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助磨剂组分对水泥与减水剂适应性影响的初步研究
2015-09-10 10:45:48   来源:   评论:0 点击:

摘要:随着水泥助磨剂成分的日益复杂和产品的普遍应用,其对水泥与减水剂适应性的影响已引发了许多工程技术难题和矛盾,甚至导致重大工程事故。本文综述了助磨剂对水泥与减水剂适应性影响的研究现状,指明了现阶

摘要:随着水泥助磨剂成分的日益复杂和产品的普遍应用,其对水泥与减水剂适应性的影响已引发了许多工程技术难题和矛盾,甚至导致重大工程事故。本文综述了助磨剂对水泥与减水剂适应性影响的研究现状,指明了现阶段研究工作的不足之处,并根据笔者初步的研究结果,为完善该理论提出了今后的方向,希望对水泥助磨剂的选用和减水剂在混凝土中的应用均有所裨益。

 

关键词:助磨剂组分;水泥;减水剂;适应性;混凝土

 

引言

近年来,混凝土材料性能大幅度地提髙和建筑施工技术的迅速发展主要依赖于化学外加剂品种增加和性能的提髙,特别是高性能减水剂的研制和应用。但在实际应用过程中,施工单位经常会遇到水泥与减水剂适应性差的问题,除了砂石料等可控的质量因素外,水泥本身的问题不可小觑。有学者认为水泥熟料本身以及水泥粉磨过程中所掺加的混合材、调凝石膏和助磨剂等是造成水泥与减水剂适应性差的重要原因。虽然上世纪末,笔者曾就水泥熟料矿物成分和碱含量,调凝石膏以及混合材等对减水剂使用效果的影响开展了深入研究,并提出相应的解决措施。但自本世纪初开始,随着助磨剂在我国水泥粉磨工艺中的应用越来越普遍,由于助磨剂使用不当而造成的水泥与减水剂适应性差的问题已屡见不鲜。因此,系统地研究分析不同助磨剂组分对水泥与减水剂适应性的影响规律的任务迫在眉睫。

现有研究表明,添加助磨剂的水泥较未添加者在颗粒分散性、细度及粒径分布等方面均存在较大差异,而这些差异会影响到水泥水化速率及对减水剂的吸附特性,进而对水泥与减水剂适应性产生一定的影响。然而,关于助磨剂对水泥与减水剂适应性影响效果的看法还不统一,一些学者认为助磨剂对水泥与减水剂适应性有不良影响,然而另一些学者得出的结论却恰恰相反:助磨剂对水泥与减水剂适应性无不良影响,甚至具有一定的改善效果这些相互矛盾的结论可能是由于以下原因导致的:研究人员所用的助磨剂为多组分复配所得的市购产品,其组分复杂,对于不同种类的水泥作用效果有差异;研究人员所用水泥多为市购水泥,该水泥在熟料粉磨过程中已掺入助磨剂及混合材,使水泥组分变得更加复杂,不易分析。

为此,本文简述了助磨剂对水泥与减水剂适应性影响的研究现状,综述了现有的一些研究成果(如助磨剂组分对水泥性能、水泥水化过程及水泥颗粒对减水剂分子的吸附效果等方面的影响),并结合笔者自己的研究成果,提出了相关的分析与思路,希望对水泥生产中助磨剂的选用及混凝土制备中减水剂的高效应用等方面有所裨益。

 

二、研究现状

既然诸多学者认为助磨剂组分直接或间接地影响水泥与减水剂的适应性,那么如何理解水泥与减水剂之间适性的概念?笔者指出:按照混凝土外加剂应用技术规范,将经检验符合有关标准的某种外加剂掺加到用按规定可以使用该品种外加剂的水泥所配制的混凝土或砂浆)中,若能够产生应有的效果,就认为该水泥与这种外加剂是适应的;相反,如果不能产生应有的效果,则该水泥与这种外加剂不适应。助磨剂有效组分种类繁多,大多是表面活性物质它的加入不仅会影响水泥的粉磨效率,而且对水泥的性能产生影响。有的助磨剂可以显著提高水泥的粉磨效率,但可能对水泥的某些性能产生不利作用,因而影响水泥的质量。自前来看,助磨剂对水泥与减水剂适应性影响的原因,可以从以下三个方面进行分析。

1、助磨剂对水泥颗粒形态的影响

陈玉平等认为,在熟料粉磨过程中掺入不同种类助磨剂,对所磨制水泥的物理性质有显著影响。水泥颗粒的形状和粒径分布对水泥标准稠度用水量、凝结时间和强度等有决定性作用。水泥浆体的流动性是反映水泥与减水剂适应性的重要指标之一,它也与颗粒形状和颗粒尺寸有密切关系。

2、助磨剂对熟料与石菁匹配性的影响

兰明章等人则从另外一个角度考察助磨剂对水泥与减水剂适应性的关系。他认为在粉磨过程中助磨剂通过影响熟料的表面状态以及其与石膏的“匹配情况”,间接影响加水拌合时水泥与减水剂的适应性。所谓“匹配情况”,即熟料与石膏共同粉磨时(无助磨剂),由于石膏和铝酸三钙矿物相较熟料中的其它矿物粒径更小,而细颗粒更容易团聚在一起,石膏微粉吸附在熟料颗粒上铝酸三钙矿物相的表面。而加入助磨剂进行粉磨情况下,助磨剂会强烈吸附在熟料颗粒上铝酸三钙矿物相表面,也强烈吸附在石膏粉体的表面,阻碍了石膏微粉吸附于熟料颗粒表面的过程。这会导致釆用助磨剂粉磨的水泥在加水拌合时,会加速水化,使减水剂的消耗量增加,从而影响水泥与减水剂的适应性。

1、助磨剂对水泥颗粒上减水剂分子吸附能力旳影响

目前,针对减水剂的作用机理,最广为人们接受的是稳定理论和空间位阻稳定理论。理论层面对水泥与减水剂适应性的讨论,基本上都是以这两种理论为基础。在试验研究方面,主要测试减水剂分子在水泥颗粒表面的吸附情况、部分学者认为,加入的助磨剂通过改变水泥颗粒与减水剂分子之间的吸附效应从而使水泥与减水剂的适应性产生变化。吸附是一个非常复杂的过程,并且是一个吸附与脱附同时进行的动态平衡过程,研究减水剂分子的吸跗过程是解释减水剂作用效果好坏的比较普遍的方法。等研究乙二醇(和三乙醇胺(两种助磨剂组分对水泥颗粒表面吸附能力的影响,分析了吸附特性与宏观性能的关系。他们认为,对于水泥颗粒来说,其表面是助磨剂和减水剂吸附

的场所,因此其表面状态表面积、孔隙率、极性、表面能及表面活性点的数目等会对吸附产生重要影响。

以上这几种分析问题的出发点不同,因而所关注的重点有差异,分别强调的是助磨剂在不同时期所起的作用。然而,它们各自的局限性也不可否认,每种理论分析都只能解释部分问题。因此,关于助磨剂组分对水泥与减水剂适应性的影响机理还需要进一步完善。

 

三、试验结果与分析

不同助磨剂组分对减水剂水泥浆体流动度及其保持性的影响为研究不同助磨剂组分对减水剂水泥浆体流动度及其保持性的影响,试验采用试验室自制水泥(将水泥熟料与适量二水石膏混合后粉磨至一定细度),三乙醇胺、乙二醇、丙三醇和多聚磷酸钠等四种不同的助磨剂组分,分别与水泥混合,得到掺不同助磨剂组分的四种水泥,测定了水泥减水剂浆体初始流动度及后的流动度。

对比可以发现,助磨剂组分对水泥与两种减水剂适应性的影响大相径庭:

1)助磨剂组分对两种减水剂的作用效果的总体影响规律有差异。本试验所采用的具有一定缓释效果,即单独加的水泥浆体流动度一般会增大。然而水泥中存在助磨剂组分时,浆体的初始流动度减小,流动度保持性降低。而减水剂为时,四种助磨剂组分的存在对浆体初始流动度及流动度保持性的影响都可以忽略不计,甚至有些助磨剂组分(如和会改善与水泥的适应性)。

2)同一种类型助磨剂组分对两种减水剂作用效果的影响可以显著不同。如显著降低了的分散效果,却改善了掺浆体的初始流动性及后的流动性;也有与类似的作用;同为醇类助磨剂的和对于却有着相反的作用效果。

2、不同助磨剂组分对减水剂水泥浆体水化温升的影响

为了探索和等三种助磨剂组分对水泥减水剂浆体的水化进程的影响,

测定了分别掺三种助磨剂组分(掺量均为固体质量占水泥的质量百分比,下同)的水泥减水剂浆体的水化热温升曲线。

1)醇胺类

醇胺类助磨剂中最具代表的物质是现阶段几乎所有的液体助磨剂都是以或它的衍生物为主要组分。由于其分子结构的特殊性,具有强极性。在水泥粉磨过程中,易吸附到水泥颗粒表面,降低表面能,从而起到助磨的作用。也会显著影响掺减水剂的水泥浆体的水化进程:减水剂为时,浆体期间出现了一个明显的放热峰,而流动性测试结果也反映出这种浆体此时流动性损失较大;而当减水剂为聚羧酸时,期间放热峰有些滞后,且峰高明显降低,同时后期的水化放热峰也显著延迟,这说明浆体水化诱导期时间延长,流动性测试结果也反映出这种浆体流动性损失较小。马保国认为,三乙醇胺的促凝早强作用是因为其加快的水化,从而不利于减水剂的吸附分散作用,致使浆体流动度损失较大,混凝土坍落度损失过快。

2)无机盐类

市售的液体助磨剂中无机盐主要有硫酸盐类和多聚磷酸盐类等。存在时掺水泥浆体的水化会有一定程度的放慢,而掺水泥浆体水化延缓效

应不明显。减缓水泥水化,会有利于的分散作用。试验也发现,无机盐存在情况下,掺水泥浆体会严重泌水,这事实上是‘显得”过掺所致。马保国分析认为,无机盐对硅酸盐水泥水化具有缓凝效果,主要是因为生成络合物,而不是传统观点所认为的形成了“不溶性”的磷酸钙,具有调控硅酸盐水泥的水化热历程以及结构形成过程的作用。无论是生成络合物还是不溶性磷酸钙,在水泥初始水化阶段,多聚磷酸盐的加入延缓了和的水化,从而使等矿物相不能有效地吸附减水剂分子,因此某种程度上会改善水泥与减水剂的适应性。

 

四、展望

水泥粉磨过程中所使用的助磨剂的组分向多元化方向发展而混凝土制备过程中又加入了至少一种外加剂,因此增加了混凝土组成的复杂性。人们期望通过完善不同外加剂对水泥作用效果的研究,找到更多解决外加剂与水泥适应性的有效措施,因而,一个新兴的水泥化学的补充分支有机水泥化学,正在悄然兴起。以有机助磨剂为例,人们急需通过有机水泥化学的研究工作,探索其对水泥水化动力学、水化产物形态以及水泥浆体的减水剂需求量、流变特性和强度发展等宏观性能的影响。然而,一方面目前助磨剂对水泥与减水剂适应性影响的研究还很不完善,仅停留在试验探索和经验总结方面。另一方面,商品化的助磨剂组分十分复杂,且各地水泥品质差异较大。这些问题的存在,使得助磨剂对水泥与减水剂适应性问题的机理解释仍存在较大分歧。

笔者认为,研究助磨剂对水泥与减水剂适应性的影响,应采用抽丝剥茧、层层递进的方法:首先确定熟料和石膏的种类及品质,选取各单一的助磨剂组分作为试验研究对象,通过泥粉磨效果试验、净浆和砂浆宏观性能试验、减水剂分子吸附量测定和电化学特性试验等手段,结合相关理论系统地研究水泥中助磨剂组分对水泥与减水剂适应性影响的普遍规律。通过建立相关模型与深化理论分析,探索引起水泥与减水剂不适应现象的真正原因,并为水泥助磨剂品种的选择,以及水泥混凝土中减水剂的选择提供充分的指导。

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