外加剂与水泥的相容性对混凝土影响的研究

【摘要】外加剂与水泥是有一定的相容性的，工程实际中若不注意外加剂与水泥的相容性，则会起到适得其反的作用，本文提出了外加剂与水泥的相容性对混凝土的影响以及影响水泥与化学外加剂的相容性因素。

【关键词】外加剂；水泥；相容性；混凝土；影响

外加剂在工程中的应用越来越广泛，是由于混凝土外加剂能改善和调节混凝土的性能，但是外加剂的使用不当不仅不能改善和调节混凝土性能，甚至反而会大大影响混凝土的性能，外加剂与水泥是有一定的相容性的，工程实际中若不注意外加剂与水泥的相容性，则会起到适得其反的作用，本文提出了外加剂与水泥的相容性对混凝土的影响以及影响水泥与化学外加剂的相容性因素。

1.　外加剂与水泥的相容性对混凝土的影响

（1）每一种混凝土外加剂都有它特有的功能，掺加这种外加剂，能够对混凝土某一方面或某几方面的性能进行改善。如掺加减水剂可以在保持相同用水量情况下增大混凝土的流动性，或在保持相同流动性情况下降低单位用水量，从而提高混凝土的强度，改善混凝土的耐久性等。由此，可以这样理解混凝土外加剂与水泥的适应性与不适应性的概念：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中，若能够产生应有的效果，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之间存在不适应性。如：用几种普通硅酸盐水泥并掺加某种高效减水剂（经检验符合高效减水剂质量标准）配制混凝土，在配制条件都相同的情况下，有种水泥所配制的混凝土在减水率方面出现了严重不足，则说明这种水泥与该高效减水剂不适应，而其他几种水泥与该高效减水剂相适应。再如，当某种水泥所配制的混凝土中掺加经检验符合相关质量标准要求的速凝剂却得不到速凝效果，或掺加缓凝剂却得到了假凝效果，都可以认为是由于外加剂与水泥之间不相适应所致。几乎所有品种的外加剂与水泥之间都存在适应性问题，只是目前来说减水剂使用最普遍，而且当其与水泥产生不适应性的时候能够比较直观快速地反应出来（如流动性差、减水率低、或拌合物板结发热、流动度损失过快等现象）。

（2）某工程采用了某水泥厂的立窑水泥和某外加剂厂的高效复合减水剂，开始效果不错，后来有一批水泥拌制的掺同样外加剂的混凝土发生急凝现象，导致混凝土结构疏松，最后不得不将已浇筑完成的800m3混凝土全部砸掉。查其原因，水泥按水泥标准检验合格，减水剂按其标准检验亦合格，但两者配合制得的混凝土却有严重的质量问题。为了查清原因，科研人员用出事的水泥与减水剂做了试验，确实有急凝现象，但在水泥中掺入0.5﹪～1.0﹪（二水石膏后，则得到了有良好工作性能和强度的混凝土。证明该水泥由于石膏掺入量不足（但达到水泥标准性能）而与减水剂不相容。

（3）总之，外加剂与水泥之间的适应性问题，是一个错综复杂的、而工程中又难以避免的

实际问题，它影响着其应用效果，有时会导致严重的工程事故和无可估量的经济损失。

水泥与外加剂的相容性是一个很有意义的科学问题，更是一个工程实际问题，这个问题出自于工程事故。因此必须引起生产单位和工程应用部门的高度重视。

2.　影响水泥与化学外加剂的相容性因素

影响水泥与化学外加剂的相容性因素包括：水泥、外加剂、环境条件等几个方面。

2.1减水剂自身特性对其塑化效果的影响。

就萘系高效减水剂自身的特性来讲，影响其对水泥塑化效果的因素有磺化液、平均分子量、分子量分布以及聚合度、聚合性质等（直链、支链）。另外，减水剂的状态（粉状或液态）也影响其塑化效果，具体情况如下：

（1）萘系减水剂在合成时的磺化越完全，则转变为带有磺酸基磺化物的萘环越多，该减水剂的分散作用也越强；如果磺化过程中因湿度、时间、水解过程控制不好，磺化产物中，β-萘磺酸所占比例少，而大量的是多萘磺酸和　α萘磺酸，不仅会影响到产品质量，也会影响到水泥与高效减水剂适应性。

（2）萘系减水剂分子量的大小。萘系减水剂的核体数（亦称聚合度）的多少直接影响其对水泥的分散效果，其最佳核体数为7～13。

（3）平衡离子。萘系减水剂中存在起中和作用的平衡离子有Na+、Ca2+、MgO2+、NH4+等。平衡离子不同，其分散效果和适应性效果也会有所差异。

（4）萘系减水剂的状态，也会影响其对水泥的塑化效果。试验表明，在相同掺量的条件下，液态减水剂的减水率稍高于固态的减水剂。

2.2水泥物理-化学性能的影响。

（1）水泥的矿物组成：水泥中四大主要矿物成份C3S、C2S、C3A、C4AF　对减水剂的吸附能力是不一样的，其吸附顺序、C3A﹥C4AF﹥C3S﹥C2S，即铝酸盐矿物对高效减水剂的吸附能力大于硅酸盐矿物。实践也表明，在高效减水剂掺量相同的情况下，C3A、C4AF　含量较高的水泥浆体中，减水剂的分散效果就较差。

我国大中型水泥厂水泥熟料主要成分波动性很大，C3S含量可以相差1倍以上，C3A含量则相差达2倍。

（2）水泥调凝剂石膏的形态：石膏控制硅酸盐水泥的凝结时间及硬化速度。因此石膏含量是水泥质量的一个重要指标，水泥厂在生产过程中对水泥中的SO3量是连续监控的。从化学反应上来说，水泥中的C3A　矿物的水化速度是非常快的，在无硫酸钙存在时，C3A非常快地水化，生成铝酸钙水化物：

2C3A+21H2OC4AH13+C2AH8

在有硫酸钙时，形成了钙矾石的水化产物：

C3A+3CSH2+26HC3A（CS）H32（钙矾石）

为了达到所需的效果，随时获得合适数量的溶解的CA2+和SO42-及关键的因素，如果能在水化初期（1～2h）抑制C3A水化，水泥浆体和混凝土就可得到所需的工作性能。因此水泥中硫酸盐的数量及其溶解度很重要，这实际上与水泥中石膏的形态有关，不同形态石膏的溶解度是不一样的。众所周知，在粉磨水泥熟料时，掺加一定量的石膏共同磨细，由于粉磨过程中磨机内温度升高，会使一部分二水石膏脱去部分结晶水转变为半水石膏甚至无水石膏（硬石膏），另外，有些水泥厂为节省生产成本，往往采用硬石膏或工业副产品石膏（无水石膏）代替二水石膏作为水泥调凝剂。不论采用何种石膏生产的水泥，按照有关水泥标准进行产品检验时一般区别不大，但是当掺外加剂时，有时却表现出大相径庭的塑化效果，尤其是以无水石膏作为调凝剂的水泥碰到木钙、糖钙减水剂时，则会产生严重的不相适应性，不仅得不到预期的减水效果，而且往往会引起流动度损失过快甚至异常凝结（速凝、假凝）。

（3）水泥中的混合材：目前我国487以上的水泥都掺加一定量的混合材，如火山灰、粉煤灰、矿渣粉和煤矸石等。由于混合材的品种、性质和掺量等不同，因此，减水剂的作用效果也不相同。

试验表明，减水剂对掺加粉煤灰和矿渣作为混合材的水泥的塑化效果优于纯硅酸盐

水泥；减水剂对掺加火山灰或煤矸石作为混合材的水泥的塑化效果较差。因此，对于后

两种水泥，若要达到较好的减水效果，需增大减水剂的掺量。

（4）水泥的含碱量：水泥的碱含量主要指水泥中Na2O　和K2O　的含量，通常以Na2O等当量质量百分数表示。碱含量对水泥与减水剂的适应性会产生很大影响。

（5）水泥细度：水泥颗粒对减水剂分子具有比较强的吸附性，在掺加减水剂的水泥浆体中，水泥颗粒越细，意味着其表面积越大，则对减水剂分子的吸附量越大。所以，减水剂在相同掺量情况下，对于细度较大的水泥，其塑化效果差一些。现在一些生产厂家为追求水泥的早期强度，往往提高水泥的细度，对于这类水泥，为了达到较好的塑化效果，必然要增加减水剂的掺量。

（6）水泥的陈放时间和温度水泥陈放时间越短，水泥越新鲜，减水剂对其塑化作用效果越差。因为新鲜水泥的正电性较强，对水泥的吸附能力较大。水泥的温度越高，减水剂对其塑化效果也越差，混凝土坍落度损失也较快。因此，有些商品混凝土生产厂利用刚出磨还未来得及散失掉热量的水泥配制的混凝土往往表现出减水率低，坍落度损失过快，甚至在搅拌机内就出现异常凝结的现象，应引起重视并避免这种现象。

2.3混凝土拌合物的性能。

（1）混凝土拌合物自身的参数：即W/B（水胶比），集料种类和级配也将明显地影响到高效减水剂对水泥的分散效果。

（2）低水胶比是高强高性能混凝土特有的要求，在这种情况下，与水泥或高效减水剂有关的许多因素的影响作用都被加重了。必须指出，普通混凝土用水量为160～200Kg/m3　。高强高性能混凝土用水量为120～160Kg/m3。而实际上，当用水量较少时，在新拌混凝土中出现的各种作用必须争夺水分子（表面湿润，水泥水化，电解质的溶液化和水合作用），由于孔隙水量有限，在普通混凝土（W/C≥0.50）中发生的化学反应必然受到强烈的干扰，在这种条件，水泥和给定的高效减水剂之间适应性也会发生不利的影响。

2.4减水剂与水泥相容性检验方法。

当工程选定水泥与减水剂品种后，首先应按下列检测方法，检验两者的相容性如何？以防大量工程应用时出现相容性问题而措手不及。

本方法为《混凝土外加剂匀质性试验方法》（GB8077-2000）规定的净浆流动度试验方法。适用于在试验室内比较高效减水剂与不同水泥的相容性。当使用矿物掺合料时，本方法也可用于比较高效减水剂与不同混合胶凝材料的相容性。检测方法如下：

2.4.1仪器设备。

（1）水泥净浆搅拌机；

（2）截锥形圆模：上口内径20mm，下口内径40mm，高度60mm，内壁光滑无接缝，为金属或有机玻璃制品；

（3）玻璃板（200×200　mm，5块）；

（4）钢直尺（300　mm　）；

（5）刮刀。

（6）试验步骤：将玻璃板放置在水平位置，用湿布将玻璃板、截锥圆模、搅拌器及搅拌锅均匀擦过，使其表面湿而不带水滴。将截锥圆模放在玻璃板中央，并用湿布覆盖待用。

2.4.2试验方法。

（1）称取水泥1000g，倒入搅拌锅内；

（2）对某种水泥需选择外加剂时，几种外加剂应分别加入不同掺量；对某种外加剂选择水泥时，几种水泥应分别加入不同掺量的外加剂。

（3）将粉状减水剂溶入290mL或350mL水中（减水剂为液体，应扣除其含水量），加入搅拌锅内，搅拌3min。

（4）将拌好的净浆，迅速注入截锥形圆模并用刮刀刮平，然后垂直提取圆模使其在玻璃板上流动，待停止后量取两个相互垂直方向的最大直径，取平均值作为其流动度；

（5）继续保留余下的水泥浆，至加水后3、30、60min，分别测定相应时间的流动度。

2.4.3结果分析绘制以掺量为横坐标，流动度为纵座标的曲线。其中饱和点（外加剂掺量与水泥净浆流动度变化的曲线拐点）外加剂掺量低，流动度大，流动度经时损失小的外加剂与水泥的适应性好。

2.4.4需注明所用外加剂和水泥品种、等级、生产厂、试验室温度、相对湿度等。如果水灰比（水胶比）与本方法不符，也需注明。

2.5改善减水剂与水泥适应性的措施混凝土的性能不仅取决于水泥的性能，也取决于外加剂的性能，更取决于二者之间的适应性。适应性搞得好，才能配制出性能优异、施工方便的混凝土。因此，外加剂和水泥生产厂家必须采取必要的措施减少或避免不适应现象的发生。

（1）重视控制水泥中硫酸钙的含量和溶解速度：水泥生产厂家必须重视控制水泥中硫酸钙的含量和溶解速度。这种控制对水泥生产厂来说是没有什么困难的。因为控制C3A　的水化取决于孔隙溶液中的硫酸盐离子的平衡，大量的SO42-可以导致急凝，然而量少也可以导致急凝。

（2）加强磨机内物料温度的控制：实施ISO新标准后，在提高水泥比表面积的同时，

加强磨机内物料温度的控制，避免温度过高和过低，生成的半水石膏过多或过少将影响高效减水剂与水泥的适应性。

（3）选择适宜的水泥品种：在配制高性能混凝土时，必须选择高性能混凝土的最佳组成，很重要的是要选择流变性好，反应性能低的水泥，也就是说，一经搅拌仅结合少量水的水泥或形成钙矾石少的水泥。

（4）改变减水剂的掺加方法：配制混凝土时采用后掺法或分批添加法等措施掺加减水剂，可改善混凝土的工作性。

（5）使用反应性高分子化合物：使用反应性高分子化合物，该化合物在碱性条件缓慢反应，从而使坍落度经时损失减少，以改善混凝土的工作性。

总之，减水剂与水泥之间的适应性是一个错综复杂的问题，目前还不能完全从理论上来解释这一现象。工程现场遇到的一些问题，还必须用试验的方法尝试着去解决。

参考文献

［1］田培，王玲.　国家标准GB　8076-2008《混凝土外加剂》应用指南　［M］.中国标准出版社，　2009.

［2］陈斌.《建筑材料》［M］.重庆大学出版社，　2008.

［文章编号］1006-7619（2012）12-25-219

［作者简介］　徐洁（1980.6-），女，籍贯：江苏无锡，职称：工程师，工作单位：绍兴福盈照明电器有限公司，研究方向：建筑工程施工管理。