高效减水剂对水泥砂浆的强化作用

刁文治，赵朋辉

(天津第一市政公路工程有限公司，天津300170)

自美国混凝土协会(ACI)在1990年第一届高性能混凝土研讨会上首次提出并定义了高性能混凝土，至今20多年的时间内，高性能混凝土已广泛应用于工程建设。大型的建设工程不仅要求混凝土具有符合的抗压、抗折、抗拉、抗弯强度，而且要具有高抗冻性、抗渗性、耐腐蚀性、抗碱－骨料反应性、致密性和耐久性，以抵抗各种来自内部或外部因素的破坏;同时还要有合适的流动性、成型及水化性能，以满足多变施工环境和施工条件的要求。

众所周知，在混凝土的制备过程中，通常要在其拌合物中或拌合前掺入一定比例的外加剂，以期改变或改善混凝土性能诸如流动性、和易性、早期强度、抗冻性、抗渗性、水化进程等。尤其是高性能混凝土的发展和应用更是离不开各种高效外加剂的使用。为满足和适应这些要求，世界各国混凝土材料专家进行了大量的研究、开发和应用，不断地研制各种外加剂及其复合应用，使混凝土的性能改善取得了明显成效［1］。

混凝土外加剂中，这些年来特别引人注目的是高效减水剂，它的定义是在不影响混凝土和易性、水泥用量不变的条件下，具有减水和增强作用;或在和易性及强度不变条件下，节约水泥用量的外加剂;一般减水率大于8%的减水剂称之为高效减水剂。减水剂有很多的功能，分为引气型减水剂、早强型减水剂、缓凝型减水剂等。它的开发促进了混凝土的高强超高强化，改善了混凝土的施工性能，使泵送混凝土最高高度达到432 m，实现了连续几十个小时、几十万立方米的大体积的现代化的高速高效施工。同时因具有良好的流动性，混凝土浇筑还能实现无振动无噪声的高效文明施工。由于混凝土拌合水量的大幅度降低，又能获得流动度大(30～60 cm左右，坍落度20 cm以上)，强度达60～140 MPa，耐久性高优质混凝土，因而促进了混凝土技术的迅发展［2］。

1 高效减水剂的作用机理

大部分减水剂是聚合物电解质，相对分子量低，一般在1 500～100 000左右。这些聚合物电解质的碳氢链上带有许多极性官能团如:—SO3H、—COOH、—OH、—NH2、—O—等，其中磺酸基—SO3H主要显示高减水率，氨基—NH2和羧基—COOH等主要显示优良的保坍作用，它们与水颗粒或者水化颗粒的极性表面有较强的亲合力。

带电荷的减水剂通过范德华力或者静电引力或化学键吸附在水泥颗粒表面，带极性基的减水剂也能通过范德华力和氢键的共同作用吸附在水泥颗粒表面，没有与水泥颗粒表面作用的极性基随着氢键伸入液相。所不同的分子结构的减水剂，由于其分子量的大小不同，极性性质也不同，分子的空间构形不同，则其对水泥颗粒分散减水作用力也不尽相同。

混凝土及外加剂专家何廷树等人在对减水剂的分子结构及其在水泥颗粒表面吸附特性进行详细的分析的基础上，将减水剂分散减水作用机理归纳为以下几点:降低水泥颗粒固掖界面能、静电斥力作用、空间阻力作用、水化膜润滑作用、引气隔离“滚珠”作用［3］。

2 试验研究

2.1 原材料(均选自某桥梁工程实例)

(1)水泥:选用普通硅酸盐32.5级水泥。(2)细集料:洁净的中砂，细度模数为2.6～3.0 mm。(3)拌合水:采用自来水。(4)减水剂:选用萘系高效减水剂、聚羧酸系高效减水剂(其最佳参量分别为0.7%、0.8%)。(5)矿物掺合料:硅灰、白胶。

3.2 配合比

以下试验数据均某桥梁工程中心试验室试验记录。

(1)同工作性条件下，不同高效减水剂与空白试验比较水泥砂浆强度有关数据见表1。

表1 水泥砂浆配合比及强度

结论分析:在相同工作性下，两种高效减水剂使水泥砂浆的用水量降低，从而水灰比降低，水泥砂浆的强度得到了明显的提高。

(2)同工作性条件下，改变水泥砂浆成分两种高效减水剂对强化水泥砂浆的作用，试验有关数据见表2。

表2 萘系、聚羧酸系减水剂对不同成分水泥砂浆强度值影响

结论分析:在相同工作性下，高效减水剂与密实性掺合料硅灰的配合使用更加明显的阐述了高效减水剂对强化水泥砂浆的作用;但是当与高分子材料白胶同时使用对改善水泥砂浆的强度没起到明显的作用，说明高效减水剂与高分子材料白胶的不相适应性。

(3)为了进一步说明B阐述的观点进行以下试验:试验数据及结果如表3所示。

表3 降低白胶含量两种高效减水剂对砂浆的强度影响

结论分析:横向比较B与C的试验数据，说明当白胶的含量降低时，高效减水剂的减水效果以及对强化水泥砂浆的作用明显提高，证实B试验的高效减水剂与高分子材料白胶的不相适应性。

(4)同工作性条件下，降低砂灰比两种高效减水剂对强化水泥砂浆的作用，试验有关数据见表4。

表4 水泥砂浆配合比及强度

结论分析:在相同工作性下，降低砂灰比，即水泥砂浆的粘聚性增高，工作性得到改善，两种高效减水剂同样明显的提高水泥砂浆的强度，进一步说明两种高效减水剂对强化水泥石有明显的作用。

3 结论

萘系高效减水剂和聚羧酸系高效减水剂由于综合性能远远优于其他类型的减水剂，目前国内应用最广。在未来的一段时间内，也很难有可以完全替代它们的减水剂的产生。

本文从萘系高效减水剂和聚羧酸系高效减水剂对强化水泥砂浆的作用入手，结合某桥梁工程施工实例，确定了每种减水剂的最佳减水率，并通过大量的试验证明了高效减水剂对强化水泥砂浆有比较明显的作用，试验数据表明:

(1)当降低灰砂比时，水泥砂浆的强度增大，高效减水剂的加入同样的有强化水泥砂浆的作用。

(2)当在水泥砂浆中掺加以硅灰为矿物掺合材时，更能比较明显的提高水泥砂浆强度值，同时也证明硅灰有密实水泥砂浆的作用，进而提高水泥砂浆的强度。

(3)萘系和聚羧酸系这两种减水剂也有其与高分子物质不适应的问题，例如当水泥砂浆为更好的提高其强度值的时候，在其中加入能够增强混凝土粘聚性而提高水泥砂浆强度值的高分子材料白胶的时候，其强度不但没有明显的升高，反而随着白胶的掺量的升高而降低。

(4)结合实际工程实例证明了在单一品种水泥的情况下这两种高效减水剂对强化水泥砂浆的作用，以及在不同成分水泥砂浆中的应用。据有关文献报道，当水泥砂浆掺入白胶时，水泥砂浆的强度会有所增高，但是本文的试验结果却没能证明其结论，因此仍需更多的试验来进一步证明。

［1］熊大玉，王小虹.混凝土外加剂［M］.北京:化工出版社，2000:21－34

［2］唐明.现代混凝土外加剂及掺和料［M］.沈阳:东北大学出版社，1999:14－24

［3］Turcry，P.，Loukili，A.，Barcelo，L.，Casabonne，J.M.，“Can thematurity concept be usedto separate the autogenous shrinkage and thermal deformation of a cement paste at earlyage”［J］;Cement and Concrete Research，Vol.32，N°9

［4］杨静.建筑材料与人居环境［M］.北京:清华大学出版社，1995

［5］李永德，陈荣军，李崇智.高性能减水剂的研究现状与发展方向［J］.混凝土，2002(9)