影響混凝土外加劑與水泥適應性因素的分析

梁天宇

（廣州市建筑科學研究院有限公司，廣東 廣州 510440）

隨著城市建設規模的不斷擴大，商品混凝土飛速發展，高強高性能混凝土在工程中的應用越來越多，混凝土設計除了考慮混凝土強度、耐久性之外，還要注意其施工性能。改善施工性能的主要措施是摻加外加劑，外加劑已成為現代混凝土制備技術和施工技術不可分割的重要組成部分，各種外加劑的應用更是使混凝土材料實現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。

水泥與外加劑不相適應主要表現在：混凝土坍落度經時損失大，混凝土凝結過快，甚至造成混凝土結構出現裂縫等情況，影響混凝土工作性能。如在某高速公路C40和C50預制梁混凝土配合比試配過程中，用某著名品牌的緩凝高效減水劑與某工廠的 P.O42.5水泥試拌，結果發生拌合物板結發熱和流動度損失過快現象。后經查明是該水泥由于采用了無水石膏作為調凝劑，而與減水劑發生嚴重的不相容，才引起流動度損失過快和異常板結。水泥與外加劑適應性不好，可能是外加劑本身質量問題，也可能是水泥品質的原因及施工時使用方法不當造成的。本文將從水泥與外加劑的適應性的主要影響因素和改善措施兩方面來闡述。

1 影響因素

1.1 水泥

1.1.1 水泥的礦物組成對外加劑的影響

加拿大人P.C Aticin［1］認為，水泥中的鋁酸鹽含量與硫酸鹽形態和含量是影響水泥與外加劑適應性的主要因素。水泥中主要礦物成分主要有硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF）等，不同礦物組成主要是由生產水泥的原材料和生產工藝決定的，水泥的礦物組成中對外加劑分子的吸附作用是不一樣的，其吸附順序為 C3A＞C4AF＞C3S＞C2S，可見，鋁酸鹽礦物對外加劑分子的吸附能力大于硅酸鹽礦物，其原因是鋁酸鹽礦物在水化初期動電電位呈正值，因而對外加劑分子的吸附能力較強，而硅酸鹽礦物在水化初期其動電電位呈負值，因此對外加劑分子的吸附能力較弱。在外加劑摻量相同的情況下：［2］水泥中鋁酸鹽礦物含量越高，外加劑的分散效果越差，外加劑對水泥的適應性越差；水泥中硅酸鹽礦物含量越高，外加劑對水泥的適應性越好。

1.1.2 水泥中的堿含量

水泥中堿的存在有助于鋁酸鹽相的溶出，使得水泥粒子對外加劑的吸附量增加，所以隨著水泥堿含量的增加，外加劑的塑化效果變差，而且堿含量的提高還會導致混凝土凝結時間的縮短和坍落度損失的加劇，減弱了高效外加劑的作用。但當可溶性堿的含量過低時，不僅當減水劑劑量不足時坍落度經時損失較快，而且當劑量稍高于飽和點時，會出現嚴重的離析與泌水。水泥中的可溶性堿主要由生產水泥的黏土質原料帶入，通常以Na2O當量表示，即以（Na2O＋0.658K2O）占水泥質量的百分含量表示，這種可溶性堿的最佳含量為0.4%～0.6%。［3］由于水泥廠多采用新型干法工藝生產水泥，這種工藝生產的水泥堿含量較高，這給混凝土堿骨料反應的發生提供了必要條件。

1.1.3 水泥中石膏的形態和摻量

石膏作為水泥的緩凝劑，在水泥生產中用于調節水泥凝結時間，其遇水后溶解為 Ca2＋、SO42－，在水泥水化初期能抑制C3A水化速率，得到水泥和混凝土能所需要的工作性能，因此水泥中硫酸鹽的數量和溶解度至關重要，但不同品質、不同形態的石膏溶解度和溶解速度差異較大，它們對水泥的緩凝作用不同。在水泥生產過程中，水泥磨內溫度偏低時產生半水石膏少，不能抑制C3A的早期水化，導致急凝，與外加劑相容性變差；水泥磨內溫度偏高時幾乎全部二水石膏都轉化為無水石膏，易導致水泥假凝；水泥磨內溫度適當高，使部分二水石膏轉化為溶解速度大的半水石膏，能很好地抑制C3A的早期水化，與外加劑適應性好，石膏中的結晶水越多，水泥和外加劑的適應性越好。三種結晶形態的石膏對木鈣、糖鈣外加劑的吸附能力為：無水石膏＞半水石膏＞二水石膏。因此，石膏的成分、溶解度含量直接影響混凝土的凝結時間，也影響混凝土外加劑與水泥的適應性。

同時水泥中石膏的摻量對外加劑也有影響，石膏摻量宜控制在1.3%～2.5%（以SO3百分比計算），如果石膏摻量不夠或細度不夠，使石膏不能充分溶解，當溶解度含量小于1.3%時，不能阻止水泥快凝，容易產生速凝現象，溶解度含量大于2.5%時，凝結時間的增長也很少。在水泥凝結時間控制范圍內，適當提高水泥中SO3的含量，有利于改善水泥與外加劑的相容性，但適宜的SO3含量應根據水泥中C3A的含量、堿含量、水泥比表面積及生產水泥的品種來確定。［4］

1.1.4 水泥的顆粒細度

水泥顆粒對外加劑分子具有較強的吸附性，在摻加外加劑的水泥漿體中，水泥顆粒越細，比表面積越大，則對外加劑分子的吸附量越大，在相同的外加劑摻量下，對于細度較大的水泥，其塑化效果要差一些。而且水泥顆粒本身具有絮凝的作用，水泥顆粒越細，這種絮凝作用越明顯，破壞這種絮凝所用的外加劑就越多。所以外加劑在相同摻量的情況下，水泥越細，其塑化效果就越差。

1.1.5 水泥的新鮮程度、溫度的影響

一方面由于粉磨時會產生電荷，新鮮的水泥出磨時間短，顆粒間相互吸附凝聚的能力強，正電性強，吸附陰離子表面活性劑多，因此表現出減水劑減水率低，混凝土坍落度損失快的現象。另一方面剛磨出來的水泥溫度很高，當水泥溫度小于70 ℃時，對減水劑的塑化效果影響不大，當水泥溫度超過80 ℃時，對減水劑的塑化效果降低明顯，當水泥溫度更高時，可能會造成二水石膏（CaSO4·2H2O）脫水變成無水石膏，需水量及外加劑吸附量明顯增大，坍落度損失也會明顯加快。所以，新鮮水泥（特別是出廠日期12 d內）具有需水量大、坍落度損失快、易速凝等特點。

1.2 外加劑種類

不同種類減水劑對水泥的適應性也不同，氨基磺酸鹽和聚羧酸鹽系減水劑對水泥適應性好，混凝土坍落度損失較小，但氨基磺酸鹽摻量大時易泌水；萘系高效減水劑與蜜胺樹脂系減水劑對水泥的適應性要差一些，主要表現在混凝土坍落度損失較快。特別是高濃型萘系減水劑（Na2SO4含量低于 5%）遇見“缺硫水泥”時，這種現象更為嚴重。

除了高效減水劑以外，普通減水劑、緩凝劑不同，對不同的水泥其適應性也不一樣。因此，正確使用不同品種緩凝劑及緩凝減水劑是控制混凝土坍落度損失的一個非常重要的方法。

1.3 礦物摻合料的影響

混凝土的礦物摻合料主要有：粉煤灰、礦渣、磷渣、沸石、火山灰、硅灰等。在混凝土中摻入粉煤灰等礦物摻合料，有利于提高水泥漿體的流動性，提高外加劑的使用效果，改善外加劑與水泥間的適應性。由于具有顆粒表面接近球形、活性低、吸水量少、改善顆粒級配等特點，粉煤灰是目前使用最廣泛、效果最好的礦物摻合料。

1.4 骨料級配對適應性的影響

骨料級配越好，外加劑與水泥的適應性就越好。良好骨料級配的混凝土，由于細骨料有效地填充粗骨料間的空隙，使填充骨料間空隙和包裹粗、細骨料所需的水泥漿體減少，節約的水泥漿體用來改善混凝土的流動性，所以外加劑使用效果更好。相反，骨料級配不良的混凝土，即使增加外加劑摻量也無法解決流動性差的問題。

1.5 環境條件的影響

當環境溫度較高時，混凝土表面水分蒸發和水泥的水化反應速度都將加快，而混凝土內部游離水通過毛細管補充到混凝土表面，并被蒸發而減少。由于這兩方面的原因，將使新拌混凝土坍落度損失加快。因此在高溫環境中，需要提高混凝土外加劑的摻量，并采取措施減少混凝土表面的水分蒸發。攪拌及運輸過程中氣泡外溢也會引起坍落度損失。如果混凝土運輸較遠或者澆注速度較慢，則新拌混凝土因水化及水分蒸發會使坍落度損失加快。

2 改善水泥和外加劑適應性問題的措施

水泥與高效減水劑的適應性是影響新拌混凝土工作性的重要因素，長期以來，混凝土工作者在提高減水劑與水泥的適應性方面進行了大量的研究工作，提出了各種改善外加劑與水泥適應性，控制混凝土坍落度損失的方法。

2.1 新型高性能減水劑的開發應用

目前國內外廣泛使用的高效減水劑主要為萘磺酸鹽甲醛縮合物（萘系高效減水劑）和三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物（蜜胺樹脂系高效減水劑），它們的減水率高，但缺陷是與水泥適應性較差，混凝土坍落度損失快。為了克服萘系高效減水劑和蜜胺樹脂系高效減水劑的缺陷，目前國內外研究最多的是氨基磺酸鹽系及聚羧酸鹽系新型高效減水劑。這兩種新型高效減水劑就可以很好地控制混凝土坍落度的損失。

2.2 外加劑的復合使用

通過外加劑的復合使用，提高減水劑與水泥的適應性，從而控制混凝土的坍落度，這是普遍使用的一種簡單而經濟的方法。該方法主要包括：高效減水劑與緩凝劑或緩凝減水劑的復合使用，主要通過緩凝組分的緩凝作用抑制水泥的早期水化反應，從而減小混凝土的坍落度經時損失；減水劑與引氣劑復合使用，主要通過引入大量微小氣泡，增大混凝土拌和物的流動性，同時增大黏聚性，減小混凝土的離析和泌水；減水劑與減水劑的復合使用，通過“協同效應”和“超疊加效應”，提高減水劑與水泥的適應性。［5］

2.3 外加劑的摻入方法

改變外加劑的摻入時間，即采用后摻法、多次添加法等方法，保持混凝土的流動性。在水化反應的整個過程中，保證水泥漿體中外加劑濃度，避免因外加劑數量下降，使大部分新生水化產物未能得到外加劑的吸附，引起水化產物相互搭接而產生凝結。

2.4 適當調整混凝土配合比法

混凝土拌合物初始坍落度值的大小對2 h經時損失速度影響很大。通常初始坍落度值小，坍落度2 h經時損失速度大，而隨著初始坍落度值增大，特別是1 h坍落度經時損失速度減小。因此，對于運程較遠的商品泵送混凝土，如果出現坍落度損失過快，而通過調整外加劑配方及摻量的方法，又不能很好地解決問題，在這種情況下，則可能通過適當調整混凝土配合比（包括漿量多少、砂率大小等），在原坍落度設計值基礎上，在充分保證硬化混凝土的各種性能的前提下，適當增大混凝土初始坍落度，也不失為一種解決工程中緊急事件的應急方法。

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，因此具體采取哪種解決措施就需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、外加劑廠、混凝土拌合物制備單位以及施工單位聯手解決。

3 結束語

對于水泥與外加劑的適應性問題，前人已經做了大量工作，尤其是在對外加劑適應性影響因素方面研究已經取得了很大進步，實驗表明，水泥與外加劑相容性的影響因素眾多，很多因素之間既相互作用又相互依賴，幾乎所有影響水泥與外加劑適應性的因素都與水泥的其他性能有關。本文從影響水泥與外加劑適應性的各種因素入手，探討了改善外加劑適應性的一些可行的措施，希望能對混凝土原材料生產單位、混凝土制備單位以及混凝土施工單位技術人員有所啟示。為避免水泥與外加劑不適應而造成的工程質量問題，應在生產施工前，先根據工程要求及材料特點進行外加劑與水泥適應性試驗，選取合適的原材料及配比進行混凝土生產及施工，將因水泥與外加劑不相適應所造成的工程質量問題降低到最小程度。

1 P.C Aticin等.高效減水劑：如何起作用與為什么有時不好用［J］.美國混凝土學會期刊，混凝土國際，1994（5）

2 陽乾坤、李忠勝.預拌混凝土外加劑與水泥適應性問題的研究及對策［J］.工程質量，2010（08）

3 覃維祖.高效減水劑的作用與發展［J］.混凝土，1994（05）

4 李濤、楊光偉.改善水泥與混凝土外加劑相容性的技術措施［J］.水泥工程，2008（6）