水泥与混凝土外加剂的适应性

水泥与混凝土减水剂适应性影响因素及其改善措施主讲人:蒋正武博士电话:[phone]单位：同济大学材料科学与工程学院E-mail：[e-mail]日期:2009年5月22日郑州主要内容概述水泥基本知识减水剂作用机理及其发展概况水泥-外加剂适应性的影响因素分析评价水泥-减水剂适应性的检测方法减水剂应用中常见问题分析概述水泥与减水剂的适应性问题已经成为困扰混凝土工作者的一个难题，影响外加剂应用效果和推广应用出现的问题、现象众多。影响因素极其错综复杂，涉及到：水泥和其他矿物掺合料：物理和化学性能减水剂：高分子材料学、表面物理化学和电化学骨料性能混凝土拌合物性能。适应性概念是什么？外加剂与水泥产生不相适应性的后果影响混凝土拌合物及硬化后的质量影响施工造成退货造成返工影响工期影响效率引起纠纷水泥厂外加剂厂施工单位混凝土供应商按照混凝土外加剂应用技术规范，将经检验符合有关标准的某种外加剂掺加到用按规定可以使用该品种外加剂的水泥所配制的混凝土中，一般产生两种情况1）能够产生应有的效果，就认为该水泥与这种外加剂是适应的2）如果不能产生应有的效果，则该水泥与这种外加剂之间存在不适应性混凝土外加剂与水泥适应性的概念适应性的概念水泥与高效减水剂适应性包括三个方面：初始工作性（坍落度、扩展度……)是否有明确的饱和点工作性损失情况适应性的概念水泥与减水剂适应时：减水剂在常用掺量下能够达到它自身的减水率；没有离析和泌水现象；坍落度随时间变化损失相应较小；对混凝土的强度等性能无负面影响。不适应时：初始坍落度小，坍落度损失快，离析，泌水，外加剂用量增加。容易出现适应性问题的外加剂1)减水剂(普通减水剂、高效减水剂)2)缓凝剂、缓凝减水剂、缓凝高效减水剂3)速凝剂4)引气剂5)泵送剂(普通泵送剂、高效泵送剂)6)控制混凝土坍落度损失的外加剂7)膨胀剂常出现的不适应性现象混凝土拌合料在搅拌机中就变得干硬无法卸料泵送时堵泵减水率低或坍落度损失过快等究竟谁的产品出了问题？？？搅拌站水泥厂外加剂厂通常的应急措施不增加水泥，而单纯增大用水量W/C增大强度下降、耐久性降低同时增加水泥和用水量浆量增加成本增加、开裂增加、耐久性降低施工现场加水局部W/C增大承载力、耐久性下降聚合度中和离子纯度状态磺化程度矿物组成其它混合材品种与掺量细度石膏掺量石膏型态碱含量减水剂作用效果减水剂水泥掺量掺加方法影响水泥与外加剂适应性的因素水泥外加剂外加剂掺量与掺加方法其它水泥基本知识概述水泥生产工艺水泥熟料矿物组成及特征水泥的水化硬化水泥物理化学性能的影响一、水泥基本知识概述水泥的性能主要取决于水泥熟料的质量，优质的水泥熟料应该具有合适的矿物组成和良好的岩相结构。水泥的矿物组成及其比例对减水剂适应性关系非常密切。掺和料对减水剂适应性有较大影响。影响适应性的主要因素分析。硅酸盐类水泥硅酸盐类水泥是硅酸盐类水泥熟料、0~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，即国外统称的波特兰水泥。硅酸盐类水泥分两种型号：不掺混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥重量5%石灰石或矿渣混合材料的称为Ⅱ型硅酸盐水泥。硅酸盐类水泥的生产硅酸盐类水泥的生产过程是“两磨一烧”，即（1）将原料按一定比例配料并磨细成符合成分要求的生料：（2）将生料煅烧使之部分熔融形成熟料；（3）将熟料与适量的石膏共同磨细成为硅酸盐类水泥。其主要过程如下图：硅酸盐水泥生产过程水泥生產流程圖（二磨一燒）水泥生產過程石灰岩採石（壓碎）其它原料粘土/頁岩採石（壓碎）儲料儲料研磨及混料研磨及混料儲存和最後混料預熱燒結（窯）石膏完成研磨儲料銷售至市場原料處理研磨燒結熱料研磨(1)濕式法濕式、乾式、半濕式製程→↓↓↓↑→→↓°ı↑↓°˜粘土水水磨機粘土泥漿白堊土水水磨機混合泥漿槽旋窯靜電集塵器粉塵返回製程°˜↑→↓→旋窯冷空氣燒塊冷卻器球磨機粉煤↓石膏↓水泥筒倉包裝工廠散裝運輸區貯料斗燃燒區↓↓↓(2)乾式法濕式、乾式、半濕式製程氣體流線→製程材料流線°˜↑→↓→旋窯冷空氣燒塊冷卻器球磨機粉煤↓石膏↓水泥筒倉包裝工廠散裝運輸區貯料斗燃燒區↓↓→→↓↓↑↓°↓→↓↓↓↓↓石灰岩頁岩球磨機混合粗粉料筒倉粉塵返回製程靜電集塵器粗粉料預熱器旋窯液態鍛燒爐熱源壓碎機水泥製造原料的高溫反應及煆燒生成物粘土分解：石灰岩分解：（排放CO2）CaCO3ΔH8000CCaOCO2----------------------------------(2-2)xSiO2yAl2O3(Fe2O3)2H2OΔH6000CxSiO2yAl2O3yFe2O3H2O--(2-1)水泥原料在旋窯中燒結成水泥熟料礦物脫水區煆燒區燒塊區冷卻區燒塊出口冷卻鐵柵排氣原料入口自由水粘土分解石灰岩分解初化合物形成熔膠形成氣體溫度進料溫度450oC50oC800oC600oC1200oC1000oC1350oC1350oC1550oC1450oCCS初形成2CS初形成3（一）水泥熟料矿物组成及特征1．矿物组成矿物分子式矿物名称简写3CaO·SiO2硅酸三钙C3S2CaO·SiO2硅酸二钙C2S3CaO·Al2O3铝酸三钙C3A4CaO·Al2O3·Fl2O3铁铝酸四钙C4AFCaSO4·2H2O二水石膏CSH2CaSO4无水石膏CS2．水泥矿物的主要特征1）C3S：水泥熟料的主要矿物，其含量一般为50%左右。水化较快，强度发展比较快，凝结时间正常，水化热较高。单矿物胶粒动电性质呈“阴性”。2）C2S：水泥熟料中以β型存在，其含量一般为20%左右。β-C2S水化较慢（28d仅水化20%左右），凝结硬化缓慢，早期强度较低，水化热较低。单矿物胶粒动电性质呈“阴性”。3）C3A：含量在7%-15%之间。水化迅速，放热量大，凝结时间很快（若不加石膏，易使水泥急凝），硬化也很快，其强度在3d几乎大部分已发挥出来，早期强度高但绝对值不高，干缩大，抗硫酸盐性能差。单矿物胶粒动电性质呈“阳性”（即带正电荷）。4）C4AF：含量为10%-18%。水化强度介于C3A与C3S之间，早期强度发挥较快，但后期还能不断增长，抗冲击和抗硫酸盐性能较好。单矿物胶粒动电性质呈“阳性”。水泥矿物的主要特征5）CSH2（CS）：熟料粉磨成细粉时掺入5%左右的石膏，不仅可调节凝结时间，同时还能提高早期强度，降低干缩变形，改善耐久性、抗渗性等一系列性能。单矿物石膏（尤其是CS）胶粒动电性质呈很强的“阳性”。水泥矿物的主要特征硅酸盐类水泥的凝结硬化水泥用适量的水调和后，最初形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠失去可塑性，这一过程称为凝结。然后逐渐产生强度不断提高，最后变成坚硬的石状物——水泥石，这一过程称为硬化。水泥的凝结和硬化是人为划分的，实际上是一个连续、复杂的物理化学变化过程，这些变化决定了水泥石的某些性质，对水泥石的应用有着重要意义。（二）水泥的水化硬化C3S：2(3CaO.SiO2)+6H2O→3CaO.2SiO2.3H2O+3Ca(OH)2(C-S-H)(CH)C2S：2(2CaO.SiO2)+4H2O→3CaO.2SiO2.3H2O+Ca(OH)2C3A（在石膏存在的条件下）:3CaO.Al2O3+3(CaSO4.2H2O)+26H2O→3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O钙矾石（AFt）C4AF：与C3A水化硬化状况基本相似。CalciumSilicateHydrate(C3S2H8)2C3S+11H=C3S2H8+3CH2C2S+9H=C3S2H8+CHCalciumHydroxide(CH)钙矾石总之，水泥的水化产物主要为:（C-S-H）约占70%左右;（CH）约占20%左右;（AFt）约占7%左右。水泥水化放热曲线C3AandC4AFC3SC2S水泥标号和水灰比是影响混凝土抗压强度的主要因素:fcc28=AK0fcb（C/W-B）（而减水剂能起到显著降低混凝土水灰比的作用）混凝土强度与水灰比之间的关系不完全密实的混凝土振动人工捣实完全密实的混凝土抗压强度水灰比（三）水泥物理－化学性能的影响水泥物理－化学性能的影响水泥的矿物组成吸附顺序C3AC4AFC3SC2S，在高效减水剂掺量相同的情况，C3A和C4AF含量较高的水泥浆体中，减水剂的分散效果较差。C3A活性（取决于其形态和熟料硫化程度）混合材品种高效减水剂对矿渣水泥和粉煤灰水泥的适应性较好；而对火山灰、焙烧煤矸石及窑皮为混合材的水泥的适应性较差，这时要达到预期的效果，就需要适当增加高效减水剂的掺量。水泥物理－化学性能的影响水泥的细度水泥的比表面积越大，对减水剂的吸附量就越多。水泥的陈化时间使用刚出磨的水泥和出磨温度还较高的水泥，就会出现减水率低、坍落度损失快的现象。使用陈放时间稍长的水泥，就可以避免出现上述现象。水泥的碱含量AAR碱含量过大会导致混凝土的凝结时间缩短和坍落度经时损失变大。水泥物－化学性能的影响可溶性碱类的重要性（控制流动性和流动性损失的主要参数之一）：碱性硫酸盐少的水泥，由于减水剂强烈的吸附，导致混凝土坍落度损失特别快；可溶性碱含量增加时，吸附减水剂量线性下降。可溶性碱的最佳值为0.4~0.5%Na2O当量，低于最佳值时加入Na2SO4，水泥流动性会显著增加。水泥物理－化学性能的影响石膏的形态：水泥中SO42-离子的溶解速度必须和C3A的活性平衡不同形态石膏的溶解度(25℃，以无水CaSO4计)石膏形态溶解度(g/L)二水石膏2.08α－半水石膏6.20β－半水石膏8.15可溶性无水石膏6.30天然无水石膏2.70（四）实施ISO标准对高效减水剂和水泥适应性的影响2001年4月开始实施新的水泥强度检验标准与原标准的差别：水胶比—0.5；原—0.44；胶砂比—1：3；原—1：2.5；砂的级配—0.08~2.0mm，三级配；原—0.25~0.65mm，单级配。造成的影响：水泥胶砂强度大幅度下降，平均约下降10MPa提高C3A含量：外加剂被吸附，塑化效果变差提高水泥比面积：不利于高效减水剂的塑化效果，掺量需要增加20～30％。水泥磨细使减水剂的饱和掺量增大，并加剧了水泥浆体的流动性损失。助磨剂：提高粉磨效率，助磨剂和高效减水剂之间也可能存在适应性的问题，对此应加以深入研究。水泥厂应对措施控制水泥合理的颗粒级配初始流动度：X2大于X1；1hr后的流动度：X2小于X1。颗粒级配不同的水泥X1、X2对减水剂的吸附量初始吸附量（mg/g）1小时后溶液中减水剂浓度(g/l)水泥MGBWSMDFS-IIMGBWSMDFS-IIX13.284.034.62.390.610.580.500.66X23.64.594.82.870.580.530.390.5308162432403um3-10um10-24um24-48um48-64um64-80um80umproportion(%)X1X2提高水泥颗粒球形度水泥颗粒级配和颗粒球形度的变化对减水剂的饱和掺量影响不大，但影响了水泥浆体的初始及1hr后的流动度。水泥T1的初始及1hr后的流动度均大于T2；颗粒球形度不同的水泥T1、T2对减水剂的吸附量吸附量(mg/g)/单位面积的吸附量（×10-3mg/cm2）1hr后溶液中减水剂浓度(g/l)水泥比面积cm2/mgMGBWSMMGBWSMT130203.56/1.183.61/1.193.89/1.290.640.710.77T233103.78/1.153.86/1.174.04/1.220.610.670.73(球形度：T1—0.74；T2—0.67)优化混合材的种类、细度和掺量矿渣和粉煤灰的掺入可使水泥浆体的流动度增大、流动度损失减小。混合材的辅助减水作用主要靠三个作用：颗粒吸附作用；颗粒堆积作用；颗粒球形作用。提高混合材比面积可提高水泥强度，改善水泥与减水剂的适应性，是生产优质水泥的