水泥与减水剂适应性初探
北京新港水泥制造有限公司 杨德昌
摘要：随着社会的发展，基建及房建市场的空前繁荣，减水剂与水泥之间的适应性在混凝土生产与施工中也越来越受到重视，同时水泥生产企业也在日益xx自身水泥的适应性问题。本文通过用两种高效减水剂分别对自配三种水泥进行适应性试验，同时用同一种水泥掺不同混合材时水泥与减水剂的适应性的变化。结果表明，同一种水泥与不同减水剂之间的适应性不一样；掺不同混合材时同一种水泥与高效减水剂的适应性也不一样。
关键词：水泥 减水剂 适应性 流动度
1 前言
高效减水剂已成为商品混凝土中不可缺少的组分之一，它可以改善新拌混凝土的性能，提高硬化混凝土的物理力学性能与耐久性，同时还可以节约水泥，改善施工条件，提高施工效率。在具体的生产与施工中，高效减水剂与混凝土各组分材料之间存在着适应性问题，其中水泥的影响{zd0}。我国现阶段生产的通用水泥品种较多，不同的水泥产品，性能上也往往存在着显著的差异，给使用带来诸多不便。故混凝土在选择水泥时除了考虑水泥的强度等因素外，更要注意水泥质量的稳定性及与高效减水剂的适应性。
本文分析了两种高效减水剂与三种不同水泥的适应性，记录了减水剂对水泥净浆初始流动度及1h流动度损失的影响，记录了减水剂与掺有不同混合材的水泥之间的适应性，并对试验结果进行了分析讨论。
2 实验材料与实验方法、议器
2.1实验材料
2.1.1水泥及混合材
本试验采用了北京新港水泥制造有限公司的硅酸盐水泥熟料，通过改变生料配料烧出三种不同成分的熟料样品。将三种熟料都按6.0％（重量）配入相同的石膏（SO3含量在38％左右），分别用￠500㎜×500㎜标准试验小磨粉磨制成硅酸盐水泥（Ⅰ型）。表1列出了 三种新港硅酸盐水泥熟料的矿物组成。
表1 硅酸盐水泥熟料的矿物组成，％
水泥熟料
C3S
C2S
C4AF
C3A
熟料1
55.29
21.98
10.22
8.01
熟料2
49.98
26.68
9.26
8.78
熟料3
46.33
29.18
11.39
7.28
本试验所使用的混合材有普通细度矿渣、超细矿渣、粉煤灰、沸石粉，分别按10％、
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20％、30％、40%、50%与新港自制硅酸盐水泥混匀后制成掺混合材的水泥。
2.1.2高效减水剂
UNF－5：萘磺酸盐甲醛缩合物（萘系高效减水剂）。
SM： 磺化三聚氰胺甲醛树脂（密胺树脂类高效减水剂）。
2.2 实验方法、议器
水泥及混合材的细度按GB1345进行。水泥标准稠度用水量、凝结时间的测定按GB1346进行。水泥及混合材的平均粒径用激光粒度议测定。
水泥净浆扩散度实验按GB8077进行，采用微型坍落度议（上口￠36㎜、下口￠64㎜，高60㎜的截头圆筒）测定静态下浆体的扩散直径。所用议器还包括￠500㎜×500㎜标准试验小磨、净浆搅拌机、测定流动度变化的玻璃尺与直尺。
净浆的水胶比经实验选择0.28，改变高效减水剂的加入剂量，通过测定加水后5min（即搅拌刚结束）的初始流动度F5及静置1h浆体的流动度F60，比较不同水泥与高效减水剂适应性的差异。
掺混合材的水泥是在固定水胶比（0.28）及固定UNF－5掺量（0.8％）的条件下，测定不同混合材类型、掺量与高效减水剂的适应性。
3 实验结果与讨论
3.1 水泥有关物理性能及混合材细度
水泥有关物理性能及混合材细度见表2、表3。
表 2 水泥有关物理性能
凝结时间 min
水泥
初凝
终凝
标准稠度需水量％
80μm筛余 ％
平均粒径μm
样品1
135
180
26.0
3.9
17.8
样品2
110
150
25.8
3.2
13.52
样品3
165
230
25.2
2.1
17.1
表3 混合材的细度及平均粒径
细度
普通细度矿渣
超细矿渣
粉煤灰
石灰石粉
80μm筛余 ％
5.1
0
5.3
4.9
平均粒径μm
18.9
7.2
19.10
18.6
3.2 UNF－5与自配硅酸盐水泥的适应性 数字水泥网2 提供下载
一般来说,水泥净流动度F在水灰比一定时随高效减水剂掺量增加而增加，到某一剂量之后流动度不再增加，或增加很小，此时的减水剂掺量称为饱和点。当掺用超过该点过多的减水剂时会增加成本，同时会导致水泥浆与骨料的离析。表4及图1是三种水泥加水（W/C＝0.28）拌合在UNF－5掺量变化条件下流动变化的实验结果。
表4 UNF－5与三种水泥的适应性的实验结果
项目
0.6％
0.8％
1.0％
1.2％
1.4％
1.6％
1.8％
F5／㎝
12.0
13.5
15.0
17.0
18.5
19.0
19.5
样品1
F60／㎝
9.0
10.0
10.5
12.0
13.0
14.0
14.5
F5／㎝
15.0
17.0
18.0
19.0
19.0
样品2
F60／㎝
10.5
11.0
11.5
13.0
12.0
F5／㎝
17.0
18.5
20.0
21.5
23.0
23.5
样品3
F60／㎝
12.0
14.5
15.5
16.5
17.5
17.0
图1 UNF－5与三种水泥的适应性实验结果
由图1可看出，样品3水泥与UNF－5的适应性{zh0}，表现为相同UNF－5掺量时流动度值较大，且1小时后流动度损失也很小。其次是样品1水泥，该水泥具有明显的饱和点，但饱和点UNF－5掺量较高（为1.4％），1小时流动度损失较大。样品2水泥与UNF－5的适应性较差，虽然其饱和点较小（为1.0％），且初始流动值较高，但1小时流动度损失太大，UNF－5掺量从0.6％到1.4％，F60基本不增加。
3.3 SM与硅酸盐水泥的适应性
表5及图2是SM与三种水泥适应性的实验结果，尤其可以看出相同的水泥与不同
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减水剂之间适应性存在差异。图2表明，三种水泥与SM的适应性都不太理想。样品1水泥饱和点较为明显，1小时流动度损失看起来较小，但初始流动度值不高，样品1水泥F60值似乎还未达到饱和点，这意味着需要掺加更多的SM。样品2与样品3水泥的初始流动度在SM掺量相同的条件下比样品1水泥高得多，但1小时流动度损失太大。这说明SM与三种水泥的适应性不如UNF－5与三种水泥的适应性好。
表5 SM与三种水泥之间的适应性实验结果
项目
0.6％
0.8％
1.0％
1.2％
1.4％
1.6％
1.8％
F5／㎝
11.0
11.5
12.0
14.5
17.0
19.5
20.0
样品1
F60／㎝
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
11.5
13.0
F5／㎝
14.0
14.5
17.5
22.0
23.0
24.0
25.0
样品2
F60／㎝
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
12.0
13.0
F5／㎝
14.0
15.5
18.0
22.5
26.0
27.0
28.0
样品3
F60／㎝
11.5
12.0
12.5
13.5
14.5
15.0
16.0
图1 SM与三种水泥的适应性的实验结果
3.4 UNF－5与掺混合材水泥的适应性.
在水泥生产中常用的混合材的矿渣、粉煤灰及沸石等。近年来超细矿渣常作为高性能混凝土的掺合材料，对改善混凝土的工作性能、力学性能及而久性都有很好的作用。本研究中将上述四种混合材以不同配比制备掺混合材的水泥，在固定水胶比、固定UNF－5掺量
条件下，测定初始流动度F5及1小时流动度F60损失值，测定结果见表6及图3。
表6 掺不同混合材的水泥流动度测定结果
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项目
0％
10 ％
20 ％
30 ％
40 ％
50 ％
F5／㎝
14.5
22.0
23.0
23.5
22.5
24
普通细度矿渣
F60／㎝
9.0
13.5
14.0
14.5
14.0
14.5
F5／㎝
14.0
19.0
23.0
23.5
24.5
25.5
超细矿渣
F60／㎝
9.0
15.0
19.5
20.0
22.0
23.0
F5／㎝
14.0
21.0
21.5
23.0
21.5
20.5
粉煤灰
F60／㎝
9.0
12.0
12.5
13.0
12.5
12.0
F5／㎝
14.5
20.0
18.5
16.0
15.0
14.0
沸石粉
F60／㎝
9.0
18.5
16.5
14.0
10.0
7.0
图3 掺不同混合材的水泥流动度测定结果
由图3 可见，加入超细矿渣的水泥与UNF－5的适应性{zh0}，
图3掺不同混合材的水泥流动度测定结果
当超细矿渣掺量在20％时，就可xxxx水泥的初始流动度及1小时流动度，而且流动度损失很少。随着掺量增加至50％，流动度增加不再明显。粉煤灰加入水泥后与UNF
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－5的适应性与较好，粉煤灰从10％至50％，F5及F60变化规律是一致的，两者在该掺量范围内流动度变化都不大，但以掺量30％时为{zg}，1小时流动度损失较少。
普通细度矿渣加入10％，水泥初始流动度达到较高数值，以后随矿渣掺量增加流动度增长缓慢；1小时流动度损失较大。沸石的掺入量10％时为{zh0}，此处F5、F60值{zg}，且损失最小；当掺量超过10％后，水泥的流动度F5、F60基本上呈直线下降趋势。
通过比较图3及图1，可发现加入混合材后，样品1水泥与UNF－5的适应性得到很大的改善，其中以超细矿渣的效果为{zh0}，粉粉灰次之，普通细度矿渣对改善初始流动度有较大作用，沸石{zj0}掺量为10％。
3.5 适应性的因素分析
3.5.1水泥的矿物组成、细度及硫酸钙的形态
根据实验结果，水泥熟料矿物中C3A的多少、总碱量、细度及硫酸钙的形态与掺量都影响到高效减水剂的适应性。水泥中C3A、C4AF含量越低，水泥萘系减水剂的适应性就越好，其中C3A的影响比C4AF大得多。因为C3A的水化速度比C4AF快，高效减水剂优先吸附于C3A或初期水化产物的表面。当水泥很细时，C3A水化速度就更快，就会在早期吸附更多的高效减水剂，从而减少了游离减水剂的含量，在一定程度上降低了高效减水剂所应有分散作用。另外C3A含量高加速了凝结速度，使水泥浆体形成骨架结构，降低了流动度。如要提高浆体流动度，则需要加入更多的减水剂。
水泥中所含的硫酸钙的溶解速率,即液相中SO42－浓度也控制着浆体的流变行为。当硫酸盐溶解慢，而需要影响C3A的量却相对较多时，由于缺少足够多的SO42－，较多的C3A就地水化,高效减水剂就会吸附于C3A及其初期水化产物，从而降低了液相中有效减水剂的浓度，分散作用减小。含半水石膏、二水石膏的水泥与高效减水剂的适应性比含硬石膏的要好，原因在于前二者释放SO42－的速度比后者快。
本实验中三种水泥的细度及所含硫酸钙形态、含量一致，故影响水泥与高效减水剂适应性的因素是矿物组成中的C3A、C4AF含量，C3A含量越大，则水泥与萘系减水剂的适应性越差。从凝结时间上也可看出，初凝时间最短的样品2水泥与减水剂的适应性最差。
3.5.2 高效减水剂
高效减水剂几乎都是一类聚合电解质，它们对水泥混凝土的作用机理主要是分散作用、化学－力学作用及对水泥初期水化的抑制作用。
本实验所采用的萘系高效减水剂及树脂类高效减水剂都是含芳烃环的聚合物电解质，但前者带苯环，而后者则含有芳香性的三氮杂苯，故它们对同一种水泥所表现出的适应
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性存在很大差异。
3.5.3 混合材
实验表明，加入混合材后明显改善了水泥与高效减水剂之间的适应性，这可能是因为加入混合材后降低了C3A的相对含量，即降低了水化早期C3A对高效减水剂的吸附量，使得相对较多的减水剂发挥分散作用。但不同混合材所表现出来的改善效果不一样。
水淬高炉矿渣是一种玻璃质材料，无空洞，不吸收水分。在同水胶比、同减水剂掺量条件下，矿渣超细粉磨后可xxxx水泥与减水剂之间的适应性。这是因为超细矿渣中细小颗粒多（平均粒径为6.05μm），可以充分填充水泥颗粒（平均粒径为20μm左右）之间的空隙，降低了填充水泥颗粒空隙的用水量，具有显著的减水效果。而普通细度的矿渣因其平均粒径与水泥的平均粒径相当，无法填充水泥颗粒之间更细小的空隙，故掺量从10％增至50％时，水泥浆体流动度变化不大。
粉煤灰对水泥与高效减水剂适应性的影响，可归结为物理化学方面的因素。粉煤灰中含有大量表面光滑的玻璃微珠，特别是当实心球多时可减少混凝土的需水量；另外粉煤灰具有一定的缓凝作用，可避免过早地形成水泥骨架结构，有利于浆体流动性改善。但如果粉煤灰质量差，如含有较多的多孔玻璃珠或碳量较高时，就可能增加需水量。
沸石是一种软质多孔材料，其结构中硅（铝）氧四面体格架空间需水量较大，拌合水一部分被沸石粉吸入内部的空腔与孔道，造成拌合物流动度的降低。本实验表明沸石掺量为10％时，可改善水泥－高效减水剂的适应性，但随着掺量的增加，水泥的流动度随之减少。
4 结束语
根据有关资料介绍，净浆流动度试验结果（饱和点剂量、流动度损失与程度）与混凝土坍落度损失试验结果相一致，故用本试验方法评价水泥与高效减水剂的适应性是可行的。通过本试验可得到以下结论：
① 水泥中C3A含量越少、初凝时间越长，则水泥与萘系减水剂的适应性越好，反之亦然。本实验中树脂类高效减水剂与三种水泥的适应性都不太理想，但树脂类高效减水剂可大幅度提高水泥浆体的初始流动度。
② 普通细度矿渣、越细矿渣、粉煤灰、沸石粉在掺量为10％时可较好地改善水泥与高效减水剂的适应性，其中超细粉磨矿渣的效果{zh0}。
③ 同种高效减水剂与不同的硅酸盐水泥之间的适应性差异较大；而相同的水泥产品与不
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同高效减水剂之间的适应性差异也较大。
参考书籍：
1、《实用混凝土大全》 冯谦主编 科学出版社
2、《混凝土外加剂》 熊大玉 化工出版社
3、《化学建材生产及应用》 张书香 化工出版社
4、水溶性高分子 严瑞瑄 化工出版社
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