聚羧酸系外加剂与水泥相容性的研究

[摘 要] 为了探讨聚羧酸系外加剂与不同水泥品种的相容性，本文选择苏通长江公路大桥使用的两种水泥，针对目前工程中广泛应用的聚羧酸系外加剂，进行了不同温度状态条件下水泥浆和混凝土性能试验。研究结果表明：聚羧酸外加剂与两种水泥具有较好的相容性，但是水泥温度和外加剂掺量对水泥浆流动度、混凝土坍落度和后期强度增长都具有一定的影响。

[关键词] 聚羧酸系外加剂；相容性；流动度；坍落度

0前言

　　随着国民经济的飞速发展，大型跨江、跨海大型公路桥梁项目相继涌现，工程混凝土需求量增大，为了提高混凝土施工性能并且改善混凝土的耐久性，混凝土中均需掺用一定数量的外加剂，特别是近年来，羧酸系减水剂作为第三代新型混凝土高效减水剂，因相对于萘系高效减水剂具有高减水率、低收缩、低泌水和坍落度损失小等性能优点，其生产和应用发展很快^[1]。然而，有一个实际问题却一直严重影响应用效果，即聚羧酸系外加剂也存在与水泥材料的相容性问题^[2]，这种问题有时会导致严重的工程事故和不可估量的经济损失。聚羧酸外加剂与水泥之间产生不相容性的原因错综复杂，工程中难以避免，在施工中已引起生产厂家和工程应用部门的高度重视。因此，对使用过程中碰到的实际问题，需要对不同外加剂和不同的水泥及混凝土施工配合比进行对比试验分析。

　　为较好的解决外加剂与水泥相容性问题，本试验选取苏通长江公路大型桥梁使用的两种有代表性的水泥(P.O 42.5和P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥)和江苏建筑科学研究院生产的JM-Ⅲ型聚羧酸外加剂产品，进行了有关水泥静浆和混凝土性能的对比试验，通过比较聚羧酸系外加剂对水泥不同品种和不同温度状态的适应性研究，为更好地解决水泥和外加剂相容性问题提供参考。

1原材料及试验方法

1.1原材料

　　水泥：江苏南通华新水泥生产的P.O42.5和P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥，两种水泥的物理化学性能见下表1。

　　粉煤灰：江苏镇江谏壁生产的Ⅰ级粉煤灰，其物理性能参数如下表2所示。

　　碎石：江苏镇江茅迪生产的石灰岩碎石，级配为5～20mm，表观密度为2.71g/cm³，压碎指标为8%。

　　砂：江西赣江生产的中砂，细度模数为2.8，表观密度为2.6g/cm³。

　　聚羧酸外加剂：江苏省建筑科学研究院生产的JM-Ⅲ型聚羧酸外加剂，其物理性能指标如下表3所示。

1.2试验方法

　　水泥静浆试验按照《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119-2003)中关于混凝土外加剂对水泥的适应性检测方法进行。水泥温度分别为20℃和80℃，试验水胶比为0.35，高效减水剂掺量分别为0.5%、0.8%、1.2%、1.5%和2.0%，测定从加水开始后5min、30min和60min的水泥静浆流动度。

　　混凝土试验配合比如下表4所示，P.O42.5和 P.Ⅱ52.5两种硅酸盐水泥的混凝土配合比分别按照1#～4#进行，w/b为0.33，Ⅰ级粉煤灰的掺量为19%，聚羧酸系外加剂的掺量分别为0.5%、0.8%、1.2%和1.5%。各种混凝土试验测试方法依据国家现行普通混凝土拌合物力学性能试验标准进行。

2试验结果及分析

2.1外加剂对水泥静浆流动度的影响

　　图1～图4分别为20℃和80℃条件下，在不同外加剂变化条件下对P.Ⅱ52.5和 P.O 42.5两种硅酸盐水泥静浆5min、30min和60min流动度的变化。

　　如图1～图4所示，P.O42.5和 P.O42.5两种水泥静浆的流动度，随着聚羧酸外加剂掺量的增大呈现先增大后减小的趋势。静浆流动度发生变化的拐点为1.2%，可见本试验中外加剂掺量的饱和点为1.2%左右。在饱和点以前，两种静浆的经时流动度都持续增长，没有损失，其主要原因可能是：(1)水化初期水泥颗粒对高效减水剂的吸附并不完全，吸附过程的持续进行保证了浆体经时流动度的持续增长；(2)JM-Ⅲ型高效减水剂的缓凝成分延缓了水泥颗粒水化的速率，使得浆体经时流动度没有损失。当高于饱和点掺量时，P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥浆经时流动度开始损失，而P.O42.5硅酸盐水泥浆经时流动度继续增长，当掺量达到2.0%时，水泥浆经时流动度才开始损失，但是两种水泥浆经时损失都不大。

　　当水泥温度为20℃时，在高效减水剂各种掺量条件下，两种硅酸盐水泥浆都表现出较大的流动度，可知聚羧酸外加剂对两种水泥都具有较好的分散作用。当水泥温度为80℃时，同掺量的硅酸盐水泥浆的流动度出现大幅下降，掺量较小时，减小率达到最大值，为54.5%。试验结果表明当水泥温度升高时，聚羧酸外加剂对水泥颗粒的分散作用减弱，宏观上表现为水泥浆流动度大幅下降。

　　当水泥温度相同和聚羧酸外加剂掺量相同时，P.O42.5硅酸盐水泥能表现出比P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥更高的流动度。如图1和图2所示，水泥温度为20℃条件下，掺量为1.2%的P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥浆5min流动度大致等于掺量为0.8%的P.O 42.5硅酸盐水泥，为200mm左右。可能原因是P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥细度要高于P.O42.5硅酸盐水泥，要获得同样流动度，需要更多的聚羧酸外加剂^[3]。

　　JM-Ⅲ型高效减水剂与P.O 42.5、 P.Ⅱ52.5两种硅酸盐水泥都具有较好的相容性，但是从水泥浆试验结果分析，P.O42.5硅酸盐水泥与聚羧酸外加剂的适应性要优于P.Ⅱ52.5水泥。

2.2外加剂对混凝土性能的影响

2.2.1两种水泥混凝土的坍落度比较试验

　　图5和图6分别为两种硅酸盐水泥混凝土，随着外加剂掺量的变化，坍落度和1h坍落度的试验对比结果。

　　由图5和图6可知：随着聚羧酸外加剂掺量的增大，两种硅酸盐水泥混凝土的坍落度都呈增长趋势。在外加剂掺量较低时，两种水泥混凝土已经表现出较高的坍落度，并且随着外加剂掺量的增加，混凝土初始坍落度的提高效果也比较明显，当初始坍落度达到200mm以上后，增加聚羧酸外加剂用量对提高坍落度效果不大，但可以继续提高混凝土流动性和坍落度保持性能。而且，试验中还发现，如果聚羧酸外加剂过饱和，混凝土也容易出现泌浆和沉底现象。

　　图7为两种水泥混凝土(P.O42.5和 P.Ⅱ52.5)1h坍落度损失，由图7可知，随着外加剂掺量的增大，混凝土1h坍落度损失呈先减小后增大的趋势，并且P.O 42.5水泥混凝土的坍落度损失要好于 P.Ⅱ52.5水泥混凝土。当外加剂掺量较低时，两种水泥混凝土坍落度损失较大，在60mm～80mm之间；当外加剂掺量增大时，1h坍损在20mm左右。这表明：本试验采取掺量为1.2%的外加剂时，两种硅酸盐水泥混凝土能具有很高的初始坍落度，而且能保证坍落度经时损失较小，其主要原因有两方面：(1)由于聚羧酸外加剂的高效减水作用和高品质的粉煤灰火山灰活性效应，使得这种高性能混凝土体现出优良的工作性能；(2)聚羧酸外加剂中的缓凝成分能延缓C₃S的水化^[4]，因此大量的外加剂可用于硅酸盐相的分散，正是由于这种分散作用和对初期水化的抑制作用，使吸附水和结合水减少，而游离水增多。因此，在提高浆体流动性的同时，还能减小坍落度的损失。

2.2.2两种硅酸盐水泥混凝土强度比较

　　图8和图9分别为P.Ⅱ52.5 和P.O42.5两种硅酸盐水泥混凝土3d、11d和28d强度，在不同的聚羧酸外加剂掺量时的试验结果。根据试验结果可知，两种硅酸盐水泥混凝土3d强度都达到了30～50MPa，28d强度达到了50～80MPa。可见聚羧酸外加剂虽然能延缓水泥水化过程，但并不影响早期强度的增长，而且由于粉煤灰的火山灰活性以及高效减水剂使用后使水胶比降低，混凝土28d强度也较高。

　　从图8和图9的分析结果看，P.Ⅱ52.5水泥混凝土3d强度都在50MPa左右，11d强度都在60MPa左右；而P.O42.5水泥混凝土3d强度，除了掺量为0.5%的混凝土强度较低外(34MPa)，其余各掺量混凝土强度都在45MPa左右。这表明：水泥品种和外加剂掺量变化对混凝土早期强度的影响不大。并且通过对两种水泥混凝土后期强度的比较可知：P.Ⅱ52.5水泥混凝土比P.O 42.5水泥混凝土后期强度增长更明显，这说明聚羧酸外加剂对高标号水泥混凝土的后期强度增长发展作用更大。

3结 论

　　1、对于目前苏通长江公路大型桥梁使用的P.Ⅱ52.5和 P.O 42.5硅酸盐水泥，试验用的聚羧酸系外加剂，其水泥浆流动度试验结果具有较好的稳定性，反映了聚羧酸外加剂与这两种水泥具有较好的相容性，但聚羧酸外加剂掺量对其与水泥的相容性有一定的影响。在所试验的水泥温度范围内，随着水泥温度升高，水泥浆流动度大幅下降，但是没有出现经时流动度损失的情况。对于本试验所用的两种水泥，聚羧酸外加剂存在一个最佳掺量。

　　2、在最佳掺量左右时，两种水泥混凝土能保持很高的坍落度和较小的坍落度损失。对于两种水泥，聚羧酸外加剂混凝土的强度发展规律基本一致。聚羧酸外加剂掺量变化对混凝土早期强度影响不大，对后期强度增长影响较大，特别是高标号水泥混凝土后期强度增长更为明显。

参考文献

　　1 梅顺康.混凝土外加剂及其应用技术.机械工业出版社[M].北京：2004.8：84.

　　2 安同富，刘建江等.聚羧酸外加剂与水泥适应性试验研究[J].混凝土，2006,4：34.

　　3 陈建奎.混凝土外加剂原理与应用 (第二版)[M].北京：中国计划出版社，2004：263.

　　4 汪澜.水泥混凝土组成、性能、应用[M].北京：中国建材工业出版社，2004：225.