混凝土中减水剂选择的研究

2010级四川建院材料系混凝土综合实训四川德阳2012年１混凝土中减水剂选择的研究摘要：随着建筑业的发展，商品混凝土的应用日益广泛。而作为混凝土添加剂的减水剂对其性能有着很大的影响，在不同的施工环境使用不同种类的减水剂的效果将会怎样呢.本文就如何选择减水剂及注意的问题作了研究。关键词：混凝土，减水剂，性能，种类引论：混凝土外加剂是一种在混凝土搅拌之前或拌制过程中加入的、用以改善新拌和硬化混凝土性能的材料。混凝土外加剂的特点是掺量少、作用大。自20世纪30年代开始使用以来，混凝土外加剂不断得到发展和应用，已成为混凝土配比中不可缺少的组分。1减水剂的发展历程减水剂是混凝土外加剂的一种，可以单独使用，也可与其他功能性组分复配，用来改善新拌和混凝土性能。当在水泥中加入减水剂后，在不改变混合体系组成的条件下，可增加混凝土拌合物的和易性与保坍性；或在混凝土拌合物的和易性不变条件下，减少拌和用水量以提高混凝土的强度与耐久性，并降低因水泥的水合作用而引起的裂变、收缩及热变形等现象[1]。实际上，早在1938年，以萘磺酸盐为主要成分的分散剂技术就在美国取得专利，这算得上是高效减水剂的前身。因为当时混凝土的设计强度(C20-C30)，完全可以通过调节用水量来达到所需要的工作性，并保证强度，再加上水泥价格相对较便宜，从经济上考虑，没必要减少混凝土中水泥用量。在以后较长时间内，只有文沙树脂引气剂、氯盐类早强剂和用纸浆副产品制成的木质素磺酸盐普通减水剂占据着混凝土外加剂的主要市场。1962年，日本花王石碱公司的服部健一博士研制成功了b－萘磺酸盐甲醛缩合物（以下简称“萘系”）高效减水剂；1963年，德国研制成功三聚氰胺甲醛树脂磺酸盐（以下简称“密胺系”）高效减水剂，并投入生产应用，真正算作历史上最早出现的两类高效减水剂产品。20世纪70年代中、后期，这两类高效减水剂也相继在我国开发研制成功，并投入生产应用。到20世纪70年代末80年代初，为了充分利用地方性原材料，降低生产成本，蒽系高效减水剂应运而生，而脂肪族高效减水剂(羰基焦醛高效减水剂)则是最近10年才开始生产应用的。近来，随着工程实际对混凝土各项技术性能要求的提高，氨基磺酸盐系和聚羧酸系高效减水剂相继研制成功并投入生产。新品种高性能减水剂的出现，极大地丰富了我国高效减水剂的市场，但在产品推广和实际应用技术方面仍存在一定问题[2~4]。2010级四川建院材料系混凝土综合实训四川德阳2012年-2-2我国减水剂行业的现状在新修订的的标准中（GB8076中），按照减水率的大小，将减水剂分为普通减水剂（以木质素磺酸盐类减水剂为代表）、高效减水剂（包括萘系减水剂、蒽系减水剂、洗油系减水剂、氨基磺酸盐减水剂、脂肪族减水剂、密胺系减水剂等）和高性能减水剂（以聚羧酸系减水剂为代表）[5~8]。据中国建筑材料联合会混凝土外加剂分会的统计分析，2007年我国减水剂品种齐全，优等品率和合格率大幅度提高，主要产品的产量如下：全国合成混凝土减水剂产量约284.54万ｔ，其中普通减水剂（折成固体计算）17.51万t，占6.2％；高效减水剂（折成固体计算）225.6万t，占79.3％；高性能减水剂（按照20％液体计算）41.43万t，占14.6％，见图1。据不完全统计，全国现有外加剂生产企业1500多家，其中，采用化学合成生产的工厂有350多家，聚羧酸系减水剂的生产企业有60多家。可知我国的减水剂发展正在走向另一个新的台阶[9~12]。3不同减水剂对混凝土的影响减水剂与水泥的适应性是个复杂的问题,在某种水泥中坍落度经时损失小的减水剂,在另一种水泥中坍落度经时损失可能会大,至今尚未有一种对任何水泥都有较好效果的高效减水剂,使用前必须经过实验[13]。目前,实际应用中的混凝土评定指标常常为混凝土强度与坍落度,而忽视了混凝土的体积稳定性问题。体积稳定性不良会引起混凝土早期收缩,形成裂缝。若混凝土早期的收缩裂缝处理不当,就会加速混凝土的开裂,这不但会影响建筑物的外观和使用功能,而且会对建筑物的结构安全性和耐久性造成危害。影响混凝土早期开裂性能的因素有很多,如外加剂品种和掺量、环境温度及风速等都会使混凝土出现裂缝。在工程中，不是所有的混凝土都可以添加任何的减水剂。这就要我们的设计单位和工程技术人员按各种减水剂的减水机理和作用，接合实际的施工环境做出正确的选择[14]。3.1萘系高效减水剂萘磺酸甲醛缩合物减水剂(简称萘系减水剂,NSF),主要成分为萘磺酸甲醛缩合物,是一种极性分子,其中的磺酸基(-SO-3-)是亲水基团。NSF是由萘用浓硫酸磺化得到β-萘磺酸、与甲醛缩合、用苛性钠中和得到的萘磺酸钠甲醛缩合物。萘系减水剂是目前国内生产量最大、使用最广的高效减水剂。其特点是减水率较高,不引气,与水泥适应性好,价格相对便宜,与各种外加剂复合性能好。缺点是坍落度经时损失较大,混凝土有些发黏。3.2聚羧酸高性能减水剂聚羧酸系高效减水剂(简称PC系列减水剂)是甲基丙烯酸与其他单体的共聚物,活性官能团为羧基(-COO--)、聚乙氧基(-OCH2CH2-),具有超分散性,能阻止混凝土坍落度损失,且不引起明显缓凝,是目前国内外化学外加剂研究与开发的重点。与其他2010级四川建院材料系混凝土综合实训四川德阳2012年-3-高效减水剂相比,PC系列减水剂主要有以下突出的优点[15~18]：低掺量(0.2%~0.5%);分散性能好;保坍性好,90min内坍落度基本无损失;在相同流动度下,延缓凝结时间较少;分子结构自由度大,外加剂制造技术上可控制的参数多,高性能化的潜力大;合成中不使用甲醛,因而对环境不造成污染,是一种绿色环保产品。但聚羧酸系减水剂与其他外加剂的相容性不太稳定,故对PC系列减水剂的合成、作用机理和应用等方面的研究还有待进一步深入进行[19~27]。各种高效减水剂的分子结构式如图1所示。图1各种高校减水剂的分子式3.3三聚氰胺系高效减水剂三聚氰胺系减水剂(俗称密胺减水剂,SM)以三聚氰胺、甲醛等为原料,经过羟甲基化、磺化及缩合等工艺制成。特点是减水率较高(25%),早强效果显著。但三聚氰胺价格较高,生产工艺复杂,产品稳定性差,因而在很大程度上限制了其发展和应用。4对减水剂应用的选择及注意事项4.1根据工程特点选用合适的减水剂几乎各种混凝土都可以掺用减水剂，但必须根据工程需要、施工条件和施工工艺等选择合适的减水剂。如一般混凝土主要采用普通减水剂，早强、高强混凝土采用高效减水剂，气温高时，掺用引气性大的减水剂或缓凝减水剂，气温低时，一般不用单一引气型减水剂，多用复合早强减水剂，高层建筑采用泵送混凝土时应使用泵送剂等[28]。为了发挥各种减水剂的特点，不宜互为代用，如将高效减水剂作普通减水剂用，普通减水剂当早强减水剂用都是不合适的。外加剂对不同的水泥有一个适应性问题，如某些减水剂对掺硬石膏的水泥就不发挥作用[29]。4.2注意水泥品种的选择在原材料中，水泥对外加剂的影响最大，水泥品种不同，将影响减水剂的减水、增强效果，其中对减水效果影响更明显。高效减水剂对水泥更有选择性，不同水泥其减水率相差较大，水泥矿物组成、掺和料、调凝剂、碱含量、细度等都将影响减水剂的使用效果，如掺有硬石膏的水泥，对于某些掺减水剂的混凝土将产生速硬或使混凝土初凝时间大大缩短，其中萘系减水剂影响较小，糖蜜类会引起速硬，木钙类会使初凝时间延长[30]。2010级四川建院材料系混凝土综合实训四川德阳2012年-4-因此，同一种减水剂在相同的掺量下，往往因水泥不同而使用效果明显不同，或同一种减水剂，在不同水泥中为了达到相同的减水增强效果，减水剂的掺量明显不同。在某些水泥中，有的减水剂会引起异常凝结现象。为此，当水泥可供选择时，应选用对减水剂较为适应的水泥，提高减水剂的使用效果。当减水剂可供选择时，应选择施工用水泥较为适用的减水剂，为使减水剂发挥更好效果，在使用前，应结合工程进行水泥选择试验。4.3注意减水剂的质量关注减水剂的质量，除关注某些厂家不注意原材料质量控制，粗制滥造，以假乱真，提供伪劣产品外，对质量较好的产品也应注意某些问题，如应详细了解产品实际性能，注意生产厂所提供的技术资料和应用说明。又如目前我国减水剂牌号众多，诸多厂家未明显标示其产品品种，而且质量不一，因此，在工程应用前，应按照质量标准对选择好的减水剂进行掺减水剂混凝土性能要求（与基准混凝土相比）的检验，为了确定掺量，对液态减水剂应测定溶液密度；对粉剂减水剂应测定固体物含量。在粉剂产品中，有些由于烘干不彻底或包装不符合要求而受潮，致使产品中的固体含量大都在75%～80%左右，因此在这种情况下切勿将固体物质以100%用作计算掺量的依据[31~36]。4.4使用前进行试验为了确保工程质量，根据现有的标准，如对减水剂在使用前首先要作匀质性试验，一般应测定表面张力和含固量两项，当测定表面张力有困难时，可用起泡性代替，然后进行混凝土试配，如检验减水剂混凝土的性能，一般应测定坍落度损失、减水率、含气量和抗压强度4项[37~38]。4.5注意掌握掺量每种减水剂都有适宜的掺量，即使同一种外加剂，不同的用途有不同的适宜的掺量。掺量过大，不仅在经济上不合理，而且可能造成质量事故。如对有引气、缓凝作用的减水剂，尤其要注意不能超掺量。如木钙掺量大于水泥重量的0.5%，会引入过量空气而使初凝缓慢，降低混凝土强度。高效减水剂掺量过小，失去高效能作用，而掺量过大（＞1.5%），则会由于泌水而影响质量[39~40]。总之，影响外加剂掺量的因素较多，如对减水剂就有掺加方法、水泥品种、拌合物的初始流动性及养护制度等。4.6采用适宜的掺加方法在混凝土搅拌过程中，外加剂的掺加方法对外加剂的使用效果影响较大。如减水剂掺加方法大体分为先掺法（在拌合水之前掺入）、同掺法（与拌合水同时掺入）、滞水法（在搅拌过程中减水剂滞后于水2～3min加入）、后掺法（在拌合后经过一定的时间才按1次或几次加入到具有一定含量的混凝2010级四川建院材料系混凝土综合实训四川德阳2012年-5-土拌合物中，再经2次或多次搅拌）。不同的掺加方法将会带来不同的使用效果，不同品种的减水剂，由于作用机理不尽相同，其掺加方法也不一样。如对于萘系高效减水剂，为了避开水泥中的C3A、C4AF矿物成分的选择性吸附，以后掺法为好，又如木钙类减水剂，由于其作用机理是大分子保护作用，故不同的掺加方法影响不显著[41~43]。影响减水剂掺加方法的因素主要有水泥品种、减水剂品种、减水剂掺量、掺加时间及复合的其它外加剂等。均宜通过试拌确定。4.7注意调整混凝土的配合比一般地说，外加剂对混凝土配合比没有特殊要求，可按普通方法进行设计。但在减水或节约水泥的情况下，应对砂率、水泥用量、水灰比等作适当调整[44]。○1砂率砂率对混凝土的和易性影响很大。由于掺入减水剂后和易性能获得较大改善，因此砂率可适当降低，其降低幅度约为1%～4%，如木钙可取下限1%～2%，引气性减水剂可取上限3%～4%，若砂率偏高，则降低幅度可增大，过高的砂率不仅影响混凝土强度，也给成型操作带来一定的困难。具体配合比均应由试配结果来确定。○2水泥用量混凝土中掺用减水剂均有不同程度节约水泥的效果，使用普通减水剂可节约5%～10%，高效减水即可节约10%～15%。用高标号水泥配制混凝土，掺减水剂可节约更多的水泥。○3水灰比掺减水剂混凝土的水灰化应根据所掺品种的减水率确定。原来水灰比大者减水率也较水灰比小者高。在节约水泥后为保持坍落度相同，其水灰比应与未省水泥时相同或增加约0.01～0.03。4.8注意施工特点如搅拌过程中要严格控制减水剂和水的用量，选用合适的掺加方法和搅拌时间，保证减水剂充分起作用。对于不同的掺加方法应有不同的注意事项，如干掺时注意所用的减水剂要有足够的细度，粉粒太粗，溶解不匀，效果就不好；后掺或干掺的，必须延长搅拌时间1分以上。掺减水剂的混凝土坍落度损失一般较快，应缩短运输及停放时间，一般不超过30min，否则要用后掺法。在运输过程中应注意保持混凝土的匀质性，避免分层，掺缓凝型减水剂要注意控制初凝时间，掺高效减水剂或复合剂应考虑坍落