多问题有待协调解决,但是减水剂在混凝土中的应用将越来越广泛。

 

1.2减水剂的研究背景和意义

 

一般情况下,混凝土外加剂的添加方式是在混凝土的拌前和拌中加入,这种有目的的采取人为的干预来改变混凝土性能的做法已经被广泛的使用。也有在工程施工时再加入的,具体的情况和加入的标准要视情况而定,它是一种改善混凝土性能的物质,其前提是要保证混凝土本身所具有的基本性能。随着新技术的发展,混凝土外加剂已经大大的解决了以前施工当中遇见的难题,混凝土技术的发展关系着工程的质量,而混凝土技术又和混凝土外加剂技术的发展有关。所以,十分有必要对混凝土外加剂目前的应用情况和未来的发展趋势进行探讨,而目前,运用最广泛的是减水外加剂,它已经成为混凝土除过水泥、砂、石、水的第五元素。它的发展给工程带了可观的经济效益。混凝土减水外加剂应用在混凝土中的作用:降低成本;改善混凝土的性能;改善施工。但在运用中一直存在着减水剂与水泥的适应性问题,只有了解减水剂作用机理,找到适应性不良的原因,才能确保减水外加剂对混凝土性能有很好的改善。因此,研究减水剂的作用机理及其在使用过程中存在的问题意义很大。

 

二 减水剂概述
 

减水剂是指在混凝土坍落度基本相同的条件下,能显著减少混凝土拌和用水量的外加剂。它可以增加流动性、提高混凝土强度、节约水泥、改善混凝土的耐久性,此外,还可以改善混凝土拌合物的泌水、离析现象延缓混凝土拌合物的凝结时间,减慢水泥水化放热速度。

 

2.1各类减水剂概况

 

普通减水剂:以木质素磺酸盐为代表,我国从20世纪50年代起研发制成,作为我国的第一代减水剂开始使用,由于缺陷的存在,国外已经不再使用,但是我国仍在使用。作为最常用的减水剂,它有价格便宜,来源丰富,制备工艺简单要求不高,即可单独使用,也可和其他减水剂复配使用等优点。但他也有易在混凝土拌合物中产生缓凝现象;常引入气泡,对混凝土的性能产生影响等缺点。木质素性和其他有毒有害的化学物质的作用很难控制,不同的木质材料掺加工艺也不同,对混凝土产生一些未知危害。

 

高效减水剂:以萘系、氨基磺酸盐系、脂肪族系密胺系为代表,其中萘系高效减水剂在我国于20世纪80年代研制出,标志我国进入高效减水剂的时代,目前国内使用的高效减水剂中,萘系减水剂占总量的90%。它的优点是:萘磺酸甲醛缩合物,生产工艺简单,具有生产工艺成熟,不引气,不缓凝,水泥适应性好等特点,减水率为10%-25%;28天抗压强度可提高15%-50%;当水泥用量相同和强度相近时,可使坍落度20-30mm的低塑性混凝土的坍落度增加100-150mm;在混凝土工作性和强度相近条件下,可节约水泥10%-20%。存在的不足是:造成混凝土坍落度损失大,对工程不利,一般需要采用复配或者改变添加剂方式。低浓型的萘系高效减水剂中硫酸钠含量的居高不下导致了外加剂中碱含量增高、混凝土的耐久性降低,众多工程出现碱骨料反应现象,使用寿命大幅缩短;氨基磺酸盐系列减水剂品种众多,作为第二代减水剂的发展,减水率高,含碱量低,阻止碱骨料反应,冬季不会发生沉淀和结晶,但是其泌水现象较严重;脂肪族系减水剂,具有高减水、高增强、具有生产工艺简单、生产周期短、生产和使用无三废排放的优势,但其在使用中呈明显深红色引起质疑,但研究发现并不影响混凝土性能;密胺系高效减水剂是一种水溶性减水剂,适用于蒸养、高强、早强及流态混凝土,低引气,高减水,无缓凝现象,呈现对混凝土较好的增强效果,存在的不足是掺加传统的该类减水剂会造成一定程度坍落度损失。

 

高性能减水剂:以聚羧酸系为代表的一类减水剂,目前国内的高性能减水剂聚羧酸类减水剂,具有以下特点:①减水率高,掺量少、保坍性能好、后期强度大、引气量和缓凝较为适中;②适宜配制高流动性、自密实混凝土,合成过程不使用甲醛,对环境不影响,成为第三代的高性能减水剂;③该类减水剂母体单一,为了满足要求采用复配,但复配又出现与水泥相容性、后期强度及环境污染等不足。

 

2.2各类减水剂减水率大小的比较分析

 

普通减水剂:普通减水剂对混凝土具有一般的减水、增强的作用。若混凝土和易性保持不变,可使混凝土单位用水量减少5-10%,因而可提高混凝土强度和改善混凝土的性能。普通减水剂可用于一般工程的预制或现浇、预应力、大体积、滑模、大模板及泵送混凝土等。但不宜用于5℃以下的施工,也不宜单独用于蒸气养护混凝土。木质素类:一般为8%-13%左右,对于高性能的混凝土很难满足其要求。

 

高效减水剂:大幅度减水、增强。在保证混凝土和易性不变的情况下,将减水率提高到10%以上,这样也可以提高混凝土的早期强度和28d强度,同时也能改善混凝土的耐久性,提高混凝土的抗冻性、抗渗性等。若混凝土用水量不变,可以大幅度改善混凝土的流动性,若混凝土和易性不变,可以节约水泥10-20%,并且混凝土强度不变。高效减水剂适用于一般的工业与民用建筑、水利、港口、交通等工程中的现浇或预制混凝土、预应力混凝土、热养预制构件混凝土等。萘系减水剂:减水率为10%-25%;氨基磺酸盐类减水剂:20%左右。脂肪族类减水剂:20%左右;密胺系减水剂:10%-27%。聚羧酸类高性能减水剂:高达30%以上。

 

2.3减水剂作用机理

 

目前高效减水剂的作用机理主要有两个:一个是以“吸附-静电斥力(ζ-电位)-分散”为主体的静电斥力理论,该理论可以很好的解释萘系高效减水剂、三聚氰胺系高效减水剂和改性木质素磺酸盐高效减水剂等常用减水剂的减水机理;另一个是以“吸附-空间效应-分散”为主体的空间位阻理论。

 

吸附—分散作用:水泥加水拌合后,由于水泥颗粒分子引力的作用,使水泥浆形成絮凝结构,使10%~30%的拌合水被包裹在水泥颗粒之中,不能参与自由流动和润滑作用,从而影响了混凝土拌合物的流动性。当加入减水剂后,由于减水剂分子能定向吸附于水泥颗粒表面,使水泥颗粒表面带有同一种电荷(通常为负电荷),形成静电排斥作用,促使水泥颗粒相互分散,这样就会促使水泥浆体絮凝状结构分散解体,释放出被包裹部分水,参与流动,从而有效地增加混凝土拌合物的流动性。

 

静电斥力理论:高效减水剂大多属于阴离子表面活性剂,由于水泥水化时粒子表面带有正电荷(Ca2+),减水剂中的阴离子(—COO-或—SO2-)就会吸附于水泥粒子上,形成双电位(ζ电位),使水泥粒子相互排斥,防止了凝聚的产生(双电层理论)。随着ζ电位绝对值的增大,粒子间将以斥力为主,进而防止了粒子间的凝聚。不会凝聚也就是能够将絮凝结构中的拌合水释放出来。

 

空间位阻理论:这一理论适用于正处于开发阶段的羧酸系高性能减水剂。羧酸系减水剂的减水率高于这三类减水剂,主要是由于氨基磺酸系、萘系和三聚氰胺系减水剂的分子以平躺(棒状)形式吸附在水泥颗粒表面,而羧酸系减水剂分子是以环线状或梳状形式吸附在水泥颗粒表面,这种吸附形式使水泥颗粒表面具有较大的空间位阻,有效防止了水泥颗粒的团聚,提高了水泥颗粒的分散效果。减水剂分子链的吸附形式如图2.1所示。

 

图2.1减水剂分子链的吸附形式

a环线型

b棒形

c梳状

 

三 减水剂在混凝土工程中的应用
 

减水外加剂作为高性能混凝土的一个必不可少的组分,已经得到广泛应用。它在混凝土坍落度基本相同的条件下能显著减少混凝土拌和用水量,可以增加流动性、提高混凝土强度、节约水泥、改善混凝土的耐久性。此外,减水剂的使用还可以提高混凝土拌合物的保坍性,改善混凝土拌合物的泌水、离析等现象,延缓混凝土拌合物的凝结时间,减慢水泥水化放热速度,降低水泥水化所引起的裂变、收缩及热变形等现象。总之,它在混凝土中的作用既可以降低成本、改善施工又可以改善混凝土的性能。

 

3.1工程应用中存在的问题

 

虽然几十年来,我国减水剂在混凝土中的应用有了很大进展,但混凝土外加剂与水泥的适应性问题,自外加剂应用于混凝土以来,一直伴随至今,减水剂与混凝土的适应性问题也尤为突出。要充分发挥混凝土外加剂在建筑工程中的作用,首先要掌握混凝土外加剂与水泥适应的作用规律,才能解决好混凝土外加剂与水泥适应性问题,从而确保混凝土具有较好的施工性能,并且确保体积稳定性能、耐久性能及混凝土强度等符合施工要求。减水剂与水泥适应性的好坏可以用吸附量大小来评定,而吸附量的测定可以用紫外可见吸收光谱分析,所用仪器为紫外可见分光光度计。评价高效减水剂相容性的方法是:以净浆流动度为评价指标的净浆流动度法;以反映水泥净浆流下时间与高效减水剂掺量动态变化的MarshCone(锥度计)法。相容性的评价指标主要有三个:初始、60min减水剂饱和点(是指浆体流动度不再上升的减水剂掺量);基准减水剂0.8%掺量时的初始Marsh时间或流动度;基准减水剂0.8%掺量时的经过时损失率。

 

本文以张呼铁路项目二分部施工的翁家湾西洋河特大桥为工程背景,该工程位于张家口市怀安县附近,主要跨越西洋河及G110国道,丹拉高速等多条道路,本桥位于西洋河水库下游跨越西洋河,桩基混凝土强度等级C30.C35,墩身强度等级C35,环境类别、等级T2、H1。所使用的减水剂为山西桑姆斯建材化工有限公司生产的HPWR-R型缓凝聚羧酸高效减水剂,各项检测指标见表1。

表1减水剂检测结果

按照JC/T1083-2008《水泥与减水剂相容性试验方法》对本工程所使用的减水剂进行相容性检测,见表2。

表2减水剂与水泥适应性检测结果

 

通过检测,最终测定减水剂的最佳饱和掺量为1.0%,拌制混凝土后各项性能检测指标满足设计要求。

 

综上所述影响混凝土减水剂和水泥适应性的因素很多,有减水剂方面的因素、也有水泥方面的因素、还有混凝土掺合料品种、掺量和掺加方法及环境等因素的影响。

 

①减水剂方面的影响因素:减水剂方面的影响因素主要有:减水剂种类及其分子结构、聚合度、纯度、掺量等。水泥等无机矿物颗粒由于范德华力、不同电荷的静电相互作用、水泥水化颗粒的表面化学作用,导致水泥颗粒粒子形成聚集结构,束缚一部分水,不能用于润滑水泥粒子,也不能立即用于水化。

 

②水泥方面的影响因素:水泥矿物组成成分、游离氧化钙含量、含碱量、石膏形态及其掺量、水泥细度、新鲜程度等都会影响减水剂与水泥适应性。

 

③混凝土掺合料的影响因素:主要有掺合料的品种、掺加方式等方面的影响因素。活性掺合料的品种主要有硅灰、磨细矿渣粉、粉煤灰等。当混凝土掺入适量活性掺合料时,不但能节约水泥,改善混凝土的工作性能,提高混凝土的强度,还能改善外加剂对水泥的适应性。

 

④环境方面的影响:环境的温湿度对适应性问题的影响也很大。当环境温度较高时,混凝土表面水分蒸发和水泥的水化反应速度都将加快,而混凝土内部游离水通过毛细管补充到混凝土表面,并被蒸发而减少。由于这两方面的原因,将使新拌混凝土坍落度损失加快。因此在高温环境中,需要提高混凝土外加剂的掺量并采取措施减少混凝土表面的水分蒸发。环境湿度较高时,混凝土表面的水分蒸发会减少,混凝土坍落度损失也将减少,所以环境湿度也会对水泥与外加剂的适应性产生影响。

 

3.3工程应用中问题的改善措施

 

(1)正确选择减水剂的种类

 

减水剂的选用以减水率、保水性和保塑性为主要指标。在不增加用水量的前提下,使商品混凝土具有大坍落度、不离析、不泌水、坍落度经时损失小等性能的外加剂是优选产品。

 

(2)合理确定减水剂的最佳掺量

 

最佳掺量指的是通过混凝土试配而确定的减水外加剂的掺入量。在满足混凝土性能要求的前提下,掺入量越少越经济。决定掺入量的因素主要有减水剂的品种、减水剂应用的目的、水泥品种、混凝土组成材料及配比、单位水泥用量等。此外,混合材等也影响外加剂的掺量。比表面高、C3A含量高的水泥高效减水剂掺量应多一些。

 

(3)充分考虑外加剂与水泥的双向适应性

 

水泥与外加剂的双向适应指的是在配置混凝土时,不仅要求外加剂适应水泥,同时也要求水泥通过调整其熟料矿物组成、细度及颗粒级配等来适应外加剂。只有二者双向适应了,才能配制出性能优异、施工方便的混凝土。

 

四  结论与展望
 

通过对减水剂在混凝土工程中的应用分析得出结论:水泥与减水剂的相容性,同时受到减水剂、水泥、矿物掺合料、环境等多方面因素的影响,所以可以从这几方面入手综合解决相容性不好这一问题。

 

随着商品混凝土的大量应用,越来越离不开混凝土减水外加剂,它在混凝土工程中发挥的作用大家有目共睹。虽然影响混凝土减水剂与水泥适应性的因素很多,但是只要人们注意到混凝土减水剂与水泥存在适应性的问题,正确选择混凝土减水剂与水泥及掺合料品种等原材料,合理确定混凝土减水剂的最佳掺量并充分考虑减水剂与水泥双向适应性这些问题,通过混凝土配合比设计与试配,合理配制混凝土,混凝土减水剂与水泥适应性就可以较好地得到解决。


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