粉煤灰、減水劑對水泥漿體相容性影響的試驗研究

方 芳 閆彭亮 黃茂英 張會芳

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000;2.四川能投電力開發(fā)有限公司,四川 內(nèi)江 611130)

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粉煤灰、減水劑對水泥漿體相容性影響的試驗研究

方 芳1閆彭亮1黃茂英2張會芳1

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000;2.四川能投電力開發(fā)有限公司,四川 內(nèi)江 611130)

通過調(diào)整萘系和聚羧酸系減水劑的含量，觀察水泥漿體的流動性和流動性經(jīng)時損失的變化，由此確定減水劑的飽和點和減水劑對水泥相容性影響；減水劑在飽和點摻量時，調(diào)整粉煤灰摻量，研究粉煤灰摻量對水泥相容性的影響.結(jié)果表明：水泥漿體的流動度隨減水劑摻量的增加而增大；萘系減水劑的飽和點摻量為0.8%，聚羧酸系減水劑的飽和點摻量為1.4%；在減水劑飽和點附近，靜置35 min、60 min，萘系、聚系減水劑流動度經(jīng)時損失分別為65%和39%，且聚羧酸系減水劑具有滯后性；聚系減水劑與水泥的相容性優(yōu)于萘系高效減水劑；在減水劑飽和點摻量處，隨著粉煤灰含量的增加，水泥漿體的流動度增大.

粉煤灰；萘系減水劑；聚羧酸系減水劑；相容性；水泥漿體

0 引 言

混凝土作為建筑材料應(yīng)用越來越廣泛，混凝土的各種性能對混凝土的廣泛使用影響較大，特別是減水劑、礦物摻合料和水泥的相容性影響較大.減水劑可以明顯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學(xué)性能，節(jié)約水泥，改善施工條件，提高施工效率，故其在預(yù)拌混凝土中作用日益明顯.但是工程實踐表明減水劑和混凝土的各組份材料之間存在相容性的問題[1]，其對于水泥的影響最大，造成的事故也最為嚴(yán)重.減水劑與水泥的相容性差主要表現(xiàn)[2]為混凝土攪拌運輸過程出現(xiàn)異常凝結(jié)、混凝土坍落度經(jīng)時損失損失率高、硬化混凝土出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象.例如，北京國賓花園工程中一批混凝土出現(xiàn)急凝現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)疏松，最后將已澆筑完成的混凝土全部砸掉，檢查結(jié)果表明由于減水劑與水泥相容性有問題.在寶鋼工程建設(shè)過程中，上海吳凇水泥廠的水泥外摻木鈣減水劑配制泵送混凝土?xí)r，混凝土出現(xiàn)了急凝現(xiàn)象，不能實現(xiàn)泵送施工，導(dǎo)致工程質(zhì)量事故，檢查結(jié)果表明減水劑與水泥使用的硬石膏相容性有問題.

本文以工程中應(yīng)用最廣泛的兩種高效減水劑—聚羧酸系高效減水劑和萘系高效減水劑以及常用的礦物摻合料粉煤灰為研究載體，研究減水劑、粉煤灰對水泥凈漿相容性的影響，以期為實際的工程應(yīng)用提供一定的借鑒.

1 試驗原料和試驗方法

1.1 試驗原料

水泥選用張家口宣化水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥42.5的水泥.水泥的物理指標(biāo)和化學(xué)組成如表1、2所示.

表1 水泥的物理指標(biāo)

表2 水泥的化學(xué)組成/%

減水劑和粉煤灰的情況如表3所示，其中，粉煤灰是張家口市沙嶺子電廠Ⅱ級粉煤灰，表觀密度ρ=2200 kg/m3；試驗中的攪拌用水是張家口市政管網(wǎng)生活用自來水.

表3 減水劑和粉煤灰性能參數(shù)

1.2 試驗方法

高效減水劑與水泥的相容性，一般是通過水泥凈漿流動度試驗來檢測，本試驗采用GB/T 8077-2012《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗方法》中水泥凈漿流動度試驗方法[3].在凈漿的水膠比為0.292的條件下進行水泥、粉煤灰與高效減水劑相容性檢驗，外加劑的摻量從0%開始，依次以0.2%遞增減水劑摻量，直到檢測出減水劑的飽和點摻量，然后在減水劑飽和摻量處以相同的試驗方法，以粉煤灰的5%摻量遞增，直到檢測出粉煤灰的最佳摻量.

所用的儀器主要包括凈漿攪拌機、截錐圓模(下口直徑60 mm、上口直徑36 mm、高60 mm、壁厚0.5 mm)、玻璃平板、直尺、秒表.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同減水劑對水泥漿體流動度的影響

常溫萘系減水劑、聚羧酸減水劑用量分別按(0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%)依次遞增，其中水泥用量300 g、水用量88 ml.試驗結(jié)果如圖1、2所示.

圖1可以看出：在萘系JK—2高效減水劑摻量低于0.8%時，隨著摻量的增加，水泥漿體初始流動度增加，且在萘系JK—2高效減水劑摻量超過0.4%時，水泥漿體初始流動度增長幅度較大.雖然萘系JK—2高效減水劑的摻量為1.0%時，水泥漿體的初始流動度高于摻量為0.8%時的流動度，但是增加比例低于4%，可認(rèn)為其飽和摻量點為0.8%.在萘系JK—2高效減水劑飽和點附近，初始流動度損失較大.靜置35 min、60 min，流動度損失超過65%.主要是因為萘系減水劑的憎水主鏈吸附在水泥顆粒表面[4]，降低水泥顆粒固-液界面能，有利于水泥顆粒的潤濕分散，阻止水與顆粒接觸，抑制水泥水化進行；另一方面，萘系減水劑的主導(dǎo)極性官能團為磺酸基(-SO3-)，高接枝密度的磺酸基在水泥顆粒表面具有較強的吸附能力，提供靜電斥力，使水泥顆粒趨于分散.

圖1 萘系減水劑摻量對水泥漿體流動度的影響

圖2可以看出：在聚羧酸系JK—4減水劑摻量低于1.4%時，隨著摻量的增加，水泥漿體初始流動度增加，且在聚羧酸系JK—4減水劑摻量超過0.8%時，水泥漿體初始流動度增長幅度較大.當(dāng)摻量為1.6%時，初始流動度沒有明顯地增加，可以認(rèn)為其飽和點摻量為1.4%，靜置35 min、60 min，流動度損失39%.從35 min到60 min，流動度不僅沒有損失，反而還有所增加，這就表現(xiàn)出聚羧酸系JK—4減水劑有滯后性.這是因為聚羧酸減水劑的分子結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基(-OH)、醚基(-O-)、羧基(-COO-)、磺酸基(-SO3-)、聚氧乙烯基(-OCH2CH2-)等功能性官能團[5]，一方面主鏈吸附在水泥顆粒表面阻止顆粒與水接觸，同時羧基(-COO-)提供靜電斥力，另一方面，聚羧酸減水劑分子中含有大量的羥基(-OH)、醚基(-O-)、羧基(-COO-)，這些極性基具有較強的液-氣界面活性，因此具有引氣隔離“滾珠”減水效應(yīng).此外，聚氧乙烯基長側(cè)鏈產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)，極大增加了水化層的厚度，延緩水泥水化.因此，聚羧酸類減水劑對水化的抑制能力和對水泥的分散能力明顯強于萘系減水劑.

圖2 聚羧酸系減水劑摻量對水泥漿體流動度的影響

從上述試驗數(shù)據(jù)、圖像、作用機理分析可知：聚羧酸系JK—4減水劑比萘系JK—2減水劑的漿體初始流動度大，飽和點摻量略大，流動度經(jīng)時損失小于后者.文獻[6]指出，減水劑與水泥的相容性優(yōu)劣的主要指標(biāo)為漿體初始流動度、飽和點摻量、流動度經(jīng)時損失.由此可以說明，聚羧酸系減水劑與水泥的相容性好于萘系減水劑.

2.2 粉煤灰的摻量對定量減水劑和水泥漿體相容性的影響

萘系減水劑的摻量為0.8%，聚羧酸系減水劑摻量為1.4%，粉煤灰用量按(5%、10%、15%、20%、25%)遞增來進行試驗.其中水泥用量300 g、用水量88 ml.圖3、4所示粉煤灰摻量對定量減水劑和水泥漿體相容性的影響.

圖3可以看出：在粉煤灰摻量15%以前，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥的初始流動度增大，粉煤灰摻量15%以后，水泥的初始流動度減小.35 min、60 min的流動度隨著粉煤灰摻量增加而增加.對比圖1的飽和點可以發(fā)現(xiàn)：粉煤灰改善了水泥的流動度，而且降低了經(jīng)時損失度.

圖3 粉煤灰摻量對萘系減水劑和水泥漿體相容性的影響 圖4 粉煤灰摻量對聚羧酸系減水劑相容性的影響

圖4可以看出：在粉煤灰摻量10%以前，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥的初始流動度增大，粉煤灰摻量10%以后，水泥的初始流動度減小.粉煤灰摻量的增加，經(jīng)時損失降低.對比圖2，可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰改善水泥流動度明顯，而且降低了經(jīng)時損失.

綜合對比圖1、2、3、4，可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量對聚羧酸系減水劑相容性的影響更加顯著.分析粉煤灰的作用機理來解釋上述現(xiàn)象.粉煤灰中含有大量的球狀玻璃微珠填，其填充在水泥顆粒之間，起到一定的潤滑作用.粉煤灰粒徑較小，在孔隙和凝膠體中分散均勻，填充在毛細(xì)管及孔隙裂縫中，從而顯著地提高水泥的流動性.由于存在玻璃微珠的形態(tài)效應(yīng)與細(xì)粉料的微骨料效應(yīng)[7]，粉煤灰的摻入明顯地降低了新拌和物的粘滯系數(shù)，從而使水泥顆粒運動阻力減小，增強拌和物的流動性，所以摻有這兩種減水劑的水泥的流動度都上升.對于粉煤灰到一定的摻量，水泥的初始流動度開始下降，是由于粉煤灰中的含碳量相對較高，摻入減水劑，碳粒對減水劑吸附的作用較強，導(dǎo)致外加劑的作用效果下降，宏觀表現(xiàn)為流動度降低.

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)水泥摻加減水劑時，流動度明顯增強，且流動度隨減水劑摻量的增加而增大.對于萘系高效減水劑，其飽和點摻量為0.8%，聚羧酸系高效減水劑的飽和點摻量為1.4%.

(2)萘系高效減水劑靜置35 min、60 min，流動度損失超過65%.聚羧酸系減水劑靜置35 min、60 min，流動度損失僅為39%.聚羧酸系減水劑的經(jīng)時損失小于萘系減水劑，與水泥的相容性好于萘系減水劑.

(3)在減水劑達到飽和點時，隨著粉煤灰含量的增加，水泥漿體的流動度增大.當(dāng)萘系高效減水劑達到飽和點時，粉煤灰的摻量為15%為最優(yōu)摻量.當(dāng)聚羧酸系高效減水劑到飽和點時，粉煤灰的摻量為10%為最優(yōu)摻量.

[1]郭清春.聚羧酸減水劑與減縮劑的相容性研究[D].重慶大學(xué),2012

[2]王英,汪國慶,洪映林.硅酸鹽水泥與萘系高效減水劑相容性機理一覽[J].建材發(fā)展導(dǎo)向,2014,08:61～64

[3]郭濤,王玲,等編著.混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法[J].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012[4]廖國勝,邢江娣,李三友.聚羧酸類減水劑在混凝土中的應(yīng)用研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,02:214～217[5]嚴(yán)捍東.新型建筑材料教程[M].北京：中國建材工業(yè)出版社,2004

[6]姚燕,王玲,田培.高性能混凝土[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006

[7]何智海,劉寶舉,楊元霞.粉煤灰對水泥膠凝體系與高效減水劑相容性影響的研究[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年張家口市科技局項目(I421010B)

方芳(1980-)，女，大學(xué)本科，館員.

TU 5

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