高温差地区聚羧酸减水剂与水泥相容性问题及解决措施

邓俊

摘要：当减水剂与水泥出现不相容问题时，混凝土施工性能会受到较大影响。为解决高温差地区聚羧酸减水剂与水泥的相容性问题，通过工程实际案例，对聚羧酸减水剂与水泥的不相容现象进行了研究。结果表明，聚羧酸减水剂对温度环境较为敏感，高温差环境会导致其与水泥的相容性发生变化，从而导致混凝土拌和物性能的变化。通过调整减水剂配方等措施可有效解决环境温度对相容性的影响。

关键词： 减水剂相容性;高温差;混凝土拌和物;解决措施

中图法分类号：TV42 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.014

文章编号：1006 - 0081（2021）12 - 0082 - 05

0 引 言

聚羧酸高效减水剂是高效减水剂的新品种，具有很多良好的使用性能[1]。通常以其掺量低、减水率高等众多优点，受到国内外研究人员的关注，经过多年发展，市场上将不同性能的聚羧酸系减水剂产品系列化，进而合成和生产复合功能型减水剂[2]，由于组分和工艺不同会呈现不同特性[3]。减水剂是一种在维持混凝土坍落度基本不变的条件下，能减少拌和用水量的混凝土外加剂。减水剂加入混凝土拌和物后对水泥颗粒有分散作用，能改善其工作性，减少单位用水量，改善混凝土拌和物的流动性;或减少单位水泥用量，节约水泥;是商品混凝土中重要原材料组成之一。商品混凝土生产时，在使用减水剂过程中往往会遇到水泥与减水剂不相容而造成混凝土质量波动的问题。由于减水剂的相容性问题不是单方面的，在遇到混凝土施工性能及质量问题时往往需要大量的试验来查明原因。特别是市面上常用的聚羧酸减水剂，综合性能优异、绿色环保、可调控范围广、减水率高，可使水泥及胶凝材料的性能达到最佳状态。但根据相关研究，聚羧酸高性能减水剂在不同温度条件下，对水泥体系中的分散性能和吸附性能较为敏感，作用效果对温度的依赖性较大[4]，同时在拌制水泥浆时，混凝土的性能表现易受所用水泥品质和使用时水泥的温度影响[5]。在高温差地区往往更易出现减水剂与水泥相容性问题。本文重点通过水泥掺合料和聚羧酸减水剂相关案例进行分析，提出应对高温差地区聚羧酸减水剂相容性问题的解决措施。

1 聚羧酸减水剂成分及机理分析

1.1 聚羧酸减水剂成分

聚羧酸减水剂包括近百种不同化学成分的聚羧酸系减水剂（PCE），大致可归为4大类（结构都属于梳状结构）：①甲基丙烯酸/烯酸甲酯共聚物，也称聚酯型聚羧酸减水剂，这一类减水剂是由甲基丙烯酸（MAA）和甲基丙烯酸甲氧基聚乙二醇酯化物（MAA-MPEG）通过聚合作用产生的，其主链和支链由酯键连接;②丙烯基醚共聚物，又称聚醚型聚羧酸减水剂，其主要原料包含不饱和双键的丙烯基聚氧乙烯醚（APEG）或甲基丙烯基聚氧乙烯醚（TPEG）等，与带有功能基团的不饱和小单体进行共聚反应生成醚类聚羧酸系聚合物;③酰胺/亚酰胺型聚羧酸聚合物，這是由美国的W. R. Grace研发的一种新类型PCE，通过在丙烯酸/甲基丙烯酸或含甲氧基的酯的共聚物上嫁接EO/PO氮卤化合物而形成;④两性聚羧酸减水剂，也称聚酰胺-聚乙烯乙二醇支链型减水剂。

1.2 作用机理

减水剂作用机理是其表面活性剂对水泥水化过程产生一种重要作用：减水剂在不影响混凝土工作性的条件下，能使单位用水量减少;也能在不改变单位用水量的条件下，改善混凝土的和易性;或同时具有以上两种效果，又不显著改变含气量。水泥与水搅拌后，产生水化反应，出现一些絮凝状结构，包裹着很多拌和水，从而降低了新拌混凝土的和易性（又称工作性，主要指新鲜混凝土在搅拌、运输、浇灌等施工过程中能保持均匀、密实而不发生分层离析现象的性能）。施工中，为了保持混凝土所需的和易性，就必须相应地增加拌和水量，但水量的增加会使水泥石结构中形成过多的孔隙，从而严重影响硬化混凝土的物理力学性能。因此，若能将上述包裹的水分释放出来，混凝土的用水量就可大大减少。在制备混凝土的过程中，掺入适量减水剂可以很好地起到这样的作用。目前，所使用的混凝土减水剂都是表面活性剂，属于阴离子表面活性剂。混凝土中掺入减水剂后，减水剂的憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，而亲水基团指向水溶液，构成单分子或多分子层吸附膜。由于表面活性剂的定向吸附，使水泥胶粒表面带有相同符号的电荷，于是在同性相斥的作用下，不但能使水泥-水的物理化学变化体系处于相对稳定的悬浮状态，还能使水泥在加水初期形成的絮凝状结构分散解体，从而将絮凝结构内的水释放出来，达到减水的目的。

减水剂加入后，不仅可以使新拌混凝土的和易性改善，而且由于混凝土的水灰比有较大幅度的下降，水泥石内部孔隙体积明显减少，水泥石更为致密，混凝土的抗压强度显著提高。根据掺量及复配工艺的不同，减水剂的加入还会影响水泥的水化速度和凝结时间。

2 水泥与聚羧酸减水剂不相容性分析

2.1 主要表现

自聚羧酸减水剂得到广泛应用以来，通过试验发现，同一种减水剂对不同品牌的水泥常常表现出不同的应用效果，尤其会导致新拌混凝土的流变性能随时间的变化大不一样，这一现象可用“减水剂与水泥的相容性”来解释。水泥与减水剂相容性是指使用相同减水剂或水泥时，由于水泥或减水剂的质量不同而引起水泥浆体流动性、经时损失的变化程度，以及获得相同流动性时减水剂用量的变化程度。水泥与减水剂若能产生相应的化学反应和得到相应的物理结果则相容性好，反之，若相互排斥则不相容。不相容一般主要表现在以下方面[6]：

（1）在混凝土配合比中，各种原材料包括水泥、砂石骨料等都合格的前提下，减水剂用量异常，新拌混凝土初始坍落度与扩展度小，即通俗说法的“混凝土无法打开状态”。

（2）刚拌制的混凝土初始坍落度和扩展度满足配合比设计要求，但随着时间延长，混凝土坍落度与扩展度损失变大，出现了黏稠、保坍效果差的现象。

（3）新拌制混凝土初始坍落度和扩展度达到施工要求的情况下，出机口混凝土和易性差、浆体包裹性差，出现骨料分离、浆体下沉、跑浆、泌水等现象。

（4）混凝土凝结硬化时间变化异常，出现了假凝、速凝、凝结时间超长等不正常现象。

（5）混凝土抗渗性和耐久性明显降低，抗压强度波动大，甚至出现不规则裂缝。

2.2 影响因素

水泥与聚羧酸减水剂的不相容现象是一个非常复杂的问题，影响因素较多，涉及到化工、水泥化学、高分子材料学、物理学等多方面的知识。相关研究表明，出现减水剂与水泥不相容现象主要有以下几个方面的因素：①水泥及减水剂化学成分的影响;②水泥物理性质包括细度和颗粒级配分布的影响;③水泥新鲜程度的影响;④温度的影响;⑤减水剂的合成工艺及复配技术的影响[7]。

3 工程案例及解决措施

3.1 工程概况

金沙水电站地处干热河谷地带，全年分为干湿两季。干季为冬春季节，湿季为夏秋季节，全年昼夜温差大，最大昼夜温差达20 ℃。水电站施工采用商品混凝土，混凝土高峰月的浇筑强度为7.0万m3。混凝土配合中，减水剂与水泥分别使用中国某品牌聚羧酸减水剂（A）及某品牌中热水泥（B）。混凝土主要配合比如表1所示。

3.2 水泥与减水剂不相容现象分析

工程建设期内，发生了一次持续时间较长的水泥与减水剂不相容现象。2016年2月混凝土系统建成投产，试验室进行了混凝土配合比试验并确定生产配合比。系统投产后混凝土生产一直较为正常，拌和物质量及性能符合设计要求。进入5月后，昼夜温差大，混凝土施工性能突然出现较大幅度波动，主要表现在：昼间午间时段刚拌制的混凝土初始坍落度和扩展度满足设计要求，但随着时间延长，混凝土坍落度与扩散度的经时损失变大，出现了黏稠、保坍效果差的现象;到夜间低温时段，生产中又出现混凝土出机和易性差、浆体包裹性差，骨料分离、浆体下沉、跑浆、泌水等现象。在不同温度环境下昼间与夜间生产的新拌制混凝土性能状态差异明显，性能质量波动大。针对所发生的问题，对原材料（水泥、粉煤灰、砂石骨料、外加剂等）及配合比进行复核及相容性排查情况如下。

3.2.1 水泥、粉煤灰、砂石骨料、减水剂原材料复核

（1）对中热硅酸盐水泥P·MH42.5进行了各项检测，得到的统计结果如表2所示。经复查，水泥各项指标（含化检）相对前期无较大变化。但检查发现，新批次水泥刚进场时温度较高，最高达47 ℃。通过倒查水泥厂家发现，该厂家只有一条水泥生产线，供应能力不足，不能同时生产普通硅酸盐水泥和中热硅酸盐水泥，中热水泥的供应按计划排产，每个月有2～3次的生产线切换，导致新生产的中热水泥库存时间不够，温度较高。

（2）对所用粉煤灰性能进行了检测。检测结果表明，粉煤灰各项指标的质量波动相对较稳定，相应结果统计如表3所示。

（3）对该工程的生产用砂进行检验，结果如表4所示。细骨料各项性能指标均符合标准规范要求，且砂石骨料、毛料与前期一致。经亞甲蓝MB值快速试验发现，沉淀物周围出现明显色晕，则判定亚甲蓝快速试验结果合格。检测数据显示砂样中的微粒（0.75 μm）颗粒以石粉为主，排除了含泥量超标的影响。

（4）对减水剂情况进行检测。混凝土生产所用聚羧酸减水剂批次一致，各项性能指标均满足规范要求，均在稀释后使用，减水剂稀释浓度为20%，每班试验室均对其浓度进行检测，减水剂浓度控制在（20±5）%，拌和楼外加剂掺量复核无误。由于减水剂母液复配参数涉及商业机密（包含标准型、缓凝型、早强型、保坍型、减缩型、降粘型），本文无具体参数。

3.2.2 配合比复核及调整

将各种原材料在试验室按原配合比与调整后的减水剂配方进行人工拌制对比。试验检测项目包括：混凝土坍落度损失、扩散度、和易性、含气量等，检测结果如表5所示。

由试验结果可知，新拌制混凝土（原配合比中的减水剂配方）各项性能指标及过程状态均符合拌和楼拌制及施工过程情况，而出现不相容现象的原因主要为随环境温度变化，混凝土产生了昼间与夜间的较大差异，特别是在混凝土坍落度损失、黏聚性的表现上。在调整减水剂配方后，可有效规避上述问题。因此，初步判定减水剂与水泥的相容性存在较大波动。

3.2.3 水泥与减水剂相容性试验

进一步做水泥与减水剂的净浆流动度试验。发现不同环境温度下，水泥与减水剂的相容性发生较大变化，如图1所示。

3.2.4 调查结论

进一步分析认为，5月起，当地气温进入高温差状态;昼间最高温度达39 ℃，而夜间最低气温为16 ℃，相差超过20 ℃，环境温度波动剧烈。另外，由于新批次水泥进场温度较高，存储冷却后也会造成相应波动。相关研究表明，水泥温度越高，外加剂的适应性呈现出越差的趋势;温度过高将造成混凝土和易性下降，甚至导致骨料与浆体分离或者泌水[8]。上述表现符合2.2节水泥与减水剂不相容的主要因素中第③、④条。因此，判定温度的剧烈变化是水泥及外加剂出现相容性问题的主要原因。

3.3 解决措施及效果

（1）根据调查结果，对水泥供应厂家提出供应管理要求，厂家对中热水泥生产计划进行调整，每个月生产线调整不得超过两次，增加每次生产量并提高库存，待水泥温度降低到一定程度后再运至现场使用。为了避免水泥温度升高，水泥运输不得在高温时段进行，主要在夜间集中供应。同时，加强拌和楼生产运行管理，新进场的水泥不得直接上楼使用，必须先进入存储罐中存放后再进入拌和楼循环使用。

（2）减水剂溶液现场复配时，由于夏季温度太高，需要添加缓凝成分来缓解混凝土的凝结时间，以避免混凝土的过多损失，而冬季则反之。原配合比中使用的减水剂配方是适宜2月份环境温度的配方，进入夏季后因温度差变大，原配方适用性变差，故出现了相容性问题。因此，外加剂厂家对溶液配比作出了两种调整：①夏季型（配方1），仅昼间高温时段使用;②普通型（配方2），用于夜间生产。两种配方昼夜交替使用，同时，要求拌和楼人员针对外加剂使用做好管理。

通过上述措施，能够有效规避午间高温时段混凝土坍落度损失过大的现象，同时解决了夜间骨料离析、黏聚性差的问题，基本保证了混凝土拌和质量和使用性能的稳定。

4 结 语

水泥与聚羧酸减水剂的不相容问题在工程领域较为普遍，其原因也较为复杂，需要深入研究，找到主要原因对症处理。当发现减水剂与水泥出现相容性问题时，首先需要对原材料进行化学及物理指标变化情况的逐一排查，若从原材料中不能发现问题，则需要考虑聚羧酸外加剂自身对温度的敏感性因素，通过调整减水剂配合成分来适应拌和物性能。本文工程案例具有一定代表性，处理措施对类似问题具有一定的指導与借鉴作用。

参考文献：

[1] 游长江，丁超，胡国栋，等. 聚羧酸类高效减水剂的研究进展[J]. 高分子材料科学与工程，2003（2）： 34-38.

[2] 宋家乐，周智密，李禅禅，等. 聚羧酸系减水剂的研究现状与展望[J]. 材料导报，2014， 28（增2）：280-282， 285.

[3] 覃维祖. 聚羧酸系高效减水剂的发展与应用[J]. 施工技术，2007（4）： 9-12.

[4] 吴华明，薛永宏，林宗良，等. 聚羧酸减水剂的温度依赖性[J]. 混凝土与水泥制品，2011（10）： 9-12.

[5] 安同富，刘建江，王永芳，等. 聚羧酸外加剂与水泥适应性试验研究[J]. 混凝土，2006（4）： 34-39.

[6] 魏建立. 温度对聚羧酸系减水剂性能影响情况的研究[J]. 中国新技术新产品，2013（3）：3-4.

[7] 周汉章，周锐智，邱茂生. 聚羧酸外加剂与水泥的相容性[J]. 广东建材，2018， 34（4）：20-22.

[8] 肖开涛，高志扬，王述银. 聚羧酸减水剂对不同温度水泥适应性的影响研究[J]. 人民长江，2018， 49（增1）： 248-250.

（编辑：高小雲）

Problems and solutions of incompatibility between polycarboxylic superplasticizer and cement in areas with high temperature difference

DENG Jun

（Power China Chengdu Engineering Corporation Limited， Chengdu 610072， China）

Abstract： When there is incompatibility between superplasticizer and cement， the construction performance of concrete will be greatly affected. In order to address the problems of incompatibility between polycarboxylic superplasticizer and cement in areas with high temperature difference， an actual engineering case was studied. It is found that polycarboxylic superplasticizer is sensitive to environment temperature， and high temperature environment difference will change its compatibility with cement， which can result in the change of the performance of concrete mixture. The influence of environmental temperature on the compatibility can be effectively solved by adjusting the formula of superplasticizer.

Key words： compatibility of superplasticizer; high temperature difference; concrete mixture; solution