保水剂粒径和膨胀剂掺量对水泥凝结时间的影响

张少华，王起才，2，张戎令，2，祁璐帆，徐瑞鹏（.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州　730070；2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃兰州　730070）



保水剂粒径和膨胀剂掺量对水泥凝结时间的影响

张少华1，王起才1，2，张戎令1，2，祁璐帆1，徐瑞鹏1
（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070；2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃兰州730070）

摘要钢管混凝土中使用的水泥需具有较长的凝结时间。本文在测得不同粒径保水剂的保水率后，通过改变膨胀剂的掺量和保水剂的粒径，得到了在添加0. 6％柠檬酸缓凝剂和1. 2％萘系减水剂情况下，达到水泥最佳凝结时间的膨胀剂掺量和保水剂粒径。试验结果还表明:当膨胀剂的掺量一定时，水泥的凝结时间随着保水剂粒径的改变而改变，当粒径为0. 6～0. 9 mm时最长；当保水剂粒径一定，膨胀剂掺量从4％升高至8％时，水泥的凝结时间也相应提高。

关键词钢管混凝土；凝结时间；保水剂；粒径；膨胀剂；掺量

混凝土外加剂改善了混凝土的性能［1］。近年来，在外加剂的实用性方面进行了许多研究，如邓宗才等［2］针对不同外加剂和外掺料进行了高性能混凝土徐变性能试验，提出了计算其徐变系数的参考公式；姜晓妮等［3］探讨了混凝土外加剂中不同组分对水泥凝结时间的影响，并分析了其影响机理；张戎令等［4］通过复配外加剂对高性能混凝土相容性试验及收缩性能的对比试验，提出了外加剂的最优掺量；陈明等［5］研究了膨胀剂在钢管混凝土中的膨胀作用。

钢管混凝土中的水泥需具有较好的和易性和较长的初凝时间，因此在混凝土中添加了减水剂和缓凝剂。为了防止钢管混凝土内钢管与混凝土发生脱粘，还需在混凝土中加入一定量的膨胀剂。但膨胀剂发挥作用需要水的参与，而现在的混凝土的水灰比都较小，高强混凝土一般水灰比在0. 3左右，此时混凝土的膨胀率与高水灰比混凝土相比明显减小［6］，因此需要在其中加入适量的保水剂。保水剂不会吸收水，只是暂时对水做了一个收纳，以防止水化反应太快消耗掉大量的水，影响膨胀剂发挥效果。然而，在混凝土中加入了减水剂、缓凝剂、膨胀剂和保水剂后，它们共同作用对水泥的凝结时间产生的影响尚不明确。本文通过在确定减水剂和缓凝剂含量的情况下，加入不同粒径的保水剂和不同掺量的膨胀剂，研究了4种外加剂共同作用对混凝土的凝结时间产生的影响。

1　原材料及试验

1. 1原材料

对试验所用原材料的性能进行了实测。试验采用P. O42. 5水泥，其性能指标见表1；减水剂为萘系减水剂；膨胀剂为UEA-H膨胀剂，其性能指标见表2；保水剂为聚丙烯酰胺，其主要成分见表3。

1. 2试验

表1　P. O42. 5水泥性能指标

表2　UEA-H膨胀剂实测性能指标

表3　保水剂成分　％

试验中水泥的凝结时间根据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB /T 1346—2001）进行检测。经试验确定，500 g水泥的用水量为128. 5 g。试验测得：在加入0. 6％柠檬酸缓凝剂的情况下，加入1. 2％的萘系减水剂可得到最佳的凝结时间，初凝时长为874 min，终凝时长为879 min。在此基础上，掺入不同保水剂粒径和膨胀剂掺量，以得到4种外加剂共同作用下水泥的最佳凝结时间。

2　试验结果与分析

2. 1保水剂的保水性能

当保水剂的粒径不同时，其吸水率也不同，故对不同粒径保水剂的保水性能做了相应的测试。

将保水剂磨成相应的粒径，然后放入足量的水中让其吸水，最终测得其保水率。保水率P的计算方法如式（1）所示。

式中：m1为保水剂的质量，g；m2为保水剂所吸收的水的质量，g。

保水剂的粒径为：＜0. 15，0. 15～0. 30，0. 30～0. 45，0. 45～0. 60，0. 60～0. 90，＞0. 90 mm共6种。测得的每种粒径的保水率如图1所示。

图1　不同粒径保水剂的保水率

由图1可知，保水剂的保水率随着其粒径的增长总体呈增大的趋势，当粒径为0. 6～0. 9 mm时最大，为30 530. 00％。下面的试验中采用0. 45～0. 60，0. 60 ～0. 90，＞0. 90 mm的3种粒径的保水剂，其保水率分别为28 316. 67％，30 530. 00％，29 853. 85％。

2. 2凝结时间

保水剂粒径确定后，将4种外加剂同时加入水泥中，按GB /T 1346—2001测定其凝结时间。保水剂掺量按照其保水率加入，即假设128. 5 g水全部被保水剂吸收所需保水剂的用量。具体用量见表4。膨胀剂采用外掺法，掺量分别为4％和8％，即20，40 g。

确定好每个组分的掺量后，将其依次掺入，并按照规范测试凝结时间，试验测试结果如图2、图3所示。

将图2、图3中相同膨胀剂掺量下不同保水剂粒径对应的水泥的凝结时间相比较，可得：添加4％膨胀剂掺量时，0. 6～0. 9 mm粒径的凝结时间最长，初凝时间为688 min，终凝时间为695 min。添加8％膨胀剂掺量时，依然是0. 6～0. 9 mm粒径的凝结时间最长，初凝时长为703 min，终凝时长为708 min。

将不同保水剂粒径、不同膨胀剂掺量的组分进行对比，其初凝及终凝时间如图4、图5所示。

表4　不同粒径的保水剂的用量

图2　4％膨胀剂掺量和不同保水剂粒径时的凝结时间

图3　8％膨胀剂掺量和不同保水剂粒径时的凝结时间

图4　不同保水剂粒径下的初凝时间

分析图4、图5中的数据可知，在保水剂的粒径相同时，凝结时间随着膨胀剂掺量的变大而变长。当膨胀剂掺量由4％增加到8％时，0. 45～0. 60 mm粒径时水泥的初凝时间变长65 min，即增大10. 50％，终凝时间变长75 min，即增大12. 04％；0. 60～0. 90 mm粒径水泥的初凝时间变长15 min，即增大2. 18％，终凝时间变长13 min，即增大1. 87％；＞0. 90 mm粒径水泥的初凝时间变长76 min，即增大13. 57％，终凝时间变长70 min，即增大11. 63％。

图5　不同保水剂粒径下的终凝时间

3　结论

1）保水剂的保水率随其粒径的增长总体呈现增大的趋势，当粒径为0. 60～0. 90 mm时其保水率达到最大，为30 530. 00％。

2）当外加剂中膨胀剂的掺量一定时，水泥的凝结时间随着保水剂粒径的增大而增大，到0. 60～0. 90 mm时达到最大，而后又开始减小。

3）当保水剂的粒径一定，膨胀剂的掺量从4％升高至8％时，水泥的凝结时间也有了相应提高。但整体来看，0. 60～0. 90 mm粒径的初、终凝时间提高得相对较少，分别为2. 18％和1. 87％。

4）分析整个试验的凝结时间可得，在添加0. 60％柠檬酸缓凝剂和1. 20％的萘系减水剂时，添加8％的膨胀剂和0. 42 g的粒径为0. 60～0. 90 mm的保水剂颗粒，水泥的初、终凝时间最长，分别为703，708 min。

参考文献

［1］蒋亚清.混凝土外加剂应用基础［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［2］邓宗才，徐海宾，李辉，等.高性能混凝土徐变规律的试验研究［J］.北京工业大学学报，2013，39（6）：897-901.

［3］姜晓妮，刘征涯，高桂波.混凝土外加剂组分对水泥凝结时间的影响［J］. 21世纪建筑材料，2009，1（4）：38-40.

［4］张戎令，王起才，马丽娜，等.复配外加剂体系对高性能混凝土收缩性能的影响［J］.硅酸盐通报，2013，32（11）：2194-2199，2205.

［5］陈明.膨胀剂在钢管混凝土中的膨胀作用研究［D］.重庆：重庆交通大学，2008.

［6］廉慧珍，阎培渝.影响膨胀剂使用效果的若干因素［J］.建筑科学，2000，16（4）：12-16，35.

［7］中华人民共和国建设部. JGJ 63—2006混凝土用水标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

（责任审编周彦彦）

Influence of Water Retaining Agent Particle Size and Expansion Agent Dosage on Cement Setting Time

ZHANG Shaohua1，WANG Qicai1，2，ZHANG Rongling1，2，QI Lufan1，XU Ruipeng1
（1. College of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China；2. Road and Bridge Engineering Disaster Prevention and Control Technology National Local Joint Engineering Laboratory，Lanzhou Gansu 730070，China）

AbstractT he cement used in concrete-filled steel tube needs a long setting time. After detecting the water retaining rate of water retaining agent with different particle size，this paper determined the best expansion agent dosage and particle size of water retaining agent for optimum cement setting time by changing the expansion agent dosage and the particle size of water retaining agent when adding 0. 6％citric acid retarder and 1. 2％naphthalene superplasticizer. T he test results show that the cement setting time changes with the changing of water retaining agent particle size when the expansion agent dosage is certain and the setting time arrives the maximum value with particle size of 0. 6 ～0. 9 mm，and the cement setting time increases correspondingly when the particle size of water retaining agent is certain and the expansion agent dosage is from 4％to 8％，which could provide a reference for concrete-filled steel tube.

Key wordsConcrete-filled steel tube；Setting time；W ater retaining agent；Particle size；Expansion agent；Dosage

中图分类号U214. 1+8

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 39

文章编号：1003-1995（2016）06-0149-04

收稿日期：2016-02-02；修回日期：2016-04-11

基金项目：国家自然科学基金（51268032）；教育部长江学者和创新团队发展计划（IRT15R29）

作者简介：张少华（1991—），男，硕士研究生。