改進(jìn)型MG減水劑對水泥及混凝土性能影響研究

楊朋，王雪蓮，錢曉麗，任志福，劉艷紅，韓玉梅，劉艷新，彭峰，余景良

（廣州航海學(xué)院 航務(wù)工程學(xué)院，廣東 廣州 510725）

為了節(jié)約材料和提高混凝土的性能，減水劑的使用非常普遍[1-3]。普通減水劑是一種以木質(zhì)素磺酸鈣為代表的第一代減水劑產(chǎn)品，是一種陰離子表面活性劑。常用的普通減水劑包括木質(zhì)素磺酸鈣減水劑（簡稱木鈣減水劑）和木質(zhì)素磺酸鈉減水劑（簡稱木鈉減水劑），此外尚有木質(zhì)素磺酸鎂減水劑（簡稱木鎂減水劑）。這三種減水劑雖然均存在木質(zhì)素磺酸鹽成分，但分子結(jié)構(gòu)和分子量卻不同。由于常用普通型減水劑一般具有一定的減水、緩凝和引氣等性能，所以，在減水劑生產(chǎn)企業(yè)除用作普通減水劑外，還用于配制中效泵送劑和緩凝型高效減水劑。當(dāng)緩凝劑或早強(qiáng)劑摻入普通減水劑后，將成為緩凝型普通減水劑和早強(qiáng)型普通減水劑。如對普通減水劑采取進(jìn)一步脫醣、改性等技術(shù)手段，可顯著地提高其對混凝土各方面性能的影響[4-6]，成為高效減水劑。

MG減水劑是20世紀(jì)50年代從蘇聯(lián)引進(jìn)的,從亞硫酸鹽紙漿廢液中提取物的,主要成分是木質(zhì)素磺酸鹽的減水劑。分子式為，常以40%～50%的濃縮液出售。MG是一種棕色粉狀物質(zhì)，磺酸鈣約占60%；醣含量小于12%，灰分約占14%，氧化鈣約占8%。MG減水劑具有無毒、呈棕色至暗色的溶液。溶液干燥成粉劑后，具有吸濕能力強(qiáng)、易溶于水的性質(zhì)。改進(jìn)型MG減水劑是一種能延緩水泥的凝結(jié)時間、具有引氣功能、減水率在8%左右、環(huán)保性能很好的普通減水劑。雖然它的摻入能提高拌合物的含氣量和改變水泥石的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，但它卻存在氣泡的直徑大、穩(wěn)定性很差、經(jīng)常可以用肉眼非常清楚地觀察到大量氣泡在拌合物中破裂、消失的現(xiàn)象，加之孔分布不均勻的問題，所以這種含氣量（一般為2%～5%）除能降低混凝土的強(qiáng)度外[7-8]，還有損于構(gòu)件的表觀及其抗凍性，在混凝土中害大于利。但可通過摻消泡劑（如磷酸三丁脂等物質(zhì)）的方法消除拌合物中部分氣泡。基于以上，筆者通過試驗改進(jìn)型MG減水劑對水泥及混凝土性能影響進(jìn)行了一系列研究。

1 MG減水劑減水原理

1.1 當(dāng)拌合物中摻入減水劑后將改變水泥漿的結(jié)構(gòu)

①水泥顆粒在水泥漿中熱運(yùn)動的作用

眾所周知，任何物質(zhì)的分子無時不在運(yùn)動著。在基準(zhǔn)拌合物中，水泥顆粒在水泥漿中作熱運(yùn)動時，往往會在棱角和邊界處互相碰撞。碰撞的概率和強(qiáng)度，與水泥漿濃度成正比。碰撞的結(jié)果，必然粘結(jié)在一起,或多或少地形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

②巨大的表面能作用

水泥顆粒的平均粒徑為20μm～30μm。由于該種顆粒具有巨大比表面積，與水泥顆粒表面的多棱角性和粗糙特性，為水泥顆粒提供了巨大的表面能和相觸的機(jī)會。

③顆粒間的靜電吸附作用

由于在煅燒熟料過程中，C3A和C3S吸儲著巨大的熱能，當(dāng)這兩種水泥顆粒遇水時，將迅速生成（分別）水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣。這兩種水化產(chǎn)物包裹到水泥顆粒表面后，使鋁酸鈣顆粒表面帶正電荷，而使硅酸鈣顆粒表面則帶負(fù)電荷。不同電荷顆粒在水泥漿中相遇時，將產(chǎn)生靜電（電荷）吸力。

④水泥早期水化產(chǎn)物形成的絮凝狀物質(zhì)

早期生成的上述水化產(chǎn)物尺度均以納米計，這樣極微細(xì)的顆粒亦會互相編織在一起形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。減水劑分子會吸附到水化產(chǎn)物顆粒的表面，水泥顆粒的多棱角性、巨大的表面能和范德華爾力的作用，使水泥在水泥漿中極易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖。MG減水劑是一種水溶性電解質(zhì)物質(zhì)。它摻入拌合物后，磺酸鹽等組分所電解產(chǎn)生的SO3-2，將吸附到水泥顆粒（含水化層）表面,使顆粒表面帶負(fù)電荷。同性電荷所產(chǎn)生的斥力，將破壞已形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。對于那些尚未成網(wǎng)的顆粒，避免了成網(wǎng)的發(fā)生。

1.2 改變水泥顆粒在水泥漿中的性態(tài)

當(dāng)水泥漿中摻入減水劑后，在水泥顆粒表面將形成一層溶劑化薄膜。該薄膜能提高水對水泥顆粒的濕潤—潤滑能力，降低水泥顆粒在水泥漿流動時的摩擦阻力。

1.3 降低溶液的表面張力

當(dāng)拌合物中摻入MG減水劑后，將降低溶液的表面張力。其結(jié)果將在拌合物中形成直徑不等、分布不勻、穩(wěn)定性較差、較易破裂的氣泡。這些氣泡將牢固地吸附到水泥顆粒表面。帶負(fù)電的減水劑分子，除吸附到水泥顆粒表面外，還能吸附到氣泡表面，使水泥顆粒和氣泡表面均帶負(fù)電荷，大大增強(qiáng)了水泥顆粒在拌合物中的電性斥力。

MG減水劑對不同水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量和凝結(jié)時間的影響 表1

減水劑對不同水泥的塌落度的影響 表2

2 試驗材料和試驗方法

2.1 試驗材料

本試驗水泥為P.O 32.5普通硅酸鹽水泥（土立窯水泥）和P.O 42.5號抗硫酸鹽水泥；

減水劑：改進(jìn)型MG減水劑，粉劑，推薦摻量0.2%～2.0%；

水：符合要求的自來水。

2.2 試驗方法

試驗方法均參照以下規(guī)范：《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》（GB/T 1346-2011E）、《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）、《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002）。

3 改進(jìn)型MG減水劑性能研究

3.1 MG減水劑摻量對硅酸鹽水泥和抗硫酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量和凝結(jié)時間的影響

減水劑摻量對硅酸鹽水泥和抗硫酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量和凝結(jié)時間的影響結(jié)果見表1?？梢钥闯觯沽蛩猁}水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量明顯小于硅酸鹽水泥。由于：①水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量與熟料礦物組成密切相關(guān)，并存在下列關(guān)系：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S；在抗硫酸鹽水泥熟料中需水量較小的C2S含量比硅酸鹽水泥大得多；而需水量大的C3A和C3S含量又比硅酸鹽水泥小得多；所以，抗硫酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量，明顯小于硅酸鹽水泥。抗硫酸鹽水泥的凝結(jié)時間明顯長于硅酸鹽水泥。所以抗硫酸鹽水泥的凝結(jié)時間明顯比硅酸鹽水泥長；水泥凝結(jié)時間隨減水劑摻量的增加而延長。初凝延長40min～2h，終凝延長3h～10h；摻0.3%和0.4%MG減水劑時，抗硫酸鹽水泥的凝結(jié)時間出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，亦可能與熟料的礦物組成有關(guān)。

3.2 改進(jìn)型MG減水劑對硅酸鹽混凝土塌落度的影響

塌落度試驗時需要控制在范圍內(nèi)。具體數(shù)據(jù)見表2。上述數(shù)據(jù)證明：MG減水劑的確具有提高拌合物流動度的功能。提高流動度的值與減水劑摻量成正比。在基準(zhǔn)水泥漿中的水泥顆粒表面，一方面均包裹著一層溶劑化薄膜，另一方面顆粒間可能形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由大小不同、數(shù)量不等的水泥顆粒所聯(lián)結(jié)，結(jié)點的強(qiáng)度取決于水泥漿濃度，成正比關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)中間空穴束縛著小部分拌合水。減水劑具有使溶劑化薄膜的電性轉(zhuǎn)變成負(fù)電荷的能力。如果顆粒表面均轉(zhuǎn)變成負(fù)電荷，則面同性電荷而破壞（拆開）顆粒間的聯(lián)接。若想破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，必須使斥力大于顆粒間的接點強(qiáng)度，斥力的大小隨減水劑的增加而提高。當(dāng)摻入減水劑后，減水劑首先破壞節(jié)點強(qiáng)度最弱的那部分網(wǎng)絡(luò)，隨著摻量的增加，節(jié)點強(qiáng)度較強(qiáng)和強(qiáng)的部分節(jié)點相繼被破壞，網(wǎng)絡(luò)破壞所釋放的自由水起著提高拌合物塌落度的作用。

試驗證明，由于初次加入的減水劑，能明顯地提高負(fù)電荷量，顯示出能較明顯地提高拌合物的塌落度。續(xù)后摻加的減水劑，由于負(fù)電荷量、斥力的提高值逐漸降低，所以釋放的自由水量亦相應(yīng)地降低。因此，提高塌落度的值亦隨之減少。就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行下去，使塌落度與減水劑摻量形成冪函數(shù)曲線。當(dāng)減水劑產(chǎn)生的斥力與水泥顆粒在水泥漿中所產(chǎn)生的引力處于基本平衡前，曲線出現(xiàn)拐點（作者定義為與橫坐標(biāo)成45°切線點的摻量）。該拐點的摻量，作者稱其為飽和點摻量。大量M減水劑摻量與減水率關(guān)系曲線中證明：與減水劑摻量成45°切線點的摻量為飽和點摻量是正確的，能取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，對于早期水泥來說，飽和點摻量在0.25%～0.35%之間。

3.3 改進(jìn)型MG減水劑對實際減水率和實際抗壓強(qiáng)度比的影響

MG減水劑對實際減水率和實際抗壓強(qiáng)度比的影響見表3。硅酸鹽水泥拌制水泥漿濃度為1.82的拌合物，當(dāng)摻入MG減水劑后，飽和點（減水劑摻量為0.4%）前的實際減水率在5.3%～13.2%之間，并具有隨摻量的增加而提高的規(guī)律。說明MG與硅酸鹽水泥具有非常好的相容性。表3顯示的實際抗壓強(qiáng)度比在102.7%～106.3%之間的數(shù)據(jù)說明，當(dāng)用硅酸鹽水泥拌制的拌合物，摻入MG減水劑后，雖然水泥用量降低了5.3%～13.2%，但混凝土的強(qiáng)度不但沒有降低，反而略有提高（劈裂抗拉強(qiáng)度亦有類似的結(jié)果）。從該結(jié)果可以推論出：水泥用量與混凝土強(qiáng)度之間不存在依存關(guān)系。對于超過飽和點摻量的混凝土，過量引氣，對強(qiáng)度將產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響，不應(yīng)屬于此范圍。

4 結(jié)語

改進(jìn)型MG減水劑是生產(chǎn)中、低強(qiáng)度等級商品混凝土最具競爭力的減水劑，適用于普通混凝土和鋼筋混凝土。最適宜用于大體積混凝土、灌注樁、人工挖孔樁和夏季施工等。改進(jìn)型減水劑可與糖蜜減水劑、高效減水劑配制成緩凝劑、泵送劑和緩凝高效減水劑等緩凝型復(fù)合減水劑；適用于要求塌落度損失小的拌合物，但改進(jìn)型MG減水劑不適用于澆筑高強(qiáng)或超高強(qiáng)混凝土。

減水劑摻量對實際減水率和抗壓強(qiáng)度比的影響 表3