減水劑在水泥混凝土工程中的應(yīng)用及存在問題

任 濤(中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 710043)

減水劑在水泥混凝土工程中的應(yīng)用及存在問題

任 濤
(中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 710043)

本文對(duì)比了幾種減水劑在水泥混凝土中的不同作用效果，總結(jié)了減水劑作用機(jī)理。通過分析其在工程中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用中存在著減水劑與水泥相容性不好這一重要問題。針對(duì)這一問題，分析了水泥與減水劑相容性的影響因素，探討了評(píng)價(jià)相容性的方法，提出了解決這一問題的措施，以期對(duì)減水劑在水泥混凝土工程中的廣泛應(yīng)用提供實(shí)際的參考。

水泥；減水劑；相容性；控制方法

1 引言

混凝土外加劑是在混凝土攪拌前或拌制時(shí)加入的一種用以改善新拌混凝土或硬化混凝土性能的材料[1]。按其主要功能分為改善混凝土流變性能的外加劑(如減水劑、引氣劑和泵送劑等)；調(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)時(shí)間、硬化性能的外加劑(包括早強(qiáng)劑、緩凝劑和速凝劑等)；改善混凝土耐久性的外加劑(包括引氣劑、阻銹劑和防水劑等)；改善混凝土其他性能的外加劑(如粘結(jié)劑、消泡劑、脫模劑、著色劑和防潮劑等)。外加劑已經(jīng)成為混凝土除過水泥、砂、石、水的第五元素。它的發(fā)展給工程帶了可觀的經(jīng)濟(jì)效益[2]。而減水劑是目前研究和使用最廣泛的一種混凝土外加劑[3]。因此，研究減水劑的作用機(jī)理及其在使用過程中存在的問題意義很大。

1.1 減水劑的研究發(fā)展歷程

從減水劑的性能發(fā)展過程來看，減水劑的發(fā)展可以分成四個(gè)階段：(1)以木質(zhì)素磺酸鹽為代表的“普通”減水劑的開發(fā)與應(yīng)用；(2)以萘系為代表的“高效”減水劑；(3)以聚羧酸系為代表的第三代“高性能”減水劑階段。國外自20世紀(jì)90年代開始使用聚羧酸系高性能減水劑，當(dāng)前世界范圍內(nèi)日本(60%)和歐美(20%)對(duì)聚羧酸的使用量已達(dá)到80%以上。摻聚羧酸系高性能減水劑的混凝土具有以下性能特點(diǎn)[4]：摻量低、減水率高；混凝土拌合物綜合性能好、坍損小；增強(qiáng)效果好；低收縮；一定的引氣量；總堿含量和氯離子含量極低；環(huán)境友好。2000年前后，我國混凝土工程界逐漸認(rèn)識(shí)聚羧酸系高性能減水劑。隨著國家鐵路、公路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模開展，聚羧酸系高性能減水劑因其良好的工作性，在各種重、大型工程中得到了應(yīng)用，2006年以后得到了迅猛發(fā)展，2007年產(chǎn)量達(dá)到了41.43萬噸。我國聚羧酸生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能力都較大，目前處于以銷定產(chǎn)的狀態(tài)。

當(dāng)前，聚羧酸系高性能減水劑在我國工程上的應(yīng)用可謂如火如荼[4]，地鐵、引水輸水、西氣東輸?shù)裙こ痰乃淼朗┕ぶ袕V泛使用高精度鋼筋混凝土盾構(gòu)管片，城市橋梁施工中發(fā)展預(yù)制拼裝節(jié)段梁，高速鐵路施工推廣無砟軌道板、箱梁，大型重點(diǎn)工程中的預(yù)制清水混凝土飾面板，大型體育場看臺(tái)開發(fā)了高性能先張預(yù)應(yīng)力板等，均使用了聚羧酸系高性能減水劑。聚羧酸系高性能減水劑的發(fā)展趨勢也不僅僅局限于過去的重大工程、重點(diǎn)部位的應(yīng)用，而面向一般重要工程、普通工程發(fā)展；由高強(qiáng)度等級(jí)、特殊功能混凝土逐步向普通混凝土中應(yīng)用發(fā)展。盡管在使用中還有許多問題有待協(xié)調(diào)解決，但是減水劑在混凝土中的應(yīng)用將越來越廣泛。

1.2 減水劑的研究背景和意義

一般情況下，混凝土外加劑的添加方式是在混凝土的拌前和拌中加入，這種有目的的采取人為的干預(yù)來改變混凝土性能的做法已經(jīng)被廣泛的使用。也有在工程施工時(shí)再加入的，具體的情況和加入的標(biāo)準(zhǔn)要視情況而定，它是一種改善混凝土性能的物質(zhì)，其前提是要保證混凝土本身所具有的基本性能。隨著新技術(shù)的發(fā)展，混凝土外加劑已經(jīng)大大的解決了以前施工當(dāng)中遇見的難題，混凝土技術(shù)的發(fā)展關(guān)系著工程的質(zhì)量，而混凝土技術(shù)又和混凝土外加劑技術(shù)的發(fā)展有關(guān)。所以，十分有必要對(duì)混凝土外加劑目前的應(yīng)用情況和未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行探討，而目前，運(yùn)用最廣泛的是減水外加劑，它已經(jīng)成為混凝土除過水泥、砂、石、水的第五元素。它的發(fā)展給工程帶了可觀的經(jīng)濟(jì)效益?；炷翜p水外加劑應(yīng)用在混凝土中的作用：降低成本；改善混凝土的性能；改善施工。但在運(yùn)用中一直存在著減水劑與水泥的適應(yīng)性問題[5]，只有了解減水劑作用機(jī)理，找到適應(yīng)性不良的原因，才能確保減水外加劑對(duì)混凝土性能有很好的改善。因此，研究減水劑的作用機(jī)理及其在使用過程中存在的問題意義很大。

2 減水劑概述

減水劑是指在混凝土坍落度基本相同的條件下，能顯著減少混凝土拌和用水量的外加劑。它可以增加流動(dòng)性、提高混凝土強(qiáng)度、節(jié)約水泥、改善混凝土的耐久性，此外，還可以改善混凝土拌合物的泌水、離析現(xiàn)象延緩混凝土拌合物的凝結(jié)時(shí)間，減慢水泥水化放熱速度[5]。

2.1 各類減水劑概況

普通減水劑：以木質(zhì)素磺酸鹽為代表，我國從20世紀(jì)50年代起研發(fā)制成，作為我國的第一代減水劑開始使用，由于缺陷的存在，國外已經(jīng)不再使用，但是我國仍在使用。作為最常用的減水劑，它有價(jià)格便宜，來源豐富，制備工藝簡單要求不高，即可單獨(dú)使用，也可和其他減水劑復(fù)配使用等優(yōu)點(diǎn)[6]。但他也有易在混凝土拌合物中產(chǎn)生緩凝現(xiàn)象；常引入氣泡，對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生影響等缺點(diǎn)。木質(zhì)素性和其他有毒有害的化學(xué)物質(zhì)的作用很難控制，不同的木質(zhì)材料摻加工藝也不同，對(duì)混凝土產(chǎn)生一些未知危害。

高效減水劑：以萘系、氨基磺酸鹽系、脂肪族系密胺系為代表，其中萘系高效減水劑在我國于20世紀(jì)80年代研制出，標(biāo)志我國進(jìn)入高效減水劑的時(shí)代，目前國內(nèi)使用的高效減水劑中，萘系減水劑占總量的90%。它的優(yōu)點(diǎn)是：萘磺酸甲醛縮合物，生產(chǎn)工藝簡單，具有生產(chǎn)工藝成熟，不引氣，不緩凝，水泥適應(yīng)性好等特點(diǎn)，減水率為10%-25%；28天抗壓強(qiáng)度可提高15%-50%；當(dāng)水泥用量相同和強(qiáng)度相近時(shí)，可使坍落度20-30mm的低塑性混凝土的坍落度增加100-150mm；在混凝土工作性和強(qiáng)度相近條件下，可節(jié)約水泥10%-20%。存在的不足是：造成混凝土坍落度損失大，對(duì)工程不利，一般需要采用復(fù)配或者改變添加劑方式。低濃型的萘系高效減水劑中硫酸鈉含量的居高不下導(dǎo)致了外加劑中堿含量增高、混凝土的耐久性降低[3]，眾多工程出現(xiàn)堿骨料反應(yīng)現(xiàn)象，使用壽命大幅縮短；氨基磺酸鹽系列減水劑品種眾多，作為第二代減水劑的發(fā)展，減水率高，含堿量低，阻止堿骨料反應(yīng)，冬季不會(huì)發(fā)生沉淀和結(jié)晶，但是其泌水現(xiàn)象較嚴(yán)重；脂肪族系減水劑，具有高減水、高增強(qiáng)、具有生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)和使用無三廢排放的優(yōu)勢，但其在使用中呈明顯深紅色引起質(zhì)疑，但研究發(fā)現(xiàn)并不影響混凝土性能；密胺系高效減水劑是一種水溶性減水劑，適用于蒸養(yǎng)、高強(qiáng)、早強(qiáng)及流態(tài)混凝土，低引氣，高減水，無緩凝現(xiàn)象，呈現(xiàn)對(duì)混凝土較好的增強(qiáng)效果，存在的不足是摻加傳統(tǒng)的該類減水劑會(huì)造成一定程度坍落度損失。

高性能減水劑：以聚羧酸系為代表的一類減水劑，目前國內(nèi)的高性能減水劑聚羧酸類減水劑，具有以下特點(diǎn)：①減水率高，摻量少、保坍性能好、后期強(qiáng)度大、引氣量和緩凝較為適中；②適宜配制高流動(dòng)性、自密實(shí)混凝土，合成過程不使用甲醛，對(duì)環(huán)境不影響，成為第三代的高性能減水劑；③該類減水劑母體單一，為了滿足要求采用復(fù)配，但復(fù)配又出現(xiàn)與水泥相容性、后期強(qiáng)度及環(huán)境污染等不足[4]。

2.2 各類減水劑減水率大小的比較分析

普通減水劑：普通減水劑對(duì)混凝土具有一般的減水、增強(qiáng)的作用。若混凝土和易性保持不變，可使混凝土單位用水量減少5-10%，因而可提高混凝土強(qiáng)度和改善混凝土的性能。普通減水劑可用于一般工程的預(yù)制或現(xiàn)澆、預(yù)應(yīng)力、大體積、滑模、大模板及泵送混凝土等。但不宜用于5 ℃ 以下的施工，也不宜單獨(dú)用于蒸氣養(yǎng)護(hù)混凝土。木質(zhì)素類：一般為8%-13%左右，對(duì)于高性能的混凝土很難滿足其要求。

高效減水劑：大幅度減水、增強(qiáng)。在保證混凝土和易性不變的情況下，將減水率提高到10%以上，這樣也可以提高混凝土的早期強(qiáng)度和28d 強(qiáng)度，同時(shí)也能改善混凝土的耐久性，提高混凝土的抗凍性、抗?jié)B性等。若混凝土用水量不變，可以大幅度改善混凝土的流動(dòng)性，若混凝土和易性不變，可以節(jié)約水泥10-20%，并且混凝土強(qiáng)度不變。高效減水劑適用于一般的工業(yè)與民用建筑、水利、港口、交通等工程中的現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、熱養(yǎng)預(yù)制構(gòu)件混凝土等。萘系減水劑：減水率為10%-25%；氨基磺酸鹽類減水劑：20%左右。

脂肪族類減水劑：20%左右；密胺系減水劑：10%-27%。聚羧酸類高性能減水劑：高達(dá)30%以上。

2.3 減水劑作用機(jī)理

目前高效減水劑的作用機(jī)理主要有兩個(gè)：一個(gè)是以“吸附－靜電斥力(ζ-電位)－分散”為主體的靜電斥力理論，該理論可以很好的解釋萘系高效減水劑、三聚氰胺系高效減水劑和改性木質(zhì)素磺酸鹽高效減水劑等常用減水劑的減水機(jī)理[3]；另一個(gè)是以“吸附－空間效應(yīng)－分散”為主體的空間位阻理論。

吸附—分散作用：水泥加水拌合后，由于水泥顆粒分子引力的作用，使水泥漿形成絮凝結(jié)構(gòu)，使10%～30%的拌合水被包裹在水泥顆粒之中，不能參與自由流動(dòng)和潤滑作用，從而影響了混凝土拌合物的流動(dòng)性。當(dāng)加入減水劑后，由于減水劑分子能定向吸附于水泥顆粒表面，使水泥顆粒表面帶有同一種電荷(通常為負(fù)電荷)，形成靜電排斥作用，促使水泥顆粒相互分散，這樣就會(huì)促使水泥漿體絮凝狀結(jié)構(gòu)分散解體，釋放出被包裹部分水，參與流動(dòng)，從而有效地增加混凝土拌合物的流動(dòng)性。

靜電斥力理論：高效減水劑大多屬于陰離子表面活性劑，由于水泥水化時(shí)粒子表面帶有正電荷(Ca2+)，減水劑中的陰離子(—COO-或—SO32-)就會(huì)吸附于水泥粒子上，形成雙電位(ζ電位)，使水泥粒子相互排斥，防止了凝聚的產(chǎn)生(雙電層理論)。隨著ζ電位絕對(duì)值的增大，粒子間將以斥力為主，進(jìn)而防止了粒子間的凝聚。不會(huì)凝聚也就是能夠?qū)⑿跄Y(jié)構(gòu)中的拌合水釋放出來。

空間位阻理論：這一理論適用于正處于開發(fā)階段的羧酸系高性能減水劑。羧酸系減水劑的減水率高于這三類減水劑,主要是由于氨基磺酸系、萘系和三聚氰胺系減水劑的分子以平躺(棒狀)形式吸附在水泥顆粒表面，而羧酸系減水劑分子是以環(huán)線狀或梳狀形式吸附在水泥顆粒表面，這種吸附形式使水泥顆粒表面具有較大的空間位阻,有效防止了水泥顆粒的團(tuán)聚，提高了水泥顆粒的分散效果。減水劑分子鏈的吸附形式如圖2.1所示

圖2.1 減水劑分子鏈的吸附形式

3 減水劑在混凝土工程中的應(yīng)用

減水外加劑作為高性能混凝土的一個(gè)必不可少的組分，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。它在混凝土坍落度基本相同的條件下能顯著減少混凝土拌和用水量，可以增加流動(dòng)性、提高混凝土強(qiáng)度、節(jié)約水泥、改善混凝土的耐久性。此外，減水劑的使用還可以提高混凝土拌合物的保坍性，改善混凝土拌合物的泌水、離析等現(xiàn)象，延緩混凝土拌合物的凝結(jié)時(shí)間，減慢水泥水化放熱速度，降低水泥水化所引起的裂變、收縮及熱變形等現(xiàn)象?？傊?，它在混凝土中的作用既可以降低成本、改善施工又可以改善混凝土的性能。

3.1 工程應(yīng)用中存在的問題

雖然幾十年來，我國減水劑在混凝土中的應(yīng)用有了很大進(jìn)展，但混凝土外加劑與水泥的適應(yīng)性問題，自外加劑應(yīng)用于混凝土以來，一直伴隨至今，減水劑與混凝土的適應(yīng)性問題也尤為突出[5]。要充分發(fā)揮混凝土外加劑在建筑工程中的作用，首先要掌握混凝土外加劑與水泥適應(yīng)的作用規(guī)律，才能解決好混凝土外加劑與水泥適應(yīng)性問題，從而確?；炷辆哂休^好的施工性能，并且確保體積穩(wěn)定性能、耐久性能及混凝土強(qiáng)度等符合施工要求。減水劑與水泥適應(yīng)性的好壞可以用吸附量大小來評(píng)定，而吸附量的測定可以用紫外可見吸收光譜分析，所用儀器為紫外可見分光光度計(jì)。評(píng)價(jià)高效減水劑相容性的方法是：以凈漿流動(dòng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)的凈漿流動(dòng)度法；以反映水泥凈漿流下時(shí)間與高效減水劑摻量動(dòng)態(tài)變化的Marsh Cone(錐度計(jì))法。相容性的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有三個(gè)：初始、60min減水劑飽和點(diǎn)(是指漿體流動(dòng)度不再上升的減水劑摻量)；基準(zhǔn)減水劑0.8%摻量時(shí)的初始Marsh時(shí)間或流動(dòng)度；基準(zhǔn)減水劑0.8%摻量時(shí)的經(jīng)過時(shí)損失率。

本文以張呼鐵路項(xiàng)目二分部施工的翁家灣西洋河特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃摴こ涛挥趶埣铱谑袘寻部h附近，主要跨越西洋河及G110國道，丹拉高速等多條道路，本橋位于西洋河水庫下游跨越西洋河，樁基混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30.C35,墩身強(qiáng)度等級(jí)C35，環(huán)境類別、等級(jí)T2、H1。所使用的減水劑為山西桑姆斯建材化工有限公司生產(chǎn)的HPWR-R型緩凝聚羧酸高效減水劑，各項(xiàng)檢測指標(biāo)見表1。

表1 減水劑檢測結(jié)果

按照J(rèn)C/T1083-2008《水泥與減水劑相容性試驗(yàn)方法》對(duì)本工程所使用的減水劑進(jìn)行相容性檢測，見表2。

表2 減水劑與水泥適應(yīng)性檢測結(jié)果

通過檢測，最終測定減水劑的最佳飽和摻量為1.0%，拌制混凝土后各項(xiàng)性能檢測指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述影響混凝土減水劑和水泥適應(yīng)性的因素很多，有減水劑方面的因素、也有水泥方面的因素、還有混凝土摻合料品種、摻量和摻加方法及環(huán)境等因素的影響。

① 減水劑方面的影響因素：減水劑方面的影響因素主要有：減水劑種類及其分子結(jié)構(gòu)、聚合度、純度、摻量等。水泥等無機(jī)礦物顆粒由于范德華力、不同電荷的靜電相互作用、水泥水化顆粒的表面化學(xué)作用，導(dǎo)致水泥顆粒粒子形成聚集結(jié)構(gòu)，束縛一部分水，不能用于潤滑水泥粒子，也不能立即用于水化。

② 水泥方面的影響因素：水泥礦物組成成分、游離氧化鈣含量、含堿量、石膏形態(tài)及其摻量、水泥細(xì)度、新鮮程度等都會(huì)影響減水劑與水泥適應(yīng)性。

③ 混凝土摻合料的影響因素：主要有摻合料的品種、摻加方式等方面的影響因素。活性摻合料的品種主要有硅灰、磨細(xì)礦渣粉、粉煤灰等。當(dāng)混凝土摻入適量活性摻合料時(shí)，不但能節(jié)約水泥，改善混凝土的工作性能，提高混凝土的強(qiáng)度，還能改善外加劑對(duì)水泥的適應(yīng)性[5]。

④ 環(huán)境方面的影響：環(huán)境的溫濕度對(duì)適應(yīng)性問題的影響也很大。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，混凝土表面水分蒸發(fā)和水泥的水化反應(yīng)速度都將加快，而混凝土內(nèi)部游離水通過毛細(xì)管補(bǔ)充到混凝土表面，并被蒸發(fā)而減少。由于這兩方面的原因,將使新拌混凝土坍落度損失加快。因此在高溫環(huán)境中，需要提高混凝土外加劑的摻量并采取措施減少混凝土表面的水分蒸發(fā)。環(huán)境濕度較高時(shí)，混凝土表面的水分蒸發(fā)會(huì)減少，混凝土坍落度損失也將減少，所以環(huán)境濕度也會(huì)對(duì)水泥與外加劑的適應(yīng)性產(chǎn)生影響。

3.3 工程應(yīng)用中問題的改善措施

(1) 正確選擇減水劑的種類

減水劑的選用以減水率、保水性和保塑性為主要指標(biāo)。在不增加用水量的前提下，使商品混凝土具有大坍落度、不離析、不泌水、坍落度經(jīng)時(shí)損失小等性能的外加劑是優(yōu)選產(chǎn)品。

(2) 合理確定減水劑的最佳摻量

最佳摻量指的是通過混凝土試配而確定的減水外加劑的摻入量。在滿足混凝土性能要求的前提下，摻入量越少越經(jīng)濟(jì)。決定摻入量的因素主要有減水劑的品種、減水劑應(yīng)用的目的、水泥品種、混凝土組成材料及配比、單位水泥用量等。此外，混合材等也影響外加劑的摻量。比表面高、C3A含量高的水泥高效減水劑摻量應(yīng)多一些。

(3) 充分考慮外加劑與水泥的雙向適應(yīng)性

水泥與外加劑的雙向適應(yīng)指的是在配置混凝土?xí)r，不僅要求外加劑適應(yīng)水泥，同時(shí)也要求水泥通過調(diào)整其熟料礦物組成、細(xì)度及顆粒級(jí)配等來適應(yīng)外加劑。只有二者雙向適應(yīng)了，才能配制出性能優(yōu)異、施工方便的混凝土。

4 結(jié)論與展望

通過對(duì)減水劑在混凝土工程中的應(yīng)用分析得出結(jié)論：水泥與減水劑的相容性，同時(shí)受到減水劑、水泥、礦物摻合料、環(huán)境等多方面因素的影響，所以可以從這幾方面入手綜合解決相容性不好這一問題。

隨著商品混凝土的大量應(yīng)用，越來越離不開混凝土減水外加劑，它在混凝土工程中發(fā)揮的作用大家有目共睹。雖然影響混凝土減水劑與水泥適應(yīng)性的因素很多，但是只要人們注意到混凝土減水劑與水泥存在適應(yīng)性的問題，正確選擇混凝土減水劑與水泥及摻合料品種等原材料，合理確定混凝土減水劑的最佳摻量并充分考慮減水劑與水泥雙向適應(yīng)性這些問題，通過混凝土配合比設(shè)計(jì)與試配，合理配制混凝土，混凝土減水劑與水泥適應(yīng)性就可以較好地得到解決。

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