聚羧酸减水剂与水泥、矿物掺合料相容性研究

1引言

如今，混凝土已经广泛地应用于工业和民用建筑以及交通、水利、海洋和市政等建筑工程，构成了现代土木工程的骨架。但在各种严酷环境下服役的混凝土其耐久性受到严峻挑战，如路面混凝土受循环荷载^［1］、水工混凝土受盐碱侵蚀^［2］等，如何提高混凝土的寿命是发展高性能混凝土的一大难题。就高性能混凝土的研究，清华大学冯乃谦教授^［3］提出使用新型高效减水剂和细矿物掺合料来提高混凝土的耐久性。矿物掺合料能够提高新拌混凝土的工作性、抗渗性能、混凝土强度。但不同矿物掺合料由于自身性质不同，这三种作用各有侧重^［4-6]通过采用新型高效减水剂和矿物掺合料复配，能使混凝土向工作性、耐久性、经济性和强度体积稳定性等方向发展。但是由于减水剂的分子结构不同、水泥与矿物掺合料成分和性质的差异，会出现不相容问题，给实际施工造成一定难度。通过研究聚羧酸减水剂与水泥、矿物掺合料的相容性，旨在为减水剂在含矿物掺合料混凝土中的使用提供指导。

2试验

⑴试验原料

水泥：武汉亚东水泥有限公司生产的洋房牌42.5水泥；Ｉ级粉煤灰：武汉阳逻电厂Ｉ级粉煤灰；II级粉煤灰：武汉阳逻电厂II级粉煤灰；超细矿粉：采用自制超细矿粉；硅灰：甘肃三远硅材料有限公司生产的硅灰。胶凝材料的氧化物组成见表1。KH-5：高减水型聚羧酸减水剂，武汉华轩高新技术有限公司生产，淡黄色液体，固含量40％。

（2）试验方法

①水泥净浆流动性根据GB/T8077-2000《混凝土外加剂勻质性试验方法》测定浆体流动度。

②吸附量的测试试验采用德国耶拿公司的总有机碳分析仪MultiN/C2100测试滤液中的有机碳含量。

3结果与讨论

（1）胶凝材料种类对减水剂吸附的影响

由图1所知，KH-5掺量在1.6％内，胶凝材料对其吸附量随着掺量增加而增大，减水剂掺1.6％时粉煤灰和超细矿粉对其吸附近乎饱和，而水泥和硅灰的吸附量还在缓慢增加。

相比两种粉煤灰，Ｉ级粉煤灰粒径较小，II级粉煤灰含碳量高。在KH-5掺量低于0.6％时，II级粉煤灰中的多孔碳颗粒对KH-5吸附较多^［7］，II级粉煤灰的吸附量大于Ｉ级粉煤灰；随着KH-5增多，多孔碳颗粒的吸附空位被消耗，在0.6％KH-5时II级粉煤灰的吸附达到饱和，而Ｉ级粉煤灰由于粒径较小，吸附量随减水剂掺量继续增大。

超细矿粉与Ｉ级粉煤灰相比，粉煤灰颗粒成球形，表面为富SiO

₂和Al₂O₃的致密结构^［8］，而超细矿粉颗粒型状大多不规则，棱角锋利，表面部分Si－O键受加工过程而断裂^［9］，另一方面超细矿粉的粒径相比Ｉ级粉煤灰要小，因而超细矿粉对减水剂的吸附量比Ｉ级粉煤灰大。但是在KH-5掺量低于0.4％时，Ｉ级粉煤灰的吸附量较大，原因在于Ｉ级粉煤灰的含碳量较高，对低浓度减水剂吸附量较大，而减水剂浓度增高，多孔碳的吸附空位逐渐饱和。

水泥相比超细矿粉和粉煤灰，在减水剂掺量低于0.6％时，吸附量较小，当减水剂掺量超过0.8％时，吸附量较超细矿粉和粉煤灰为大，原因可能在于低掺量时，水泥由于粒径较大而含碳量低不利于吸附，但水泥在水溶液中各组分迅速溶解，溶出Ca^2＋、SO₄^2-、K^＋、Na^＋、OH^-等，颗粒表面形貌、成分和电位发生变化，这些变化对减水.剂的吸附会造成一定影响。硅灰相比水泥、粉煤灰和超细矿粉而言，吸附量要大很多，硅灰除了极少数超过2μm的大颗粒外，绝大微小颗粒团聚在一起，而团聚体的粒径大都在ｌμm左右，团聚体形貌不规则、结构蓬松，吸水率很大，而且在吸水后体积急剧减小，可以包裹较多的减水剂分子，这部分减水剂在试验中误计算为被吸附部分。另外硅灰中的碳含量较水泥、Ｉ级粉煤灰和超细矿粉均高，有利于硅灰对减水剂的吸附。

（2）水泥浆体流动度分析

①“KH-5和水泥”体系浆体流动度

图2为减水剂掺量对水灰比0.29的水泥净浆流动度的影响，结果表明，KH-5的饱和掺量点为0.115％。

由图2可知，随着KH-5掺量增大，净浆流动度不断增大，在0.115％掺量时达到320mm，继续加大掺量会出现泌水扒底等现象；随着减水剂掺量增大，1h流动度损失率减小。KH-5被水泥及水化产物吸附后，破坏了水泥水化产生的絮凝结构，使絮凝结构包裹的水释放出来，从而提高浆体流动性。当KH-5掺量过大（超过0.115％后），被释放的水分过多，浆体中的固相和液相由于密度差出现严重的分离现象，密度较大的水泥沉降到底部，密度较小的水浮于上部，即所谓的泌水扒底现象，分散性反而变得很差。

②“KH-5和复合胶凝材料”体系浆体流动度

由图3可知，掺Ｉ级粉煤灰能提高水泥净浆的流动度，但掺II级粉煤灰在一定程度上降低了水泥净浆的流动度。就Ｉ级粉煤灰而言，初始流动度在20％掺量时最大，掺量在0～20％流动度增大的原因可能有如下几点：（1）粉体分布模数变小，密实度增大，粒径较小的粉煤灰颗粒填充在水泥颗粒之间起滚珠效应；（2）粉煤灰的掺人使水灰比增大。但掺量20％～30％内流动度降低，原因可能在于粉煤灰掺量较大，使水泥吸附的减水剂变少，减水剂的分散性能降低。掺粉煤灰后1h流动度均有损失，但都比纯水泥净浆1h流动度为大，原因可能在于水泥用量变少，因被水泥水化产物包裹不能发挥减水分散作用的减水剂变少，因此1h流动度相比纯水泥的增大。

II级粉煤灰降低水泥净浆流动度的原因可能在于II级粉煤灰颗粒中含碳量较高，对水和减水剂的吸附量较大，降低了水泥对减水剂的吸附和液相中的自由水，同时II级粉煤灰的掺人使水泥的分布模数有了微弱的增大，起不到微小颗粒填充的作用。但掺II级粉煤灰能降低1h流动度损失率，原因也可能在于掺II级粉煤灰后水泥用量减少。

硅灰相比粉煤灰和超细矿粉，粒径更小，但吸水量很大。硅灰的掺人使水泥浆体的流动性明显变差，在4％掺量即失去初始流动性，2％掺量失去60min流动性。Ｉ级粉煤灰和超细矿粉对KH-5的相容性较好，而II级粉煤灰和硅灰对KH-5的相容性较差，其中硅灰掺4％时浆体失去流动性。

4结论

（1）胶凝材料对髙效减水剂的吸附量均随减水剂掺量增加而增大。硅灰对聚羧酸减水剂的吸附量最大；粉煤灰因含碳量较高，在低减水剂掺量下吸附量较大；超细矿粉对聚羧酸减水剂的吸附能力不如水泥。

（2）对于只掺KH-5水泥净浆而言，KH-5的饱和掺量点为0.115％，达到饱和掺量点之后，流动度不再增大，而且随着减水剂掺量增大，1h流动度损失率降低。

（3）对于掺复合胶凝材料水泥净浆而言，Ｉ级粉煤灰20％掺量流动度达到最大；II级粉煤灰起到降低流动度的作用；超细矿粉20％掺量流动度达到最大，超细矿粉还能提高后期流动度；硅灰起到降低流动度的作用，掺量达到4％即失去流动性。（参考文献略）