缓凝剂对水泥混凝土性能的影响_王中明.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315026缓凝剂对水泥混凝土性能的影响收稿日期:2023 01 30基金项目:河南省科技攻关计划项目(项目编号:202102310248;212102310601;112102310648;212102310938)作者简介:王中明(1982 )，男，硕士，实验师，从事土木建筑工程方面的研究与教学工作王中明，辛酉阳(黄淮学院，河南 驻马店463000)摘要:对缓凝剂进行分类概括，描述了不同缓凝剂作用机理，通过对几种常用的缓凝剂试验并进行数据分析，阐述了缓凝剂在不同掺量下对水泥混凝土的性能影响并得出一般性规律，为工程应用提供技术参考。关键词:缓凝剂;作用机理;水泥;混凝土中图分类号:TU528 042 3文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0102 040引言缓凝剂是在工程施工中常用的一种外加剂，主要作用是有效延缓水泥水化放热温峰出现的时间，有利于混凝土、水泥砂浆等建筑材料在长运输距离、高环境气温等条件下保持塑性，从而提高混凝土浇筑质量;当因天气原因或工期要求等其他特殊情况影响时，也需掺入缓凝剂，能改善混凝土的工作性能、延长水泥凝结时间，同时还减少施工裂缝。如何选择恰当的缓凝剂种类与掺量对水泥混凝土性能的影响是值得研究的问题。本文试验考察了不同缓凝剂种类对水泥混凝土工作性能的影响，以供参考。1缓凝剂的种类缓凝剂是一种延长水泥凝结时间、降低水泥水化速度和水化热的添加剂。缓凝剂种类较多，如果按缓凝时间可分为普通型和超缓凝型。普通缓凝剂一般只能让水泥混凝土缓凝 10 个多小时;超缓凝剂可使水泥混凝土凝结时间达到 70 h 以上。文献 1研究表明，超缓凝剂可使水泥水化“休眠”20 d 40 d，“休眠”结束后能迅速水化而结构不发生变化，待“休眠”结束后 59 d 可达未添加超缓凝试件 28 d 强度。如果按其化学成分可分为无机和有机两类缓凝剂。有机类包括:羟基羧酸及其盐、木质素磺酸盐及其衍生物、糖类及碳水化合物、多元醇及其衍生物等。无机类包括:磷酸盐、偏磷酸盐、硼酸盐、氟硅酸盐以及锌、铁、铜盐等。2缓凝剂作用机理缓凝剂的作用机理很难用一种理论概括，通常是综合作用的结果。目前学术界较为广泛认可的有 4 种理论:一是沉淀理论;二是络盐生成理论;三是吸附理论;四是控制生长理论(即在水泥水化过程中控制氢氧化钙结晶生成)。21有机缓凝剂作用机理有机缓凝剂多数具有表面活性会在固液界面产生吸附;要么通过其分子中的某些官能团与游离的 Ca2+生成难溶性的钙盐吸附于矿物颗粒表面起到缓凝效果;或者通过亲水基团吸附大量水分子形成较厚的水膜层，通过改变结构形成过程而起到缓凝效果。羟基通过水泥水化初期控制了液相中的 Ca2+的浓度而产生缓凝作用，即在水泥水化产物的碱性介质中与游离的 Ca2+生成不稳定的络合物，这些络合物并不影响水泥后期水化，它们随着水化进程自行分解。羧基或羧酸盐基延缓水泥水化速度原因是通过与游离的 Ca2+生成不溶性的钙盐，通过这些钙盐沉淀在水泥颗粒表面而延缓水化进行。在醇类的同系物中，缓凝作用随其羟基数目的增加而逐渐增强。醇类化合物使水泥颗粒表面形成了一层稳定的溶剂化水膜，来抑制水化速度。单糖、低聚糖它们的缓凝机理同醇类2 3。22无机缓凝剂作用机理多数无机缓凝剂能与水泥水化产物生成复盐沉淀于矿物颗粒表面抑制水泥水化。水泥凝胶体凝聚发展过程:1)和水泥矿物的组成有关系，比如水泥活性高则水化速度快，凝结时间短，水泥颗粒细也可使凝结时间缩短;2)与水泥胶体粒子间的相互作用有关，如果胶体粒子之间斥力较弱将利于产生凝聚，否则水泥凝胶体系将是稳定的;3)取决于水泥浆体中电解质的存在状态，对于无机缓凝剂来说，大多数都是电解质盐类，电解质能在水泥矿物颗粒表面构成双电层，并阻止粒子的相互结合，双电层随电解质过量而被压缩，水泥凝胶体开始凝聚。3缓凝剂对水泥的影响目前在实际工程应用较普遍的无机缓凝剂是磷酸盐、偏磷酸盐类。通过试验，在相同掺量情况下，磷酸盐类缓凝作用较强的是焦磷酸钠、三聚磷酸钠，缓凝作用较弱的是磷酸二氢钠、正磷酸。三聚磷酸钠为白色粒状粉末，易溶于水，一般掺量为水泥用量的 0 1%0 3%;磷酸钠为无色透明或白色结晶体，一般掺量为水泥用量的01%10%;有些无机缓凝剂作用不稳定，比如锌、铁、铜的硫酸盐，所以在工程中不常使用。有机缓凝剂主要有 3 种:1)多元醇及其衍生物;2)羟201第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023基羧酸、氨基羧酸及其盐类;3)糖类。一般来讲，多元醇及其衍生物的缓凝作用相对稳定。一元醇的缓凝效果不明显，相对而言缓凝作用随着烷基的增加而加强，在工程应用中要注意控制掺量，丙三醇的缓凝作用很强，如果掺量增大会出现严重的缓凝现象，有时可以使水泥的水化进程停止。一般掺量控制在 0 05%0 2%。常用的羟基羧酸类缓凝剂有酒石酸、柠檬酸及其盐等，这些缓凝剂对混凝土有明显的缓凝作用。酒石酸及酒石酸钾钠具有较强的缓凝作用，掺量一般不超过水泥用量的 0 01%01%;糖类及衍生物和糖蜜缓凝剂在工程中使用也较为普遍，掺量一般为0 01%03%。本文通过试验得出不同缓凝剂和掺量对水泥净浆凝结时间的影响，见表 1，从表 1 可以看出，不同种类缓凝剂对水泥的初、终凝时间的影响不同，但呈现出的规律基本相同，在一定掺量范围内初终凝时间随着掺量的增加而延长。文献 4 研究 4 种缓凝剂不同掺量对基准水泥净浆初凝时间的影响，结果表明不同缓凝剂都存在一个最佳的掺量范围，在一定掺量范围内初凝时间延长，但超过一定的量以后初凝时间不增反减。即便是同一种缓凝剂对于不同品牌的水泥，其最佳掺量不一定相同。木质素磺酸盐类和无机盐类对基准水泥的最佳掺量为 0 1%，但对 P O42 5 水泥的最佳掺量为 0 3%;羟基羧酸类缓凝剂对基准水泥的最佳掺量为 0 03%，但对 P O42 5 水泥来讲最佳掺量为01%;糖类缓凝剂对基准水泥的最佳掺量为 0 05%，对P O42 5 水泥的最佳掺量为 01%。表 1缓凝剂掺量和种类对水泥凝结时间的影响缓凝剂品种掺量/%水泥净浆凝结时间/min初凝终凝初、终凝间隔三聚磷酸钠01104002900 13405101700 2650960310磷酸钠0320415950 25709653950 484093595酒石酸02053101050 24607252650 35851 400815聚乙烯醇01452901450 11502801300 2170310140蔗糖0160220600 05450515650 11 2801 3801004缓凝剂对混凝土性能的影响41对凝结时间的影响缓凝剂对混凝土凝结时间的影响因素较多，这不仅与缓凝剂的种类、掺量有关，同时与水泥品种、使用环境温度和施工方法等条件密切相关。文献 5 用 2 种凝结时间不同的水泥，在水灰比均为 0 54 情况下，分别配制2 组混凝土，结果见表 2。从试验结果看出掺缓凝剂混凝土的凝结时间更长，约是未掺缓凝剂混凝土的凝结时间的 1 倍。混凝土的凝结时间与缓凝剂的掺量有很大关系。文献6 7 研究表明当缓凝剂掺量增加 1 倍时，在其他条件不变的情况下，混凝土凝结时间也几乎增长 1 倍。本文进行几种混凝剂试验，结果见表 3。从表 3 得知，加入缓凝剂后，混凝土初、终凝时间明显延长，同掺量下不同缓凝剂对混凝土凝结时间影响不同，不同缓凝剂对混凝土缓凝效果也不同。好的缓凝剂应当在其掺量小的情况下有好的缓凝作用，理想的缓凝剂延长的应是混凝土的初凝时间，减少抑制终凝时间。也就是说要使混凝土的初、终凝间隔尽可能缩短。表 2缓凝剂对混凝土凝结时间的影响编号凝结时间水泥混凝土(未掺缓凝剂)混凝土(掺缓凝剂)1初凝2 h 8 min4 h 15 min8 h 7 min终凝3 h 19 min5 h 25 min10 h 10 min2初凝3 h 10 min6 h 35 min13 h 10 min终凝4 h 58 min8 h 50 min16 h 45 min表 3几种常用缓凝剂对混凝土的凝结时间的影响名称掺量凝结时间/min初凝终凝初、终凝时间间隔基准(空白)0430605175聚乙烯醇0 1475680205三聚磷酸钠0 1590990400羧甲基纤维素钠0 1480620140葡萄糖0 16801 085405柠檬酸0 11 2351 485250木钠0 3570730160木钙0 3620810190糖钙0 31 1501 44029042对拌合物的工作性影响混凝土拌合物坍落度损失是个普遍存在的问题，影响因素众多且相互关联。主要有几个方面:1)混凝土本身的水灰比大小影响;2)水泥矿物成分含量、颗粒级配等;3)温度、湿度等环境条件影响;4)混凝土外加剂因素，如高效减水剂以及缓凝剂的种类和用量等。在工程实践中为了适应运输和满足施工的要求，往往在混凝土中掺入缓凝剂以改善混凝土拌合物的和易性，减少坍落度经时损失。加入缓凝剂明显提高了拌合物的均匀性和稳定性，并保持较长时间的塑性提高混凝土施工质量，同时有效防止混凝土因早期收缩而产生的裂缝。目前抑制混凝土坍落度损失在工程中普遍使用的缓凝剂是葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠、白糖柠檬酸等。本文试验结果与文献 8 结论基本一致，见表 4。大量工程实践和研究表明，当缓凝剂的掺量增加时混凝土拌合物流动性能随之增大，但当掺量超过最佳掺量后，拌合物和易性并无明显改善有时还会降低。301第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月王中明，等:缓凝剂对水泥混凝土性能的影响表 4不同缓凝剂对混凝土坍落度损失的影响缓凝剂名称掺量/%初凝终凝坍落度/mm0 h1 h2 h葡萄糖酸钠(A)0039 h 35 min12 h 30 min21018015000612 h 50 min16 h 25 min220220170柠檬酸(B)00310 h 20 min13 h 5 min21019515000613 h 10 min17 h 20 min220200165白糖(C)00310 h 5 min12 h 55 min21017514000613 h 20 min17 h 40 min215170150三聚磷酸钠00510 h 30 min13 h 30 min2101751450113 h 50 min17 h 35 min220195130(A)+(B)均为00214 h18 h 30 min225215195(A)+(C)均为00213 h 25 min17 h 50 min230205180(B)+(C)均为00213 h 40 min17 h 25 min22521018543对混凝土强度影响缓凝剂在混凝土凝结过程中的主要作用类似于催化剂，它本身既不参与水化反应，又没有生成新物质，只是在不同程度上控制水泥水化反应速度或减缓其水化的进程。从强度的发展来看，缓凝剂在掺量范围内只影响混凝土的早期强度，掺缓凝剂混凝土早期强度降低，达到设计强度需要的时间更长。缓凝剂加入使水泥颗粒得到充分水化，从而有利于增加混凝土的中后期强度。由于部分缓凝剂同时具有一定的减水功能，适当掺量范围内，如果掺量越大，混凝土拌合物水灰比越小，有助于混凝土的强度发展。在实际工程中因缓凝剂掺量过大，可能导致混凝土长时间不凝结，有可能在工程验收时混凝土强度达不到设计要求。因此要注意缓凝剂品种选择以及严格控制缓凝剂的掺量，同时也要充分考虑缓凝剂与混凝土原材料之间的匹配适应状况9 11。两种缓凝剂不同掺量对混凝土强度影响试验结果见表5。从表5 看出，在缓凝剂同掺量下，混凝土强度随龄期增长而加强;在不同掺量下，随缓凝剂掺量加大时混凝土同龄期强度逐渐减小。表 5两种缓凝剂在各种掺量下对混凝土各龄期强度的影响缓凝剂名称掺量/%初凝终凝抗压强度/MPa3 d7 d28 d60 d90 d基准(空白)07 h 5 min10