一种聚醚型聚羧酸减水剂对石灰石粉复合胶凝材料的适应性研究

■李凌峰，钟志强，吴文杰，张智强

■1.南川区规划研究服务中心，重庆 408400;2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045

近年里，我国各地都在进行大规模的基础设施建设。建设工程对混凝土的要求也趋向于高工作性能和高强度化，而想要达到以上性能要求可以采用“双掺技术”，即掺加高效减水剂和矿物掺合料。常用的矿物掺合料为粉煤灰、矿渣、硅灰等等。其中随着矿物掺合料在建设工程中的大量使用，粉煤灰和矿渣这两种矿物掺合料逐渐面临紧缺的局面，因此其价格也逐渐上涨，急需找到一种资源丰富、分布广泛、优质价廉的矿物掺合料来弥补现今矿物掺合料较为紧缺且价格较高的这种局面。

在生产石灰石骨料的过程中，产生了大量的石灰石粉屑，如果不能将其合理利用，既污染环境，又造成资源浪费。石灰石粉已经作为水泥混合材和混凝土矿物掺合料应用于建筑工程，这符合吴中伟院士提出的绿色建材的观念，有利于建筑业的可持续发展。石灰石粉能够促进水泥水化，提高早期强度，改善混凝土的工作性能、力学性能和某些耐久性能［1-6］。

随着混凝土工业发展，减水剂已经成为混凝土中重要的组成部分。高效减水剂的应用能够带来良好的社会经济效益。减水剂与水泥以及掺合料之间的适应性是否良好对混凝土性能的影响很大，若适应性好，能够改善混凝土的工作性能，提高混凝土的力学性能以及耐久性能。对此，国内外学者在减水剂与水泥适应性的问题上已经做了大量研究［7-11］。但是，关于减水剂与掺合料之间的适应性问题以及掺合料的加入对减水剂与水泥的适应性影响研究还不够全面深入。因此，因地制宜地探索掺加不同掺合料的胶凝材料体系与减水剂的相容性规律，对工程实践有着重要的指导意义。

本文主要研究了一种聚醚型聚羧酸减水剂与水泥、单掺石灰石粉、以及复掺石灰石粉—粉煤灰、石灰石粉—矿渣和石灰石粉—硅灰的胶凝材料体系的适应性的影响规律。

1 试验材料与试验方法

1．1 试验材料

1．1．1 水泥

试验采用拉法基生产的42.5R普通硅酸盐水泥C1，水泥细度见表1。

表1 水泥的筛余量

水泥的化学成分以及矿物成分组成分别见表2和表3。

表2 水泥的化学成分分析

表3 水泥的矿物组成分析

1．1．2 石灰石粉及其他矿物掺和料

石灰石粉使用重庆某建材厂生产石灰石骨料时产生的石灰石粉屑磨细制成，其化学成分见表4。其他矿物掺合料选用的是重庆珞璜电厂生产的Ⅱ级粉煤灰和重庆钰宏再生资源有限公司生产的S95级矿粉以及重庆新材股份有限公司提供的硅灰，这三种矿物掺合料的化学成分见表4。

表4 矿物掺合料的化学成分

1．1．3 高性能减水剂

本次实验采用的减水剂为重庆某建材厂提供的聚醚型聚羧酸减水剂PC-1(固含量为30%)，减水率为29%，推荐掺量为胶凝材料总量的0.6%-1.2%。

1．1．4 拌合用水

使用重庆市自来水公司的自来水，符合JGJ63要求。

1．2 试验方法

1．2．1 水泥净浆流动度的测定

水泥净浆流动度试验按照GB/T 8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行，水灰比为0.29，误差控制在5mm范围内。

本试验采用水泥净浆流动度法，以减水剂掺量饱和点、水泥净浆初始流动度和流动度经时损失来评价减水剂与胶凝材料的适应性和相容性。试验步骤按照上面所述标准进行，分别测定水泥净浆初始流动度和静置60min后的水泥净浆流动度。各种胶凝体系中矿物掺合料的掺量如下表5。搅拌方法按照JC/T729-2005《水泥净浆搅拌机》进行。

表5 矿物掺合料用量

2 试验结果与讨论

2．1 聚醚型聚羧酸减水剂与水泥胶凝体系的适应性

从图1可以看出，随着外加剂掺量从0.6%增加到1.1%，胶凝体系的初始流动度逐渐增加，在1.1%时达到最大值320mm，当外加剂的掺量在1.2%时，胶凝体系的初始流动度有略微的降低，故外加剂掺量的饱和点为1.1%。胶凝体系的60min流动度较初始流动度均降低，在外加剂掺量为1.1%时，流动度经时损失比较小且60min流动度比较大。故在聚羧酸系高效减水剂与水泥胶凝体系中，外加剂的掺量在1.1%时，胶凝体系的初始流动度大，流动度经时损失小，聚醚型聚羧酸系减水剂与水泥胶凝体系的适应性好。

图1 聚羧酸系高效减水剂与水泥胶凝体系的适应性表现

2．2 聚醚型聚羧酸减水剂与石灰石粉—水泥胶凝体系的适应性

由图2中可以看出，当外加剂的掺量从0.6%增加到1.0%的过程中，胶凝体系的初始流动度从280mm增加到320mm，随着外加剂掺量的继续增加，体系的初始流动度反而有所降低，外加剂掺量的饱和点为1.0%。胶凝体系的60min流动度较初始流动度均有所降低，在外加剂饱和点1.0%时，胶凝体系的流动度经时损失为10mm，故在聚羧酸系高效减水剂与石灰石粉-水泥胶凝体系中，外加剂掺量为1.0%时，胶凝体系的初始流动度较高，流动度经时损失较小，外加剂与体系的适应性较好。

图2 聚羧酸系高效减水剂与石灰石粉—水泥胶凝体系的适应性表现

2．3 聚醚型聚羧酸减水剂与石灰石粉—粉煤灰—水泥胶凝体系的适应性

由图3中可以看出，随着减水剂的掺量从0.6%增加到1.0%，胶凝体系的初始流动度增加，在 1.0%时达到最大值320mm，随着减水剂掺量的继续增加，胶凝体系的初始流动度有一定程度的下降，外加剂掺量的饱和点为1.0%。胶凝体系的60min流动度都有所降低，在外加剂掺量为0.7%时胶凝体系的流动度损失最小，但是60min流动度值比1.0%时小。故在聚羧酸高效减水剂与石灰石粉—粉煤灰—水泥胶凝体系中，外加剂掺量为1.0%时，胶凝体系的初始流动度较大，流动度经时损失较小，适应性较好。

图3 聚羧酸高效减水剂与石灰石粉—粉煤灰—水泥胶凝体系的适应性表现

2．4 聚醚型聚羧酸减水剂与石灰石粉—矿渣—水泥胶凝体系的适应性

由图4可以看出，随着外加剂的掺量从0.6%增加到0.9%，胶凝体系的初始流动度从340mm增加到350mm，但是随着外加剂掺量的继续增加，初始流动度发生较大幅度下降，外加剂掺量的饱和点为0.9%。胶凝体系的60min流动度值较大，其中在外加剂掺量为0.9%时，胶凝体系的流动度经时损失为最小值10mm。故在聚羧酸高效减水剂与石灰石粉-矿渣-水泥胶凝体系中，外加剂掺量为0.9%时，胶凝体系的初始流动度最大，流动度经时损失最小，聚羧酸高效减水剂与石灰石粉—矿渣—水泥胶凝体系的适应性最好。

2．5 聚醚型聚羧酸减水剂与石灰石粉—硅灰—水泥胶凝体系的适应性

图4 聚羧酸高效减水剂与石灰石粉—矿渣—水泥胶凝体系的适应性表现

从图5中可以看出，当外加剂掺量从0.6%增加到0.7%时，胶凝体系的初始流动度有所增加，但初始流动度值均不大，随着外加剂掺量的继续增加，流动度值减小，外加剂掺量在0.7%时达到饱和点。胶凝体系的60min流动度值均较小，经时损失比较大，浆体的宏观表现为不流淌。故在聚羧酸高效减水剂与石灰石粉—硅灰—水泥胶凝体系中，胶凝体系的初始流动度低，流动度经时损失较大聚羧酸高效减水剂与石灰石粉-硅灰-水泥胶凝体系的适应性比较差。

图5 聚羧酸高效减水剂与石灰石粉—硅灰—水泥胶凝体系的适应性表现

3 机理分析

外加剂与复合胶凝材料体系的适应性影响因素主要有以下几个方面:

(1)外加剂的种类、掺量以及掺加工艺;

(2)净浆的搅拌工艺、时间与速度;

(3)水泥的矿物组分、碱含量、细度以及石膏的形态和掺量等;

(4)掺合料的种类和掺量;

本次试验条件下主要研究掺合料的种类对外加剂与复合胶凝材料体系的适应性影响。

石灰石粉的掺入，能够改善体系的适应性;这主要是由于掺入的石灰石粉发挥了良好的形态效应和填充效应。石灰石粉的主要化学成分为CaCO3，掺加石灰石粉取代部分水泥，可以减少水泥中C3A和C4AF的含量，减少水泥熟料对高效减水剂的吸附作用。石灰石粉水化活性低，部分水分包裹在其颗粒表面，不参加水化反应。因此，水泥掺合料体系的减水剂饱和点值相应减少，并增加了游离水和游离减水剂的数量，使水泥浆体的流动度增大，减少了流动度损失。

虽然粉煤灰的掺入使得胶凝材料中的水泥含量降低了，但是粉煤灰的比表面积比较大，且Ⅱ级粉煤灰中多为未燃烬的炭粒子，则具有多孔结构，会吸附大量的减水剂和水分，因而使其相容性略微增加。矿渣的掺入使得胶凝材料中水泥的含量降低了，且矿渣对减水剂的吸附量较小，故改善了体系的适应性。硅灰的比表面积比较大，掺入后吸附了大量的外加剂，使得游离水和游离减水剂的数量大量的减少，水泥水化加快，体系的流动度减小，适应性变差。

4 结论

(1)石灰石粉的掺入，能够提高体系的初始流动度，降低外加剂的饱和点，减少流动度经时损失，从而改善聚羧酸高效减水剂与水泥胶凝体系的适应性。(2)粉煤灰和矿渣的掺入，均能降低聚羧酸高效减水剂与石灰石粉-水泥胶凝体系中外加剂的饱和点;其中矿渣掺入后，初始流动度增大比较明显，且流动度经时损失比较小，聚羧酸高效减水剂与石灰石粉—矿渣—水泥胶凝体系的适应性最好。(3)硅灰由于其比表面积过大，对减水剂的吸附量大，从而使得聚羧酸高效减水剂与石灰石粉—硅灰—水泥胶凝体系的适应性变差。

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