高溫差地區(qū)聚羧酸減水劑與水泥相容性問題及解決措施

鄧俊

摘要：當(dāng)減水劑與水泥出現(xiàn)不相容問題時(shí)，混凝土施工性能會(huì)受到較大影響。為解決高溫差地區(qū)聚羧酸減水劑與水泥的相容性問題，通過工程實(shí)際案例，對(duì)聚羧酸減水劑與水泥的不相容現(xiàn)象進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，聚羧酸減水劑對(duì)溫度環(huán)境較為敏感，高溫差環(huán)境會(huì)導(dǎo)致其與水泥的相容性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致混凝土拌和物性能的變化。通過調(diào)整減水劑配方等措施可有效解決環(huán)境溫度對(duì)相容性的影響。

關(guān)鍵詞： 減水劑相容性;高溫差;混凝土拌和物;解決措施

中圖法分類號(hào)：TV42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.014

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）12 - 0082 - 05

0 引 言

聚羧酸高效減水劑是高效減水劑的新品種，具有很多良好的使用性能[1]。通常以其摻量低、減水率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，受到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注，經(jīng)過多年發(fā)展，市場(chǎng)上將不同性能的聚羧酸系減水劑產(chǎn)品系列化，進(jìn)而合成和生產(chǎn)復(fù)合功能型減水劑[2]，由于組分和工藝不同會(huì)呈現(xiàn)不同特性[3]。減水劑是一種在維持混凝土坍落度基本不變的條件下，能減少拌和用水量的混凝土外加劑。減水劑加入混凝土拌和物后對(duì)水泥顆粒有分散作用，能改善其工作性，減少單位用水量，改善混凝土拌和物的流動(dòng)性;或減少單位水泥用量，節(jié)約水泥;是商品混凝土中重要原材料組成之一。商品混凝土生產(chǎn)時(shí)，在使用減水劑過程中往往會(huì)遇到水泥與減水劑不相容而造成混凝土質(zhì)量波動(dòng)的問題。由于減水劑的相容性問題不是單方面的，在遇到混凝土施工性能及質(zhì)量問題時(shí)往往需要大量的試驗(yàn)來查明原因。特別是市面上常用的聚羧酸減水劑，綜合性能優(yōu)異、綠色環(huán)保、可調(diào)控范圍廣、減水率高，可使水泥及膠凝材料的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。但根據(jù)相關(guān)研究，聚羧酸高性能減水劑在不同溫度條件下，對(duì)水泥體系中的分散性能和吸附性能較為敏感，作用效果對(duì)溫度的依賴性較大[4]，同時(shí)在拌制水泥漿時(shí)，混凝土的性能表現(xiàn)易受所用水泥品質(zhì)和使用時(shí)水泥的溫度影響[5]。在高溫差地區(qū)往往更易出現(xiàn)減水劑與水泥相容性問題。本文重點(diǎn)通過水泥摻合料和聚羧酸減水劑相關(guān)案例進(jìn)行分析，提出應(yīng)對(duì)高溫差地區(qū)聚羧酸減水劑相容性問題的解決措施。

1 聚羧酸減水劑成分及機(jī)理分析

1.1 聚羧酸減水劑成分

聚羧酸減水劑包括近百種不同化學(xué)成分的聚羧酸系減水劑（PCE），大致可歸為4大類（結(jié)構(gòu)都屬于梳狀結(jié)構(gòu)）：①甲基丙烯酸/烯酸甲酯共聚物，也稱聚酯型聚羧酸減水劑，這一類減水劑是由甲基丙烯酸（MAA）和甲基丙烯酸甲氧基聚乙二醇酯化物（MAA-MPEG）通過聚合作用產(chǎn)生的，其主鏈和支鏈由酯鍵連接;②丙烯基醚共聚物，又稱聚醚型聚羧酸減水劑，其主要原料包含不飽和雙鍵的丙烯基聚氧乙烯醚（APEG）或甲基丙烯基聚氧乙烯醚（TPEG）等，與帶有功能基團(tuán)的不飽和小單體進(jìn)行共聚反應(yīng)生成醚類聚羧酸系聚合物;③酰胺/亞酰胺型聚羧酸聚合物，這是由美國的W. R. Grace研發(fā)的一種新類型PCE，通過在丙烯酸/甲基丙烯酸或含甲氧基的酯的共聚物上嫁接EO/PO氮鹵化合物而形成;④兩性聚羧酸減水劑，也稱聚酰胺-聚乙烯乙二醇支鏈型減水劑。

1.2 作用機(jī)理

減水劑作用機(jī)理是其表面活性劑對(duì)水泥水化過程產(chǎn)生一種重要作用：減水劑在不影響混凝土工作性的條件下，能使單位用水量減少;也能在不改變單位用水量的條件下，改善混凝土的和易性;或同時(shí)具有以上兩種效果，又不顯著改變含氣量。水泥與水?dāng)嚢韬?，產(chǎn)生水化反應(yīng)，出現(xiàn)一些絮凝狀結(jié)構(gòu)，包裹著很多拌和水，從而降低了新拌混凝土的和易性（又稱工作性，主要指新鮮混凝土在攪拌、運(yùn)輸、澆灌等施工過程中能保持均勻、密實(shí)而不發(fā)生分層離析現(xiàn)象的性能）。施工中，為了保持混凝土所需的和易性，就必須相應(yīng)地增加拌和水量，但水量的增加會(huì)使水泥石結(jié)構(gòu)中形成過多的孔隙，從而嚴(yán)重影響硬化混凝土的物理力學(xué)性能。因此，若能將上述包裹的水分釋放出來，混凝土的用水量就可大大減少。在制備混凝土的過程中，摻入適量減水劑可以很好地起到這樣的作用。目前，所使用的混凝土減水劑都是表面活性劑，屬于陰離子表面活性劑?；炷林袚饺霚p水劑后，減水劑的憎水基團(tuán)定向吸附于水泥顆粒表面，而親水基團(tuán)指向水溶液，構(gòu)成單分子或多分子層吸附膜。由于表面活性劑的定向吸附，使水泥膠粒表面帶有相同符號(hào)的電荷，于是在同性相斥的作用下，不但能使水泥-水的物理化學(xué)變化體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，還能使水泥在加水初期形成的絮凝狀結(jié)構(gòu)分散解體，從而將絮凝結(jié)構(gòu)內(nèi)的水釋放出來，達(dá)到減水的目的。

減水劑加入后，不僅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較大幅度的下降，水泥石內(nèi)部孔隙體積明顯減少，水泥石更為致密，混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著提高。根據(jù)摻量及復(fù)配工藝的不同，減水劑的加入還會(huì)影響水泥的水化速度和凝結(jié)時(shí)間。

2 水泥與聚羧酸減水劑不相容性分析

2.1 主要表現(xiàn)

自聚羧酸減水劑得到廣泛應(yīng)用以來，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一種減水劑對(duì)不同品牌的水泥常常表現(xiàn)出不同的應(yīng)用效果，尤其會(huì)導(dǎo)致新拌混凝土的流變性能隨時(shí)間的變化大不一樣，這一現(xiàn)象可用“減水劑與水泥的相容性”來解釋。水泥與減水劑相容性是指使用相同減水劑或水泥時(shí)，由于水泥或減水劑的質(zhì)量不同而引起水泥漿體流動(dòng)性、經(jīng)時(shí)損失的變化程度，以及獲得相同流動(dòng)性時(shí)減水劑用量的變化程度。水泥與減水劑若能產(chǎn)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)和得到相應(yīng)的物理結(jié)果則相容性好，反之，若相互排斥則不相容。不相容一般主要表現(xiàn)在以下方面[6]：

（1）在混凝土配合比中，各種原材料包括水泥、砂石骨料等都合格的前提下，減水劑用量異常，新拌混凝土初始坍落度與擴(kuò)展度小，即通俗說法的“混凝土無法打開狀態(tài)”。

（2）剛拌制的混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度滿足配合比設(shè)計(jì)要求，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，混凝土坍落度與擴(kuò)展度損失變大，出現(xiàn)了黏稠、保坍效果差的現(xiàn)象。

（3）新拌制混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度達(dá)到施工要求的情況下，出機(jī)口混凝土和易性差、漿體包裹性差，出現(xiàn)骨料分離、漿體下沉、跑漿、泌水等現(xiàn)象。

（4）混凝土凝結(jié)硬化時(shí)間變化異常，出現(xiàn)了假凝、速凝、凝結(jié)時(shí)間超長(zhǎng)等不正?，F(xiàn)象。

（5）混凝土抗?jié)B性和耐久性明顯降低，抗壓強(qiáng)度波動(dòng)大，甚至出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。

2.2 影響因素

水泥與聚羧酸減水劑的不相容現(xiàn)象是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，影響因素較多，涉及到化工、水泥化學(xué)、高分子材料學(xué)、物理學(xué)等多方面的知識(shí)。相關(guān)研究表明，出現(xiàn)減水劑與水泥不相容現(xiàn)象主要有以下幾個(gè)方面的因素：①水泥及減水劑化學(xué)成分的影響;②水泥物理性質(zhì)包括細(xì)度和顆粒級(jí)配分布的影響;③水泥新鮮程度的影響;④溫度的影響;⑤減水劑的合成工藝及復(fù)配技術(shù)的影響[7]。

3 工程案例及解決措施

3.1 工程概況

金沙水電站地處干熱河谷地帶，全年分為干濕兩季。干季為冬春季節(jié)，濕季為夏秋季節(jié)，全年晝夜溫差大，最大晝夜溫差達(dá)20 ℃。水電站施工采用商品混凝土，混凝土高峰月的澆筑強(qiáng)度為7.0萬m3?；炷僚浜现?，減水劑與水泥分別使用中國某品牌聚羧酸減水劑（A）及某品牌中熱水泥（B）?；炷林饕浜媳热绫?所示。

3.2 水泥與減水劑不相容現(xiàn)象分析

工程建設(shè)期內(nèi)，發(fā)生了一次持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的水泥與減水劑不相容現(xiàn)象。2016年2月混凝土系統(tǒng)建成投產(chǎn)，試驗(yàn)室進(jìn)行了混凝土配合比試驗(yàn)并確定生產(chǎn)配合比。系統(tǒng)投產(chǎn)后混凝土生產(chǎn)一直較為正常，拌和物質(zhì)量及性能符合設(shè)計(jì)要求。進(jìn)入5月后，晝夜溫差大，混凝土施工性能突然出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，主要表現(xiàn)在：晝間午間時(shí)段剛拌制的混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度滿足設(shè)計(jì)要求，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，混凝土坍落度與擴(kuò)散度的經(jīng)時(shí)損失變大，出現(xiàn)了黏稠、保坍效果差的現(xiàn)象;到夜間低溫時(shí)段，生產(chǎn)中又出現(xiàn)混凝土出機(jī)和易性差、漿體包裹性差，骨料分離、漿體下沉、跑漿、泌水等現(xiàn)象。在不同溫度環(huán)境下晝間與夜間生產(chǎn)的新拌制混凝土性能狀態(tài)差異明顯，性能質(zhì)量波動(dòng)大。針對(duì)所發(fā)生的問題，對(duì)原材料（水泥、粉煤灰、砂石骨料、外加劑等）及配合比進(jìn)行復(fù)核及相容性排查情況如下。

3.2.1 水泥、粉煤灰、砂石骨料、減水劑原材料復(fù)核

（1）對(duì)中熱硅酸鹽水泥P·MH42.5進(jìn)行了各項(xiàng)檢測(cè)，得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。經(jīng)復(fù)查，水泥各項(xiàng)指標(biāo)（含化檢）相對(duì)前期無較大變化。但檢查發(fā)現(xiàn)，新批次水泥剛進(jìn)場(chǎng)時(shí)溫度較高，最高達(dá)47 ℃。通過倒查水泥廠家發(fā)現(xiàn)，該廠家只有一條水泥生產(chǎn)線，供應(yīng)能力不足，不能同時(shí)生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥和中熱硅酸鹽水泥，中熱水泥的供應(yīng)按計(jì)劃排產(chǎn)，每個(gè)月有2～3次的生產(chǎn)線切換，導(dǎo)致新生產(chǎn)的中熱水泥庫存時(shí)間不夠，溫度較高。

（2）對(duì)所用粉煤灰性能進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，粉煤灰各項(xiàng)指標(biāo)的質(zhì)量波動(dòng)相對(duì)較穩(wěn)定，相應(yīng)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

（3）對(duì)該工程的生產(chǎn)用砂進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。細(xì)骨料各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，且砂石骨料、毛料與前期一致。經(jīng)亞甲藍(lán)MB值快速試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沉淀物周圍出現(xiàn)明顯色暈，則判定亞甲藍(lán)快速試驗(yàn)結(jié)果合格。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示砂樣中的微粒（0.75 μm）顆粒以石粉為主，排除了含泥量超標(biāo)的影響。

（4）對(duì)減水劑情況進(jìn)行檢測(cè)?；炷辽a(chǎn)所用聚羧酸減水劑批次一致，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，均在稀釋后使用，減水劑稀釋濃度為20%，每班試驗(yàn)室均對(duì)其濃度進(jìn)行檢測(cè)，減水劑濃度控制在（20±5）%，拌和樓外加劑摻量復(fù)核無誤。由于減水劑母液復(fù)配參數(shù)涉及商業(yè)機(jī)密（包含標(biāo)準(zhǔn)型、緩凝型、早強(qiáng)型、保坍型、減縮型、降粘型），本文無具體參數(shù)。

3.2.2 配合比復(fù)核及調(diào)整

將各種原材料在試驗(yàn)室按原配合比與調(diào)整后的減水劑配方進(jìn)行人工拌制對(duì)比。試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目包括：混凝土坍落度損失、擴(kuò)散度、和易性、含氣量等，檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，新拌制混凝土（原配合比中的減水劑配方）各項(xiàng)性能指標(biāo)及過程狀態(tài)均符合拌和樓拌制及施工過程情況，而出現(xiàn)不相容現(xiàn)象的原因主要為隨環(huán)境溫度變化，混凝土產(chǎn)生了晝間與夜間的較大差異，特別是在混凝土坍落度損失、黏聚性的表現(xiàn)上。在調(diào)整減水劑配方后，可有效規(guī)避上述問題。因此，初步判定減水劑與水泥的相容性存在較大波動(dòng)。

3.2.3 水泥與減水劑相容性試驗(yàn)

進(jìn)一步做水泥與減水劑的凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)不同環(huán)境溫度下，水泥與減水劑的相容性發(fā)生較大變化，如圖1所示。

3.2.4 調(diào)查結(jié)論

進(jìn)一步分析認(rèn)為，5月起，當(dāng)?shù)貧鉁剡M(jìn)入高溫差狀態(tài);晝間最高溫度達(dá)39 ℃，而夜間最低氣溫為16 ℃，相差超過20 ℃，環(huán)境溫度波動(dòng)劇烈。另外，由于新批次水泥進(jìn)場(chǎng)溫度較高，存儲(chǔ)冷卻后也會(huì)造成相應(yīng)波動(dòng)。相關(guān)研究表明，水泥溫度越高，外加劑的適應(yīng)性呈現(xiàn)出越差的趨勢(shì);溫度過高將造成混凝土和易性下降，甚至導(dǎo)致骨料與漿體分離或者泌水[8]。上述表現(xiàn)符合2.2節(jié)水泥與減水劑不相容的主要因素中第③、④條。因此，判定溫度的劇烈變化是水泥及外加劑出現(xiàn)相容性問題的主要原因。

3.3 解決措施及效果

（1）根據(jù)調(diào)查結(jié)果，對(duì)水泥供應(yīng)廠家提出供應(yīng)管理要求，廠家對(duì)中熱水泥生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，每個(gè)月生產(chǎn)線調(diào)整不得超過兩次，增加每次生產(chǎn)量并提高庫存，待水泥溫度降低到一定程度后再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)使用。為了避免水泥溫度升高，水泥運(yùn)輸不得在高溫時(shí)段進(jìn)行，主要在夜間集中供應(yīng)。同時(shí)，加強(qiáng)拌和樓生產(chǎn)運(yùn)行管理，新進(jìn)場(chǎng)的水泥不得直接上樓使用，必須先進(jìn)入存儲(chǔ)罐中存放后再進(jìn)入拌和樓循環(huán)使用。

（2）減水劑溶液現(xiàn)場(chǎng)復(fù)配時(shí)，由于夏季溫度太高，需要添加緩凝成分來緩解混凝土的凝結(jié)時(shí)間，以避免混凝土的過多損失，而冬季則反之。原配合比中使用的減水劑配方是適宜2月份環(huán)境溫度的配方，進(jìn)入夏季后因溫度差變大，原配方適用性變差，故出現(xiàn)了相容性問題。因此，外加劑廠家對(duì)溶液配比作出了兩種調(diào)整：①夏季型（配方1），僅晝間高溫時(shí)段使用;②普通型（配方2），用于夜間生產(chǎn)。兩種配方晝夜交替使用，同時(shí)，要求拌和樓人員針對(duì)外加劑使用做好管理。

通過上述措施，能夠有效規(guī)避午間高溫時(shí)段混凝土坍落度損失過大的現(xiàn)象，同時(shí)解決了夜間骨料離析、黏聚性差的問題，基本保證了混凝土拌和質(zhì)量和使用性能的穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

水泥與聚羧酸減水劑的不相容問題在工程領(lǐng)域較為普遍，其原因也較為復(fù)雜，需要深入研究，找到主要原因?qū)ΠY處理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)減水劑與水泥出現(xiàn)相容性問題時(shí)，首先需要對(duì)原材料進(jìn)行化學(xué)及物理指標(biāo)變化情況的逐一排查，若從原材料中不能發(fā)現(xiàn)問題，則需要考慮聚羧酸外加劑自身對(duì)溫度的敏感性因素，通過調(diào)整減水劑配合成分來適應(yīng)拌和物性能。本文工程案例具有一定代表性，處理措施對(duì)類似問題具有一定的指導(dǎo)與借鑒作用。

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（編輯：高小雲(yún)）

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