浅谈减水剂与水泥的相容性
发布时间：
2022-09-20 23:19
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1. 前言
混凝土作为一种大宗的建筑材料，在现代建设中有着举足轻重的位置。在混凝土配制中，除了传统混凝土的原料：水泥、石子、砂子以及水以外，外加剂是现代混凝土不可或缺的第五组分。在外加剂中，减水剂是目前应用最广的化学外加剂。减水剂的添加，可以提高新拌混凝土的工作性，在保持相同用水量情况下增大混凝土的流动性，或在保持相同流动性情况下降低单位用水量，从而能提高硬化混凝土的强度，改善混凝土的耐久性。这样能节约水泥，改善施工条件以及提高施工效率。
在实际的工程生产中发现，水泥与高效减水剂之间存在相容性问题，有些水泥掺入高效减水剂后，流动度增加很少，要有相当大的掺量才能使流动度明显增加；有的水泥掺入某些高效减水剂流动度增加很大，但掺入其它高效减水剂流动度增加很少；有的则是坍落度经时损失太大，甚至很快坍落度变为零。加拿大的学者Aiticin用微型坍落度仪测定饱和点值和流动度的经时损失来检测和评价水泥与减水剂的相容性，并最早提出了水泥与减水剂相容性的评价标准：减水剂掺量不大，就到饱和点，且流动度经时变化小，则认为减水剂与水泥的相容性好；反之，则称其相容性差。水泥与减水剂的相容性不仅影响着减水剂应用效果，有时还会导致严重的工程事故和无可估量的经济损失。因此水泥与高效减水剂之间相容性的问题是高性能混凝土所面临的一个重要而且迫切需要解决的问题。
2. 水泥与减水剂的相容性影响因素
2.1 减水剂对相容性的影响
以萘系高效减水剂为例，影响其对水泥塑化效果的因素有磺化度、平均分子量、分子量分布以及聚合度、聚合性质（直链、支链）、减水剂的状态（粉状或液态）等。
2.1.1 磺化度
萘系减水剂在合成时的磺化越完全，则转变为带有磺酸基磺化物的萘环越多，该减水剂的分散作用也越强；如果磺化过程中因湿度、时间、水解过程控制不好，磺化产物中，β—萘磺酸所占比例少，而大量的是多萘磺酸和α—萘磺酸，不仅会影响到产品质量，也会影响到水泥与高效减水剂适应性。
2.1.2 分子量
萘系减水剂的聚合度的多少直接影响其对水泥的分散效果，其最佳聚合度为7~13。
2.1.3 平衡离子
萘系减水剂中存在起中和作用的平衡离子有Na+、Ca2+、MgO2+、NH4+等。平衡离子不同，其分散效果和适应性效果也会有所差异。
2.1.4 状态
在相同质量的条件下，液态减水剂的减水率稍高于固态的减水剂。
2.1.5 浓度
萘系高效减水剂常用品种多为高浓型（硫酸盐含量3%～5%）及低浓型（硫酸盐含量20%左右）两种，它们的应用范围也有一定区别。在正常情况下，高浓型减水剂无论塑化效果或保塑效果都高于低浓型减水剂；但用于碱含量较高的水泥中，高浓型减水剂塑化效果及保塑效果不如低浓型减水剂；用于可溶性碱较少的水泥，使用低浓型减水剂的混凝土，流变性或保塑性都高于高浓型减水剂。
2.1.6 掺加方法
高效减水剂的掺加方法一般有先掺法、同掺法、滞水法及后掺法几种。大量的试验表明高效减水剂后掺法（包括滞水法）能克服浆体在运输过程中的分层离析以及混凝土坍落度的经时损失，塑化效果好。日本的服部健一等指出在配合比和流动性相同的情况下，后掺法的减水剂用量仅为同掺法的60%左右。
采用后掺法（包括滞水法）掺入高效减水剂，当高效减水剂掺入的时候，水泥已经经过一定时间的预水化， C3A表面形成一定量的钙矾石，高效减水剂吸附在其表面，在整个施工过程中这种状况变化不大。后掺法（包括滞水法）掺入高效减水剂时，水泥浆体中的胶粒较大，比表面积较小（几粒水泥凝在一起），故对水泥的吸附量也较小。
先掺法和同掺法也许存在着分散不均匀的问题，另外，部分用先掺法和同掺法掺加的高效减水剂是否被一层层包裹在水泥熟料的水化产物内部，从而使得游离的高效减水剂数量减少，对水泥浆体的分散作用下降，这也是值得探讨的一点。
3. 水泥对相容性的影响
水泥是决定相容性好坏的主要因素，并且它的作用效果不受减水剂品种与品质的影响。作为水泥生产与消费大国，从水泥工艺学角度研究各工艺环节对相容性的影响，大量生产出与减水剂相容性良好的水泥，对提高我国混凝土质量、降低建筑工程造价以及节能减排均具有重大意义。
3.1 熟料矿物组成的影响
水泥熟料中的四大主要矿物成分为C3S、C2S、C3A、C4AF.这四种矿物成分的水化速率为C3A>C4AF>C3S>C2S，相关研究表明着四种矿物成分对水泥的吸附能力也是C3A>C4AF>C3S>C2S，即铝酸盐矿物对高效减水剂的吸附能力大于硅酸盐矿物。由于水化速度快、比表面积大，C3A和C4AF特别是C3A对减水剂的吸附量大，这就降低了减水剂的减水作用，所以C3A含量高的水泥与减水剂的相容性最差，而C2S和C3S特别是C2S与减水剂相容性最好。
3.2 调凝剂石膏的影响
在混凝土中掺加石膏的目的主要是调凝，石膏与C3A作用生成钙矾石覆盖于C3A颗粒表面，从而延缓C3A早期水化速率，减少对减水剂的吸附。在水泥中常用的石膏有硬石膏（CaSO4）、半水石膏（CaSO4·1/2 H2O）和二水石膏（CaSO4·2H2O）。这些石膏的溶解速率和溶解度不同，所以对水泥缓凝作用不同。硬石膏的溶解度较低，溶解速度较慢， SO42-的浓度不足以控制C3A的快速水化，C3A的水化产物快速生成，吸附了大量的高效减水剂，使浆体的流动度降低。
二水石膏的溶解速度适中，高效减水剂的加入，可提高水泥浆体的流动性。因此，一般而言，掺二水石膏的水泥与高效减水剂的相容性要比掺无水石膏或半水石膏的水泥好。
3.3 含碱量的影响
水泥的碱含量主要是指水泥中Na2O和K2O的含量，他们主要以硫酸盐、铝酸盐及铁铝酸盐、硅酸盐形式存在，碱的存在使水泥标准稠度用水量增大凝结加快，早期强度提高而后期强度降低，这主要是因为水泥浆体系中游离碱对C3A的溶出起促进作用，增大了减水剂的吸附量，而使水泥与减水剂的相容性变差。
3.4 混合材的影响
我国绝大多数水泥都掺加了一定量的混合材，主要有火山灰、粉煤灰、高炉矿渣、煅烧煤矸石等实验表明加入混合材能改善水泥与高效减水剂的相容性。主要因为加入了混合材使得C3A的相对含量降低，这样就降低了C3A对于高效减水剂的吸附量，较多的减水剂就能发挥作用。混合材的品种、性质和掺量不同，对相容性表现出来的改善效果不一样，对水泥与减水剂相容性的影响亦不同。比表面积大具有多孔结构的混合材对减水剂分子的吸附量大，使得水泥与减水剂的相容性降低。高炉矿渣是一种玻璃质材料，无空洞不吸收水分，他可以显著改善水泥与减水剂之间的相容性。粉煤灰中含有大量表面光滑的玻璃微珠，特别是当实心球多时可减少混凝土的需水量；另外粉煤灰具有一定的缓凝作用可避免过早地形成水泥骨架结构，有利于浆体流动性改善。对掺加火山灰或煅烧煤矸石作为混合材的水泥，塑化效果较差。
3.5 水泥细度和颗粒分布的影响
水泥的颗粒分布对水泥与减水剂的适应性影响包括两方面：一方面，水泥均匀性系数大时，颗粒分布范围窄，其堆积空隙率大，需要更多水来填充这些空隙，自由水相应减少，外加剂掺量大，水泥与外加剂适应性差。均匀性系数小时，情况正好相反；另一方面，水泥颗粒平均粒径小时，水泥中细粉较多，比面积较大，水泥与聚羧酸系减水剂相容性不好。
3.6 水泥的粉磨温度
水泥粉磨温度高，二水石膏脱水成半水石膏和硬石膏，而半水石膏和硬石膏溶解度下降，不能有效阻止C3A快速水化，减水剂的塑化效果差，混凝土坍落度损失大，水泥与聚羧酸系减水剂的相溶性差，控制粉磨温度在110～120℃为宜，水泥出厂温度高，水泥水化速度快，水泥与聚羧酸系减水剂的相溶性差。
3.7 水泥的新鲜度的影响
水泥的新鲜度是一个与水泥储存时间、环境的温度、湿度有关的概念。龙肖娟等研究了水泥的新鲜度与高效减水剂的相容性，指出陈放时间对水泥与高效减水剂的相容性具有显著的影响。随着陈放时间的增加，水泥与高效减水剂的相容性将得到改善。水泥存放时间越短，水泥的活性越大，减水剂对其塑化效果越差。新鲜水泥在生产12天内对外加剂吸附量较大，这是由于新鲜水泥干燥度高，早期水化快，水化时发热量大，所以需水量大，对外加剂的吸附量也大。
3.8 水泥的煅烧气氛和煅烧温度
水泥可以在正常或还原煅烧气氛下煅烧，吴笑梅等做了相关研究指出，与正常煅烧气氛下烧制相同化学成分的熟料相比，还原气氛条件下烧制的熟料其磨制的水泥与减水剂的相容性较差，具体体现在饱和点与流动性经时损失均增大，还原气氛条件下，熟料烧成温度低，冷却效果差，C3A矿物的实际含量大幅度增加，这是导致水泥与减水剂相容性变差的主要原因。
不同温度烧成的熟料表现出的性能不同，高温快烧的熟料，与聚羧酸系减水剂相容性好。低温烧成的熟料，硅酸盐矿物活性较差，水泥强度较低，与聚羧酸系减水剂相容性差。
3.9 不同窑型熟料
熟料可以在不同窑型的窑中烧制，立窑水泥在与高效减水剂配合使用时，效果往往不如回转窑水泥，主要表现为减水率波动大、拌合物坍落度损失变化大及凝结时间不正常等。其主要原因是立窑水泥在配料时一般硅率较小（一般n < 2），使得煅烧出的熟料中C3A、C4AF含量较高，与高效减水剂的相容性不好。另外，由于水泥立窑的煅烧温度较低，晶体生长不完善， f-CaO含量比较高（平均f-CaO大于3）。而回转水泥的硅率一般都较大（n >2），熟料中C3A、C4AF含量较低，并且由于煅烧温度高， f-CaO含量较小（平均f-CaO<1.5）。由于f-CaO在水泥浆体中是带正电的，它能强烈地吸附高效减水剂，从而降低了其与高效减水剂的相容性。但也有研究表明在硅率相近的条件下，优质立窑水泥与回转窑水泥配制的混凝土减水率相差不大。
4. 环境对相容性的影响
环境主要是指在混凝土拌合时拌合物的性能对水泥与减水剂相容性的影响，主要包括混凝土拌合物自身的参数，水灰比、集料种类和级配等。
由于高强混凝土水胶比较低，水泥与高效减水剂有关的许多因素的影响作用都被加重了。普通混凝土用水量为160~200kg/m3。高强高性能混凝土用水量为120~160kg/m3。在这种条件下，水泥和给定的高效减水剂之间的相容性也会发生不利的影响。当用水量较小时，在新拌混凝土中出现的各种作用必须争夺水分子（表面湿润，水泥水化，电解质的溶液化和水合作用），由于孔隙水量限，在普通混凝土（W/C=0.50）中发生的化学反应必然受到强烈的干扰，在这种条件下，水泥和给定的高效减水剂之间适应性也会发生不利的影响。
级配也将明显地影响到高效减水剂对水泥的分散效果。
5. 改善减水剂与水泥适应性的措施
在实际工程应用中，只有当水泥与外加剂的适应性好时，才能配制出性能优异，施工方便的混凝土。从影响减水剂与水泥的适应性因素出发，无论是外加剂厂还是水泥厂都必须采取必要的措施来减少减水剂与水泥不相容的现象发生。
对于减水剂厂家应该在合成的过程中注意减水剂本身的特性，控制好分子量，链长，对于萘系的减水剂，要控制好磺化度，以保证减水剂的分散效果。在掺加减水剂时选择后掺法。
对于水泥生产厂家，应该选择合适的窑型（回转窑）；选择合适的煅烧气氛和煅烧温度；粉磨温度要保持在110~120℃为宜；生产要保证水泥的生产量，刚生产的水泥要放一段时间再投入使用；选择优质的二水石作为调凝剂，控制硫酸盐的溶解速率；控制水泥熟料中C3A的量，减少对减水剂的吸附；控制水泥中的含碱量；并选择合适的混合材。
但是减水剂与水泥之间的适应性是一个错综复杂的问题，不是简单的因素单独作用的影响，各种因素之间还会相互影响。我们不能仅从理论上来分析水泥与减水剂的相容性问题，在使用之前要做好试验，对于施工现场遇到的问题，也应该用试验的方法去解决.
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