粉煤灰、减水剂对水泥浆体相容性影响的试验研究

方 芳 闫彭亮 黄茂英 张会芳

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.四川能投电力开发有限公司,四川 内江 611130)



粉煤灰、减水剂对水泥浆体相容性影响的试验研究

方 芳1闫彭亮1黄茂英2张会芳1

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.四川能投电力开发有限公司,四川 内江 611130)

通过调整萘系和聚羧酸系减水剂的含量，观察水泥浆体的流动性和流动性经时损失的变化，由此确定减水剂的饱和点和减水剂对水泥相容性影响；减水剂在饱和点掺量时，调整粉煤灰掺量，研究粉煤灰掺量对水泥相容性的影响.结果表明：水泥浆体的流动度随减水剂掺量的增加而增大；萘系减水剂的饱和点掺量为0.8%，聚羧酸系减水剂的饱和点掺量为1.4%；在减水剂饱和点附近，静置35 min、60 min，萘系、聚系减水剂流动度经时损失分别为65%和39%，且聚羧酸系减水剂具有滞后性；聚系减水剂与水泥的相容性优于萘系高效减水剂；在减水剂饱和点掺量处，随着粉煤灰含量的增加，水泥浆体的流动度增大.

粉煤灰；萘系减水剂；聚羧酸系减水剂；相容性；水泥浆体

0 引 言

混凝土作为建筑材料应用越来越广泛，混凝土的各种性能对混凝土的广泛使用影响较大，特别是减水剂、矿物掺合料和水泥的相容性影响较大.减水剂可以明显改善混凝土拌合物的可泵性，提高混凝土的耐久性能和物理力学性能，节约水泥，改善施工条件，提高施工效率，故其在预拌混凝土中作用日益明显.但是工程实践表明减水剂和混凝土的各组份材料之间存在相容性的问题[1]，其对于水泥的影响最大，造成的事故也最为严重.减水剂与水泥的相容性差主要表现[2]为混凝土搅拌运输过程出现异常凝结、混凝土坍落度经时损失损失率高、硬化混凝土出现开裂等现象.例如，北京国宾花园工程中一批混凝土出现急凝现象，导致混凝土结构疏松，最后将已浇筑完成的混凝土全部砸掉，检查结果表明由于减水剂与水泥相容性有问题.在宝钢工程建设过程中，上海吴凇水泥厂的水泥外掺木钙减水剂配制泵送混凝土时，混凝土出现了急凝现象，不能实现泵送施工，导致工程质量事故，检查结果表明减水剂与水泥使用的硬石膏相容性有问题.

本文以工程中应用最广泛的两种高效减水剂—聚羧酸系高效减水剂和萘系高效减水剂以及常用的矿物掺合料粉煤灰为研究载体，研究减水剂、粉煤灰对水泥净浆相容性的影响，以期为实际的工程应用提供一定的借鉴.

1 试验原料和试验方法

1.1 试验原料

水泥选用张家口宣化水泥厂生产的普通硅酸盐水泥42.5的水泥.水泥的物理指标和化学组成如表1、2所示.

表1 水泥的物理指标

表2 水泥的化学组成/%

减水剂和粉煤灰的情况如表3所示，其中，粉煤灰是张家口市沙岭子电厂Ⅱ级粉煤灰，表观密度ρ=2200 kg/m3；试验中的搅拌用水是张家口市政管网生活用自来水.

表3 减水剂和粉煤灰性能参数

1.2 试验方法

高效减水剂与水泥的相容性，一般是通过水泥净浆流动度试验来检测，本试验采用GB/T 8077-2012《混凝土外加剂均质性试验方法》中水泥净浆流动度试验方法[3].在净浆的水胶比为0.292的条件下进行水泥、粉煤灰与高效减水剂相容性检验，外加剂的掺量从0%开始，依次以0.2%递增减水剂掺量，直到检测出减水剂的饱和点掺量，然后在减水剂饱和掺量处以相同的试验方法，以粉煤灰的5%掺量递增，直到检测出粉煤灰的最佳掺量.

所用的仪器主要包括净浆搅拌机、截锥圆模(下口直径60 mm、上口直径36 mm、高60 mm、壁厚0.5 mm)、玻璃平板、直尺、秒表.

2 试验结果与分析

2.1 不同减水剂对水泥浆体流动度的影响

常温萘系减水剂、聚羧酸减水剂用量分别按(0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%)依次递增，其中水泥用量300 g、水用量88 ml.试验结果如图1、2所示.

图1可以看出：在萘系JK—2高效减水剂掺量低于0.8%时，随着掺量的增加，水泥浆体初始流动度增加，且在萘系JK—2高效减水剂掺量超过0.4%时，水泥浆体初始流动度增长幅度较大.虽然萘系JK—2高效减水剂的掺量为1.0%时，水泥浆体的初始流动度高于掺量为0.8%时的流动度，但是增加比例低于4%，可认为其饱和掺量点为0.8%.在萘系JK—2高效减水剂饱和点附近，初始流动度损失较大.静置35 min、60 min，流动度损失超过65%.主要是因为萘系减水剂的憎水主链吸附在水泥颗粒表面[4]，降低水泥颗粒固-液界面能，有利于水泥颗粒的润湿分散，阻止水与颗粒接触，抑制水泥水化进行；另一方面，萘系减水剂的主导极性官能团为磺酸基(-SO3-)，高接枝密度的磺酸基在水泥颗粒表面具有较强的吸附能力，提供静电斥力，使水泥颗粒趋于分散.

图1 萘系减水剂掺量对水泥浆体流动度的影响

图2可以看出：在聚羧酸系JK—4减水剂掺量低于1.4%时，随着掺量的增加，水泥浆体初始流动度增加，且在聚羧酸系JK—4减水剂掺量超过0.8%时，水泥浆体初始流动度增长幅度较大.当掺量为1.6%时，初始流动度没有明显地增加，可以认为其饱和点掺量为1.4%，静置35 min、60 min，流动度损失39%.从35 min到60 min，流动度不仅没有损失，反而还有所增加，这就表现出聚羧酸系JK—4减水剂有滞后性.这是因为聚羧酸减水剂的分子结构中含有大量的羟基(-OH)、醚基(-O-)、羧基(-COO-)、磺酸基(-SO3-)、聚氧乙烯基(-OCH2CH2-)等功能性官能团[5]，一方面主链吸附在水泥颗粒表面阻止颗粒与水接触，同时羧基(-COO-)提供静电斥力，另一方面，聚羧酸减水剂分子中含有大量的羟基(-OH)、醚基(-O-)、羧基(-COO-)，这些极性基具有较强的液-气界面活性，因此具有引气隔离“滚珠”减水效应.此外，聚氧乙烯基长侧链产生空间位阻效应，极大增加了水化层的厚度，延缓水泥水化.因此，聚羧酸类减水剂对水化的抑制能力和对水泥的分散能力明显强于萘系减水剂.

图2 聚羧酸系减水剂掺量对水泥浆体流动度的影响

从上述试验数据、图像、作用机理分析可知：聚羧酸系JK—4减水剂比萘系JK—2减水剂的浆体初始流动度大，饱和点掺量略大，流动度经时损失小于后者.文献[6]指出，减水剂与水泥的相容性优劣的主要指标为浆体初始流动度、饱和点掺量、流动度经时损失.由此可以说明，聚羧酸系减水剂与水泥的相容性好于萘系减水剂.

2.2 粉煤灰的掺量对定量减水剂和水泥浆体相容性的影响

萘系减水剂的掺量为0.8%，聚羧酸系减水剂掺量为1.4%，粉煤灰用量按(5%、10%、15%、20%、25%)递增来进行试验.其中水泥用量300 g、用水量88 ml.图3、4所示粉煤灰掺量对定量减水剂和水泥浆体相容性的影响.

图3可以看出：在粉煤灰掺量15%以前，随着粉煤灰掺量的增加，水泥的初始流动度增大，粉煤灰掺量15%以后，水泥的初始流动度减小.35 min、60 min的流动度随着粉煤灰掺量增加而增加.对比图1的饱和点可以发现：粉煤灰改善了水泥的流动度，而且降低了经时损失度.

图3 粉煤灰掺量对萘系减水剂和水泥浆体相容性的影响 图4 粉煤灰掺量对聚羧酸系减水剂相容性的影响

图4可以看出：在粉煤灰掺量10%以前，随着粉煤灰掺量的增加，水泥的初始流动度增大，粉煤灰掺量10%以后，水泥的初始流动度减小.粉煤灰掺量的增加，经时损失降低.对比图2，可以发现，粉煤灰改善水泥流动度明显，而且降低了经时损失.

综合对比图1、2、3、4，可以发现，粉煤灰掺量对聚羧酸系减水剂相容性的影响更加显著.分析粉煤灰的作用机理来解释上述现象.粉煤灰中含有大量的球状玻璃微珠填，其填充在水泥颗粒之间，起到一定的润滑作用.粉煤灰粒径较小，在孔隙和凝胶体中分散均匀，填充在毛细管及孔隙裂缝中，从而显著地提高水泥的流动性.由于存在玻璃微珠的形态效应与细粉料的微骨料效应[7]，粉煤灰的掺入明显地降低了新拌和物的粘滞系数，从而使水泥颗粒运动阻力减小，增强拌和物的流动性，所以掺有这两种减水剂的水泥的流动度都上升.对于粉煤灰到一定的掺量，水泥的初始流动度开始下降，是由于粉煤灰中的含碳量相对较高，掺入减水剂，碳粒对减水剂吸附的作用较强，导致外加剂的作用效果下降，宏观表现为流动度降低.

3 结 论

(1)当水泥掺加减水剂时，流动度明显增强，且流动度随减水剂掺量的增加而增大.对于萘系高效减水剂，其饱和点掺量为0.8%，聚羧酸系高效减水剂的饱和点掺量为1.4%.

(2)萘系高效减水剂静置35 min、60 min，流动度损失超过65%.聚羧酸系减水剂静置35 min、60 min，流动度损失仅为39%.聚羧酸系减水剂的经时损失小于萘系减水剂，与水泥的相容性好于萘系减水剂.

(3)在减水剂达到饱和点时，随着粉煤灰含量的增加，水泥浆体的流动度增大.当萘系高效减水剂达到饱和点时，粉煤灰的掺量为15%为最优掺量.当聚羧酸系高效减水剂到饱和点时，粉煤灰的掺量为10%为最优掺量.

[1]郭清春.聚羧酸减水剂与减缩剂的相容性研究[D].重庆大学,2012

[2]王英,汪国庆,洪映林.硅酸盐水泥与萘系高效减水剂相容性机理一览[J].建材发展导向,2014,08:61～64

[3]郭涛,王玲,等编著.混凝土外加剂匀质性试验方法[J].中国标准出版社，2012[4]廖国胜,邢江娣,李三友.聚羧酸类减水剂在混凝土中的应用研究[J].武汉科技大学学报(自然科学版),2008,02:214～217[5]严捍东.新型建筑材料教程[M].北京：中国建材工业出版社,2004

[6]姚燕,王玲,田培.高性能混凝土[M].北京：化学工业出版社,2006

[7]何智海,刘宝举,杨元霞.粉煤灰对水泥胶凝体系与高效减水剂相容性影响的研究[J].粉煤灰,2006,03:3～5

Experimental Study on the Impact of Fly Ash and Water Reducer on the Compatibility of Cement Pasty

FANGFang1,YANPeng-liang1,HUANGMao-ying2,ZHANGHui-fang1

(1.Heibei Institute of Architecture and Civil Engineering，Zhangjiakou，China 075000；2.Sichuan Engineer Industry Investment Group Co.,Ltd,Neijiang,China 611130)

By adjusting the content of naphthalene and polycarboxylate superplasticizer,the change of the fluidity of cement paste and the loss of fluidity are observed.Consequently,the saturation point of water reduction and the impact of water reducer on mobility are determined.When superplasticizer is at saturation dosage,the amount of fly ash is adjusted to study the impact of the content of fly ash to the compatibility of cement.Studies have shown that fluidity of cement pasty increases with water-reducer dosage;the saturation point of naphthalene superplasticizer is 0.8%,and the saturation point of polycarboxylate-based plasticizer is 1.4%;In the vicinity of saturation point,if cement pasty rest for 35 or 60 minutes,the loss of flowability of cement paste with naphthalene superplasticizer is 65%,and polycarboxylate-based oplasticizer is 39% in the same condition.Moreover,polycarboxylate-based plasticizer obviously has the quality of hysteresis;the compatibility of polycarboxylate-based plasticizer and cement is better than naphthalene series water reducer;At the saturation point of water reducer,fluidity of cement pasty increases with fly ash with different proportion.

fly ash;naphthalene series water reducer;polycarboxylates high performance water-reducing admixture;compatibility;cement pasty

2016-01-23

2015年张家口市科技局项目(I421010B)

方芳(1980-)，女，大学本科，馆员.

TU 5

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