浅谈复合使用萘系高效减水剂控制混凝土的坍落度损失

尚涛 李峰

摘 要 萘系高效减水剂属于高分子表面活性剂，是我国目前应用最广泛的高效减水剂，它具有成本低、减水率高、增强效果显著等优点，但掺单一品种外加剂已经难以满足实际工程中混凝土的高保坍、多功能等要求，减水剂与其他外加剂进行复合，是减水应用技术发展的又一趋势，本文利用萘系减水剂与其他外加剂的复配探讨对混凝土的保坍性，并结合成本计算，选择最为经济的复配方案。

关键词 混凝土;萘系高效减水剂;坍落度损失

1研究背景

目前单一外加剂品种国内外相差不是很大，而我国在复合外加剂及其应用技术上还停留在20世纪90年代以前的水平。混凝土外加剂发展的方向是高效能、多功能复合外加剂。只有复合才能具有高效能、多功能，并且促进新型混凝土和新的施工工艺的发展。减水剂与其他外加剂进行复合，是减水应用技术发展的又一趋势，单一品种的外加剂，无论是有机的还是无机的都难以满足工程的需要。

1.1 萘系高效减水剂的作用机理及外加剂复合原理

在新拌混凝土中，加入减水剂后，减水剂的憎水集团定向吸引于水泥质点表面，亲水基团指向水溶液，组成了单分子或多分子吸附膜。由于表面活性剂分子的定向吸附，使水泥质点表面带有相同符号的电荷，于是在电性斥力的作用下，随着体系对外加剂的吸附量增加，ζ电位进一步变负（绝对值增大），不但使水泥-水体系处于相对稳定的悬浮状态（双电层ζ-电位提高），并使水泥在加水初期所形成的絮凝状结构分散解体，使絮凝状凝聚体内的游离水释放出来，从而改善新拌混凝土的流动性和达到减水的目的[3]。

1.2 外加剂复合原理

减水作用机理表明，通过三种作用可以减少混凝土的用水量，或保持相同的水灰比，增加其流动性，即：①分散作用;②初期水化抑制;③引气作用。

混凝土中的水以三种形式存在，即化学结合水、吸附水和游离水。水泥完全水化，只需要水灰比0.22左右。但为了满足新拌混凝土工作性能的要求，实际用水量比理论用水量要大得多。这样就在损失强度的前提下满足混合物工作性要求，因此不掺外加剂的普通混凝土的水泥利用系数较低。

结合水参与了化学反应，使水泥水化硬化，因而具有强度;游离水使混合物具有工作性，满足施工工艺要求;而吸附水（包括水泥凝聚结构中所封住的水）影响水泥石与集料间黏结力，降低混凝土强度和耐久性。

掺分散作用的外加剂，如高效减水剂，能使水泥浆分散，破坏了水泥浆中凝聚结构，使吸附水减少，游离水增多，因而大大提高了水泥浆的流动性，或者保持相同流动性时减少用水量。

掺缓凝剂，由于对初期水泥水化的抑制作用减少了结合水量，相对增加了游离水量，因而也具有减水作用。

引气剂使混凝土混合物引入大量微气泡，在粒子之间产生滚动和浮托作用，使水泥浆分散，同样具有减水作用。

这三种减水作用机理不同。通过复合，使不同减水作用“叠加”可以进一步提高减水效果[2]。

1.3 混凝土的坍落度损失机理

从高效减水剂作用机理可见，双电层电位及高分子吸附状态是影响减水剂流化作用的主要因素。因此，混凝土坍落度损失的机理也在于双电层电位及高分子吸附状态的改变。一般来说，混凝土坍落度损失的机理可以概括为以下几个方面：

（1）由于混凝土拌合物的水化反应，以及吸附于水化产物表面或者蒸发等原因消耗了较多的拌和用水，是造成坍落度损失的重要因素之一。

（2）水泥水化过程中，由于物理、化学分散，液相中的粒子增多，分散的粒子由于布朗运动、重力、机械搅拌等，粒子表面吸附的高效减水剂随时间增加而减少。高效减水剂吸附在水泥颗粒表面或早期水化物上，或是被水化物包围，或是与水化物反应而被消耗掉，减弱了其分散能力，水泥颗粒间斥力减小使得两水泥颗粒之间 Zeta 电位降低，相互间作用位能下降，产生凝聚，从而引起了混凝土的坍落度损失。

（3）水泥水化产生的Ca（OH）2、CSH等水化产物，使新拌混凝土的黏度增大，造成混凝土坍落度随时间延长而降低，也是引起混凝土坍落度损失的重要原因之一。

1.4 调整水泥的成分含量

选用 C3A、C4AF 含量低，C3S、C2S 含量高的水泥，可抑制混凝土坍落度的损失。调整掺入水泥中的石膏形态及含量，增加外加剂与水泥的适应性，也可有效地抑制混凝土坍落度的损失。另外，要尽量选用质量稳定的水泥。

2原材料

2.1 水泥

水泥为南京迴峰水泥制造有限公司生产“双猴牌”P.O42.5水泥，其性能指标见表1，按照《水泥细度检验方法（80μm筛筛析法）》（GB/T1345-91）、《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T1346-2001）、《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671-1999）的试验方法进行物理力学性能试验。所有性能均符合《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175-1999）标准中普通硅酸盐水泥要求。

2.2 矿物掺和料

采用粉煤灰和矿粉两种。

（1）粉煤灰。采用Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的性能测试依據GB/T176-1996进行，试验结果见表2。

经检测该粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。

（2）磨细矿粉。采用S95级磨细矿粉，根据GB/T18046-2008进行试验，其性能指标如表3所示。

2.3 集料

采用的是来自南京鑫茂搅拌站的粗细集料。

（1）细集料。采用江砂，细度模数为（μf=2.6），级配合格，根据GB/T14684-2001检验，结果如表4所示。

根据天然砂含泥量、泥块含量标准，砂子属于Ⅲ类砂。

砂子的级配分布如下表：

由表2.5可得该河砂属于Ⅱ区砂，且为中砂，适宜拌至混凝土。

计算与分析：

按下式计算砂的细度模数μf （精确至0.01）;

μf =

式中：β1、β2、β3、β4、β5、β6分别为5.00、2.50、1.25、0.630、0.315、0.160mm各方孔筛上的累计筛余百分率平均值，得：

μf1=2.67;μf2=2.61;

取平均可得μf=2.6

所以该河砂属于中砂。

（2）粗集料。采用碎石，二级配，5～31.5mm连续级配，石子性能测试依据GB/T14685-2002进行，试验结果见表6所示。

为便于试验，寻求最小空隙率，根据不同比例进行松堆密度和紧堆密度的测定，结果见表7。

故经过试验可得：大小石子比例6：4，其空隙率最小。故试验采用比例6：4。

3配合比设计

（1）设计原则。①以绝对体积法为计算基础，浆骨比为主要设计指标。②以工作性、强度、耐久性和开裂性作为设计原则。

（2）设计目标。①强度等级C30。②初始坍落度200～220mm，

扩展度大于460mm。③1h坍落度损失满足泵送要求（一般1h坍落度不小于180mm较合适）。

（3）设计思路。设计强度等级为C30，参考JGJ55-2011设计规范以及相关工程实践经验，确定水胶比为0.50，胶材用量340kg/m3，砂率40%，使用萘系高效减水剂JM-A，固含量为42%。根据工程实践经验浆骨比定为VP∕VA =0.335∶0.665，目标含气量Va=2.5%。粉煤灰掺量为10%，矿渣粉掺量为20%;大石子的粒径16～31mm和小石子的粒径5～16mm，比例为6∶4。

经过计算可得以下配合比：

3.1 复配方案

配方：①萘系减水剂+引气剂;②萘系减水剂+缓凝剂;③萘系减水剂+引气剂+缓凝剂;④萘系减水剂+氨基磺酸盐;⑤萘系减水剂+氨基磺酸盐+引气剂;⑥萘系减水剂+丙酮;⑦萘系减水剂+丙酮+引气剂;⑧萘系减水剂+丙酮+缓凝剂;⑨萘系减水剂+木钙+缓凝剂。

3.2 试验方法

（1）表观密度、堆积密度与空隙率测定。按JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》规定的方法进行测定。

（2）原材料密度的测定。按GB/T208-1994《水泥密度测定方法》规定的方法进行测定。

（3）水泥标准稠度用水量、凝结时间和安定性的测定。按GB/T1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》规定的方法进行测定。

（4） 混凝土拌和物性能试验。混凝土拌和物的坍落度、扩展度、泌水率、凝结时间和含气量的测定按GB/T50080-2002《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行测试。

4萘系减水剂与引气剂的复配

掺入适量引气剂，可以在混凝土中产生很多独立、封闭、微小细密的气泡。这些气泡不仅可以起到润滑的作用，而且可有效地将水泥离子隔离，防止水泥颗粒凝聚，这对减少混凝土坍落度损失也是非常有利的。但引气剂掺量过多对混凝土的强度和弹性模量是不利的，故在工程实践中应注意控制掺量1。

萘系高效减水剂JM-A与引气剂JM-2000之间的复配，保持JM-A的掺量为1.0%，JM-2000分别按0.004%、0.008%、0.012%掺量复配，试验结果见表8。

由表3.1可知：

（1）在单掺萘系减水剂的条件下，选择与引气剂复配后，含气量明显增大，且随着引气剂掺量的增加而增大，可见引气效果比较明显;

（2）萘系减水剂与引气剂复合使用后，初始坍落度均有所增大，但随着引气剂掺量的增大1h经时坍落度逐渐减小，且扩展度也随之减小，可以看出，引气剂掺量为0.004%时，坍落度损失最小，保坍性最好，故该组最佳复配方案是：1.0% JM-A+0.004% JM-2000。

4.1 萘系减水剂与缓凝剂的复配

萘系减水剂与缓凝剂之间的复配，萘系掺量是1.0%，缓凝剂选用蔗糖，其掺量不宜过大，一般小于胶凝材料的万分之八的掺量。夏季一般掺量小于万分之四，本试验分别按0.01%、0.03%、0.05%的掺量复配，试验结果见表9。

5结束语

（1）萘系减水剂与缓凝剂复配后，初始坍落度大于单掺减水剂的混凝土，且随着T掺量的增加初始坍落度逐渐减小，当T的掺量为0.01%时，虽然初始坍落度和扩展度均最大，但坍落度和扩展度的经时损失率也最大，当T的掺量为0.05%时，虽保坍性最好，但考虑到初始坍落度低于第3组且经济成本高于第3组，故第3组作为最佳复配比例，即：1.0% JM-A+0.03% T。

（2）由含气量也可推知，蔗糖除了具有保坍性能外还具有一定的引气作用。

6结束语

通过本文的大量试验，结合经济性能和混凝土综合性能指标，得到如下解，总结掺萘系高效减水剂的保坍途径有以下几种：

①萘系与缓凝剂（或引气剂）的复配，成本较低且混凝土的新拌性能較好，是解决混凝土坍落度损失最常用的方法;②与普通减水剂等的复配也是降低成本、解决坍损问题的方法之一;③与脂肪族类高效减水剂的复配可以发挥协同作用，是降低成本提高性价比的一种比较好的方法;④与氨基磺酸盐类高效减水剂的复配，减水效率提高的同时保坍效果也比较好， 但由于成本较高，故在工程实践中应用较少。

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，2004：4.

[2] 缪昌文.高性能混凝土外加剂[M].北京：化学工业出版社，2008：133.

[3] 熊大玉，王小虹.混凝土外加剂[M].北京：化学工业出版社，2002：1.