试述水泥、矿物掺合料与外加剂的适应性问题

随着我国基础设施投入的高速增长和建筑技术的不断进步，各种超长、超高、超大型混凝土构筑物应运而生，对混凝土性能和质量的要求也越来越高。水泥、矿物掺合料与外加剂预拌混凝土中的普遍应用，使混凝土强度减少对水泥强度的依赖，并促进了大流动性混凝土的广泛使用，已成为商品混凝土中必不可少的组份。

多年来，尽管外加剂在商品混凝土中得到了广泛应用，但在生产过程中却一直存在着外加剂与水泥、掺合料之间的适应性问题。如果处理不当，不仅影响施工，甚至会影响混凝土结构的质量，造成质量事故。因此只有了解影响它们之间适应性的因素，才能发现问题并及时找出解决问题的办法。

作为预拌混凝土中主要的胶凝材料，与外加剂相容性较好的水泥在配制混凝土时，可以用较少的水泥用量或较少的外加剂用量，来达到较好的流动性和较小的坍落度经时损失，使混凝土拌合物具有良好的施工性能。

水泥与外加剂适应性的影响因素很多，一般认为有：水泥熟料的矿物组成、水泥细度、石膏的种类和掺量，混合材的种类和掺量以及水泥的存放时间与温度等。

1、水泥熟料的矿物成分

水泥熟料主要有四种矿物（C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF），其中C₃A及C₄AF与外加剂的适应性较差，C₃S、C₂S与外加剂的适应性较好。这是因为C₃A、C₄AF混水后，其电位呈正值，会较多地吸附外加剂，而C₃S、C₂S混水后，其电位呈负值，吸附外加剂量较少。水泥熟料矿物中以C₃A的水化速率最快，放热大，需水量也大，吸附外加剂量最大，其次为C₄AF，后为C₃S、C₂S。由于水泥各种熟料矿物水化速度不同，吸附外加剂分子数量也不相同，水化速度越快的矿物吸附越多，其它矿物成分吸附量则相对较小，这种不均匀的吸附，使分散作用下降与外加剂适应性就差。因此在商品混凝土中使用C₃A与C₄AF较高的水泥时（特别是C₃A较高时），容易出现混凝土单方用水量偏大，坍落度经时损失过快的现象。当水泥中的C₃A含量＜5-8%时，水泥与外加剂的适应性较好，反之当C₃A含量大于8%时与外加剂适应性变差，即使调整外加剂用量也不能解决坍落度损失大的问题。

目前，由于大多数混凝土企业目前尚不具备水泥化学分析能力，因此，混凝土企业在采购水泥时要对水泥生产过程与质量进行了解，加强与水泥企业的信息交流，尽量采购水泥中C₃A含量低，质量相对稳定的水泥。

2、水泥的细度

对混凝土影响较大的水泥生产现状是：因现行水泥产品标准不设水泥比表面积的上限，水泥比表面积过大，早期强度过高而后期增长率低甚至倒缩，水泥实际强度浮动幅度太大，不利于混凝土质量的均匀控制；部分水泥企业通过提高水泥粉磨细度来提高水泥胶砂强度，但水泥过细比表面积增大，水化就快，对减水剂分子的吸附量也增大，降低了液相中外加剂残留浓度，增加了液体粘度，使混凝土塑化效果变差，混凝土坍落度损失加快。使用这类水泥时，为了达到较好的塑化效果，不得不增加减水剂的掺量，增加了生产成本。同时，水泥细度越细，则与减水剂的适应性越差。但当细度过粗时，水泥凝结时间偏长，配制的混凝土和易性差，泌水较严重，混凝土工作性较差。一般水泥比表面积控制在360～380㎡/Kg比较好。

3、碱含量

水泥中的碱主要来源于生产所用的原材料石灰石和粘土中，以Na₂O+0.658K₂O计算的质量百分率来表示。过量的碱会和集料中的活性二氧化硅反应，生成膨胀性的碱硅酸盐凝胶，一方面会增加混凝土结构开裂的风险，另一方面，碱含量的增大，降低了减水剂的塑化作用，同时水泥中的碱对混凝土的泌水影响较大。因此，水泥产品标准中规定水泥的含碱量不大于0.6%。另一方面，随着对低碱水泥的要求，某些水泥企业由于原材料的变化或控制措施的滞后，水泥的含碱量又突然降得太低，也是混凝土泌水的主要原因。可溶性碱对混凝土的和易性影响很大，通过水泥实验证明：当可溶性碱在质量分数为0.4%-0.6%时的水泥与外加剂的适应性最佳。而当可溶性碱较少时，混凝土拌和物的坍落度损失较快。当然，可容性碱过高时，对混凝土的负面影响就更大；随着水泥碱含量的增大，减水剂的塑化效果变差，混凝土拌和物的凝结时间缩短、坍落度损失急剧加快，特别是和碱性减水剂的适应性就更差。

4、水泥的存放时间与温度

水泥存放时间短、温度高与减少剂的适应性就较差。这是因为出磨不久的水泥含水量较少，温度高（70℃-90℃），水化快，水化热又高，使水泥的需水量大；温度过高的水泥吸附更多的减水剂，混凝土的塑化效果也就变差，坍落度损失也增大。因此，当混凝土企业使用刚出磨不久还没有来得及散热的水泥时来配制混凝土时，往往表现出外加剂减水率降低，拌和物坍落度损失快的情况。经验表明水泥温度在60℃以上，对外加剂吸附相对较大，60℃以下与外加剂适应较好，并趋于稳定。在气温较高的季节，这种影响更为明显。

5、石膏的影响

水泥中所掺加的石膏主要有二水石膏半水石膏及工业副产石膏。根据有关标准，这些石膏都可作为水泥调凝剂，试验证明掺二水石膏和半水石膏的水泥适应性较好，掺硬石膏的水泥适应性较差。因为硬石膏的溶解速度较慢，不能有效控制C₃A的水化速度，使减水剂分子被C₃A大量吸附，削弱了减水剂的分散作用，从而降低了减水率，增加了坍落度损失。

6、混合材的影响

水泥中常用的掺合料有粒化高炉矿渣，粉煤灰，石灰石等，由于掺合料的性质不同，也会影响外剂对水泥的适应性，其中以石灰石、优质粉煤灰和矿渣与外加剂的相容性较好，而双掺效果比单掺好。石灰石作水泥混合材，其易磨性较好，水泥标准稠度用水量较小，同时有利于改善水泥的颗粒分布，改善与外加剂的相容性，是生产水泥首选的混合材；矿渣活性高，玻璃体含量较多，虽然易磨性差，但掺入少量矿渣与熟料共同粉磨，可以改善水泥颗粒组成，提高水泥胶砂28天及远龄期强度，同时矿渣与外加剂的相容性较好；优质（一级、二级粉煤灰）是优质水泥较好的混合材，但粉煤灰品质差异较大，需水量大、烧失量高、游离氧化钙高、活性差的粉煤灰应慎用。用煤矸石和炉底渣作为水泥混合材时，会使混凝土拌和物的用水量增大，同时与外加剂适应性变差。

外加剂自身的原因有以下几个方面：

1、外加剂品种不同

2、结构官能团的不同

3、聚合度不同

4、复配组分不同。这些影响为会通过不同方式影响外加剂与水泥及混凝土掺和料的适应性。

而不同厂家生产出来的外加剂也会有很多差异，主要原因：

1、生产制作工艺；

2、制作过程的技术水平；

3、质量管理水平。因此，不同的厂家生产出来的产品必然有差异，必须做适应性试验，选择与水泥、掺合料适应性好的效果优良的外加剂。

目前大多数的商品混凝土公司都采用掺粉煤灰、矿粉和高效减水剂参与混凝土配料，即所谓的“三掺技术”。实践证明优质粉煤灰（一级灰、部分二级）对外加剂的适应性较好，优质粉煤灰具有微珠颗粒的润滑、填充作用，从而改善混凝土拌和物的和易性，降低混凝土配合比用水量。优质粉煤灰能延缓水泥水化，缓解水泥水化过程中水化粒子的凝聚，减小拌和物的坍落度损失。粉煤灰的需水量比越小越好，同时粉煤灰的烧失量越小越好，烧失量大吸附外加剂多，影响外加剂的使用效果。试验表明磨细矿渣对外加剂的适应性好，可以改善混凝土的和易性、泵送性、降低水化热，减少坍落度损失，但质量一定要好，矿渣的碱性系数Mο必须大于1.2，比表面积在400m²／kg以上。

总之，水泥掺合料与外加剂之间的适应性好坏直接影响最终产品——混凝土的性能和质量，固然适应性问题应该引起高度的重视。

作者：朱生平

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