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混凝土原材料品質(zhì)對聚羧酸系減水劑影響大不大？終于有答案了。
發(fā)布時間：
2023-01-04 16:15
混凝土原材料品質(zhì)對聚羧酸系減水劑影響大不大？終于有答案了。
引言
作為第三代減水劑，聚羧酸系減水劑由于其摻量低、減水率高、增強(qiáng)效果好以及分子設(shè)計性強(qiáng)的特點，生產(chǎn)量日益增大，在實際工程中應(yīng)用的范圍也越來越廣。然而，在聚羧酸系減水劑三十多年的發(fā)展過程中，關(guān)于其作用效果的敏感性問題，一直影響著產(chǎn)品生產(chǎn)者和產(chǎn)品應(yīng)用者，不時出現(xiàn)的適應(yīng)性難題困擾了多數(shù)專業(yè)人員，讓人對聚羧酸系減水劑既"愛"又"恨"！聚羧酸系減水劑的應(yīng)用效果對混凝土原材料細(xì)微的變化、混凝土配合比細(xì)微的變化、環(huán)境的細(xì)微變化等都極為敏感。
實際上，混凝土是一個復(fù)雜的體系，任何一種組分的變化既會對混凝土的性能產(chǎn)生影響，也會影響聚羧酸系減水劑的作用效果。我們盛鑫源外加劑主要從混凝土中摻合料、集料等原材料入手，介紹原材料對聚羧酸系減水劑作用效果的影響，希望對聚羧酸系減水劑的安全、高效應(yīng)用有所裨益。
原材料對聚羧酸系減水劑作用效果的影響
1、礦物摻合料
礦物摻合料是在水泥凈漿、砂漿或混凝土拌制前或拌制過程中加入的、可以減少水泥用量并改善新拌和硬化混凝土性能的礦物類物質(zhì)。常用的礦物摻合料主要有礦渣粉、硅灰和粉煤灰等。礦物摻合料一般用量較大，其與聚羧酸系減水劑的相容性不容忽視。
1.1 礦渣粉和粉煤灰
礦渣粉和粉煤灰是目前混凝土中最常用的兩種礦物摻合料。研究認(rèn)為，礦渣粉和優(yōu)質(zhì)的粉煤灰部分取代水泥可以有效提高聚羧酸系減水劑的作用效果，這種提高的效應(yīng)主要有兩方面的原因：
（1）粉煤灰和礦渣粉存在微集料填充效應(yīng)，這兩種顆粒比水泥顆粒小，因此能填充在水泥顆粒之間，降低膠凝材料的空隙率，置換出水泥漿體中顆粒的填充水分，使更多水分用于增加漿體的流動。這種效應(yīng)只有在摻加減水劑時才會發(fā)生，否則會發(fā)生團(tuán)聚而無法發(fā)揮作用。
（2）優(yōu)質(zhì)的粉煤灰和礦渣粉對聚羧酸系減水劑的吸附量較少，摻入這兩種摻合料可以降低粉料對聚羧酸系減水劑的吸附，從而提高游離減水劑分子的數(shù)量。也就是說，粉煤灰和礦渣粉增大聚羧酸減水劑在水泥體系中的有效吸附量，促進(jìn)減水劑發(fā)揮減水分散作用，提高分散能力，而且隨著水化的進(jìn)行，吸附在摻合料表面的減水劑分子可以通過解吸附遷移到液相中，維持液相中減水劑的濃度，有利于延長聚羧酸系減水劑的作用時間。
此外，由于優(yōu)質(zhì)的粉煤灰含有大量鋁硅酸鹽玻璃微珠，表面比較光滑，顆粒細(xì)小，微觀上呈圓球狀，可以起到滾珠軸承的作用，在水泥顆粒間起著滾珠作用，減少摩擦阻力，提高流動性，這也是優(yōu)質(zhì)粉煤灰可以提高聚羧酸系減水劑分散性能的一個重要原因
圖1 粉煤灰（左）和礦渣粉（右）的微觀形貌
通過研究礦物摻合料對聚羧酸系減水劑相容性。首先對比了兩種不同燒失量的粉煤灰FA1和FA2(FA1的燒失量為4.2%，F(xiàn)A2的燒失量為3.8)，發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥凈漿初始流動度都會增大，而30min和60min時的凈漿流動度隨FA1摻量的增加而降低，隨FA2摻量的增加基本保持不變,如圖2。這是由于粉煤灰中殘存著碳顆粒對聚羧酸系減水劑有較大吸附所致?？梢?，燒失量較低的粉煤灰對聚羧酸系減水劑的作用效果有增進(jìn)作用，而隨著粉煤灰燒失量的增加，聚羧酸系減水劑的作用效果會變差。
圖2 粉煤灰摻量對凈漿流動度的影響
通過研究礦渣粉對聚羧酸系減水劑作用效果的影響。研究表明(圖3)，水泥凈漿初始流動度隨礦渣粉摻量的增加而呈增大的趨勢，經(jīng)時凈漿流動度也比初始凈漿流動度有所上升。
圖3 礦粉摻量對凈漿流動度的影響
通過研究聚羧酸系減水劑在水泥、礦渣粉和粉煤灰表面的吸附行為，如圖4。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚羧酸系減水劑在三種顆粒表面的吸附量差異很大，硅酸鹽水泥對聚羧酸系減水劑的吸附量最大，礦渣粉次之，粉煤灰最低，后兩者的低吸附量有利于提高游離聚羧酸系減水劑的數(shù)量，從而提高其分散性能。
圖4 硅酸鹽水泥、粉煤灰和礦渣粉三種材料對聚羧酸系減水劑的吸附量
1.2 硅灰
硅灰作為礦物摻合料，雖然不常被使用，但在超高強(qiáng)混凝土、高耐久性混凝土和超高性能混凝土中占有重要地位。硅灰在混凝土中主要有兩個效應(yīng)：一是填充作用，硅灰的顆粒粒徑一般在0.2μm左右，在水泥顆粒堆積體系中能夠填充在水泥顆粒堆積后形成的空隙中，而漿體硬化后能夠填充水化產(chǎn)物間的毛細(xì)孔隙；另一個是火山灰效應(yīng)，硅灰能夠與水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生二次火山灰反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，進(jìn)一步密實混凝土。與礦渣粉和粉煤灰不同，硅灰并不能提高聚羧酸系減水劑的分散效果，當(dāng)硅灰摻量過高時反而不利于聚羧酸系減水劑的分散效果，其原因在于硅灰的顆粒極細(xì)，比表面積較大(可達(dá)15000m2/kg以上)，會吸附大量聚羧酸系減水劑，因而大幅增加聚羧酸系減水劑的飽和摻量。
通過研究超高強(qiáng)混凝土中各組分與聚羧酸系減水劑之間的相互作用，圖5是水泥與硅灰對聚羧酸系減水劑吸附情況的對比。可以看出，硅灰對于聚羧酸系減水劑的吸附量要大于水泥，硅灰的加入會與水泥形成競爭吸附的現(xiàn)象，從而降低聚羧酸系減水劑對水泥的分散效果。
圖5 水泥(左)與硅灰(右)對聚羧酸系減水劑吸附情況的對比
1.3 偏高嶺土、活化煤矸石和沸石粉
與粉煤灰、礦渣粉和硅灰相比，偏高嶺土、活化煤矸石和沸石粉作為礦物摻合料使用的時間還較短，使用范圍也較窄。但偏高嶺土、活化煤矸石和沸石粉對聚羧酸系減水劑作用效果的負(fù)面影響不容忽視。
偏高嶺土是以高嶺土為原料，經(jīng)一定溫度煅燒脫水形成的無水硅酸鋁，其分子排列不規(guī)則，呈現(xiàn)熱力學(xué)介穩(wěn)狀態(tài)，具有較高的火山灰活性，因此可以作為礦物摻合料使用。但是偏高嶺土作為脫水產(chǎn)物，具有較強(qiáng)的吸水傾向，在一定程度上會降低減水劑的減水效果，同時偏高嶺土與水泥水化產(chǎn)物之間的二次反應(yīng)迅速，絮凝結(jié)構(gòu)形成較快，凝結(jié)時間較短，要延緩該反應(yīng)需要較多的減水劑。
煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，粘土類煤矸石中含有大量的硅酸鹽和硅鋁酸鹽，一般以高嶺石的形式存在，它們在高溫焙燒過程中發(fā)生強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)和脫水作用，并表現(xiàn)出一定的活性。但是在焙燒過程中活化煤矸石產(chǎn)生大量開口微孔，且本身親水性較強(qiáng)，會吸附大量聚羧酸系減水劑分子，因此，活化煤矸石會對聚羧酸系減水劑的作用效果產(chǎn)生負(fù)面影響。對活化煤矸石、粉煤灰和礦渣粉對聚羧酸系減水劑減水效果的影響進(jìn)行了研究(圖6)。
圖6 不同礦物摻合料對摻聚羧酸系減水劑漿體流動性的影響
沸石是一種軟質(zhì)多孔材料，內(nèi)部有大量的空腔，表現(xiàn)為內(nèi)比表面積非常大，對聚羧酸系減水劑的吸附強(qiáng)烈，而且其結(jié)構(gòu)中硅（鋁）氧四面體結(jié)構(gòu)空間的需水量較大，加水拌和開始時會有一部分水被沸石顆粒吸入內(nèi)部的空腔，從而導(dǎo)致自由水量的減少，不利于聚羧酸系減水劑發(fā)揮分散效果。
2、粗集料和細(xì)集料
粗集料和細(xì)集料的品質(zhì)會對聚羧酸系減水劑的作用效果產(chǎn)生影響。粗、細(xì)集料中對聚羧酸系減水劑產(chǎn)生影響的因素主要是石粉含量、含泥量和泥塊含量，這里主要討論石粉含量和含泥量的影響
2.1 石粉
目前常用的細(xì)集料分為天然砂和機(jī)制砂，機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中不可避免地會產(chǎn)生石粉，研究認(rèn)為，石粉對混凝土性能的影響分為兩方面：一方面，石粉顆粒表面致密光滑，吸水能力相對較弱，同等水灰比下增加了用于分散的自由水，減小了水泥顆粒之間的摩擦阻力，同時石粉也具有微集料填充效應(yīng)，可以改善水泥漿體的流動性；另一方面，石粉可以作為氫氧化鈣的結(jié)晶核從而加速水泥顆粒的水化。
通過研究磨細(xì)石粉對減水劑與水泥適應(yīng)性的影響，發(fā)現(xiàn)石粉的存在有利于改善減水劑的分散效果，因而認(rèn)為聚羧酸系減水劑與集料中的石粉適應(yīng)性良好。
2.2 含泥量
粗細(xì)集料在使用前不可能進(jìn)行徹底清洗，難免含有一定的泥粉。砂、石含泥量所指的泥一般是指按規(guī)定要求可以從砂石中沖洗出來的，粒徑在規(guī)定數(shù)值以下的黏土、塵屑和淤泥，其中主要是黏土。黏土是一種成層狀或?qū)渔湢罘植嫉墓杷猁}礦物集合體，主要包括高嶺石、蒙脫石、伊利石等。黏土的層間結(jié)構(gòu)對于聚羧酸系減水劑具有很強(qiáng)的吸附作用，大大減少了在水泥漿體中起分散作用的減水劑分子數(shù)量，從而嚴(yán)重降低聚羧酸系減水劑的作用效果。
通過研究砂、石含泥量對聚羧酸系減水劑性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著含泥量的提高，聚羧酸系減水劑在不同摻量情況下的減水率都嚴(yán)重降低（圖7）?？梢哉J(rèn)為，聚羧酸系減水劑的作用效果受砂、石的含泥量的影響很大，砂、石的含泥量每增加1%，減水劑的減水率就會急劇降低。
圖7 聚羧酸系減水劑在三種摻量情況下，減水率隨砂含泥量的變化
當(dāng)然，對聚羧酸系減水劑影響最大的泥的成分是蒙脫石，而高嶺石和伊利石的影響相對較小。
結(jié)語
聚羧酸系減水劑應(yīng)用中表現(xiàn)出的敏感性問題受到多方面的高度關(guān)注。隨著研究工作的逐步深入，其原因正在被探明。同時，我們盛鑫源外加劑的戰(zhàn)友們對低敏感型聚羧酸系減水劑的研究開發(fā)也在進(jìn)行中。市場呼喚性能優(yōu)質(zhì)而穩(wěn)定的混凝土原材料，加上低敏感型聚羧酸系減水劑呼之欲出。我們相信隨著這兩方面小目標(biāo)的實現(xiàn)，聚羧酸系減水劑使用敏感性的問題一定能夠得到圓滿解決。
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