高摻量下緩凝型減水劑效能研究

摘要：

試驗以緩凝型減水劑為主要原料，透過測量其工作效能和力學效能指標，研究了摻加不同倍數摻量的緩凝型減水劑對混凝土效能的影響，並探討了其作用機理。試驗結果表明，在保證混凝土初始坍落度和擴充套件度相當的前提下，混凝土的凝結時間隨著緩凝型減水劑摻量的提高而延長；混凝土的粘度上升、容重增加，而混凝土的含氣量和電通量隨之降低，抗壓強度則呈現出先上升後下降的趨勢。

01 前言

在現代建築材料中，混凝土外加劑在我國城市化工程建設中扮演著越來越重要的角色［1］。外加劑的使用不但提高了混凝土的各項工作效能，而且降低了混凝土的生產成本。但在外加劑的使用過程中，混凝土所暴露出來的問題也層出不窮，除了外加劑與膠凝材料適應性不佳帶來的問題外［2-3］，外加劑超量使用的情況亦日益嚴峻，其中，緩凝型減水劑超摻引起的後果最為嚴重。當下大部分混凝土減水劑中均會新增不同用量的緩凝劑以滿足施工需求，當混凝土流動性達不到要求時，現場施工人員經常人為超量新增緩凝減水劑，導致混凝土中摻入的緩凝劑超量。另一種情況則是因生產計量裝置故障導致的高摻量下緩凝減水劑。這兩種情況均會造成混凝土的凝結時間超長甚至不凝結的現象，給建築工程造成重大質量事故和巨大經濟損失［4］。因此對於緩凝減水劑的超摻問題必須引起高度重視。

本文以某攪拌站於2018年澆築某工地C40樑柱時出現混凝土超緩凝的現象作為案例分析，當時工地澆築後三四天拆模，發現混凝土樑柱仍未凝結硬化，其表面仍較為鬆軟。受攪拌站委託，試驗人員收集了攪拌站實際在用的原材料進行混凝土模擬試驗，對高摻量下緩凝減水劑對混凝土可能造成的影響進行了探討分析，希望能對此類問題的預防貢獻綿薄之力。

02 試驗原料及試驗方法

2.1試驗原材料

（1）水泥

採用某品牌42。5普通矽酸鹽水泥，其主要物理指標如下：

（2）細骨料

採用河砂，其細度模數2。6，含泥量1。9%，泥塊含量0。5%。

（3）粗骨料

採用廈門市內厝鎮產碎石，其主要物理效能指標見表1。2。

（4）粉煤灰

採用廈門嵩能電廠收塵系統排放的II級粉煤灰，其需水量比為97%，含水量0。3%，燒失量3。2%。

（5）礦粉

採用S95級礦粉，其比表面積415m2/kg，28d活性指數為96%。

（6）外加劑

採用某品牌緩凝型低濃聚羧酸高效減水劑。

2.2試驗方法

該緩凝型聚羧酸減水劑中，緩凝劑摻入比例為3。8%，主要成分是白糖。試驗配合比如表1。3所示，基準混凝土減水劑摻量為1。60%，則緩凝劑摻量折算為膠凝材料用量的比例為0。061%，對比混凝土的減水劑摻量分別為基準組摻量的1。5倍、2倍、2。5倍、3倍進行試驗，緩凝劑摻量分別為：0。091%、0。122%、0。152%、0。183%。

C40混凝土設計要求及混凝土試配結果如表1。4，試配證明，在摻加基準摻量（1。60%）時，混凝土的工作效能符合設計要求。

03 試驗結果及分析

3.1高摻量下緩凝減水劑對混凝土和易性的影響

不同摻量緩凝減水劑下各組混凝土的初始坍落度、擴充套件度、含氣量、容重、和易性測試結果如表2。1。

從表2。1可以看出，在保持混凝土初始坍落度和擴充套件度一致的情況下，隨著緩凝減水劑摻量的提高，其減水率也逐漸提高，混凝土單方用水量降低；但當緩凝減水劑摻量達到基準摻量的2。5倍時，減水劑摻量達到飽和摻量，其減水分散能力不再增長，混凝土單方用水量不再降低。這是因為減水劑在混凝土的減水作用機理主要可以體現為：（1）延緩抑制水泥顆粒的初期水化反應，減少水泥顆粒中結合水的含量；（2）破壞水泥漿的凝聚結構，減少吸附水膜層的厚度，減少吸附水量，提高遊離水量。由於減水劑分子在水中離解成大分子的陰離子吸附在水泥粒子上降低了後者的表面能，並在粒子表面形成強電場的吸附層，粒子之間產生強的靜電斥力阻礙或破壞水泥凝膠體的凝聚結構形成，使遊離存在的水量相對增多，產生分散作用。高分子的吸附層也會對粒子凝聚形成空間阻礙。隨著緩凝減水劑摻量提高，其電離出大分子的陰離子含量亦隨之增高，對於水泥粒子的抑制分散作用逐漸增強直至飽和不再發揮作用。

透過試驗發現，雖然混凝土的初始坍落度、擴充套件度相當，但隨著減水劑的摻量越高和混凝土單方用水量的同步降低，混凝土的容重增大，而混凝土含氣量隨之降低，鏟混凝土時越加粘重，同時混凝土損失越快。超摻試驗給我們一個啟示：混凝土單方用水量並不是越低越好，單方用水量過低，減水劑摻量就要越高，混凝土就越加粘重，混凝土損失就越大。在設計混凝土配合比時，減水劑的摻量與飽和摻量應有一定的距離空間，筆者個人的建議是：設計摻量控制在飽和摻量的40%～70%之間，以50%～60%為宜，但具體適宜摻量要視減水劑本身的摻量寬度而定。某些試驗室技術人員喜歡片面降低混凝土單方用水量，追求混凝土配合比的最大經濟效益，但試驗結果表明，混凝土的經濟性與混凝土的質量需要綜合平衡，缺一不可。

3.2 高摻量下緩凝減水劑對混凝土凝結時間的影響

高摻量下緩凝減水劑對於混凝土凝結時間的影響結果如圖2。3所示。可以看出，基準混凝土的凝結時間為920分鐘，摺合為15。3小時，符合混凝土設計要求。當緩凝減水劑摻量為基準的1。5倍（2。40%）時，混凝土凝結時間測試結果為2040分鐘，摺合為34小時；當緩凝減水劑摻量進一步加大時，混凝土凝結時間延長越加明顯，緩凝減水劑摻量為基準的3倍（4。80%）時，混凝土凝結時間為9960分鐘，摺合為166小時，此時意味著將近7天混凝土才能凝結硬化。造成混凝土長時間不能凝結的原因主要在於試驗使用的緩凝減水劑中的緩凝劑為白糖，其緩凝作用在於羥基吸附在水泥顆粒表面與水化產物表面上的O2-形成氫鍵，同時其他羥基又與水分子透過氫鍵締合，同樣使水泥顆粒表面形成了一層穩定的溶劑化水膜，從而抑制水泥的水化程序。隨著緩凝減水劑摻量提高，混凝土中含有的緩凝劑組分亦隨之增高，從而使水泥顆粒吸附水分的過程及水化反應更加被抑制，大大延長了混凝土的凝結時間。緩凝劑超摻造成的結果是：混凝土構件凝結硬化時間大大延緩，影響了構件拆模時間，影響工地工期，造成施工單位投訴和索賠，對混凝土攪拌站不利。

3.3高摻量下緩凝減水劑對混凝土抗壓強度的影響

從表2。2試驗資料可以看出，基準混凝土的各齡期強度都比較正常。當緩凝減水劑摻量為基準摻量的1。5倍（2。40%）時，各齡期抗壓強度與基準混凝土相比，還有一定程度提高。這可能與混凝土單方用水量降低較多有關（從170kg/m3降低為153kg/m3），當混凝土單方用水量降低時，硬化混凝土的內部孔隙減少，混凝土的密實度增加，混凝土的抗壓強度反而提高；同時緩凝劑適當增多後，有利於防止混凝土集中放熱，減少收縮，此時混凝土中的水化產物生產較慢，水泥顆粒的空隙使生成的水化產物分佈更加均勻，使混凝土硬化強度增大。但當減水劑摻量趨近飽和摻量時，此時混凝土的單方用水量不再降低，混凝土的抗壓強度就不再能夠提高，表2。2中SP-2的試驗資料也證明了這一點。SP-2組的混凝土單方用水量為150kg/m3，與SP-1組的單方用水量153kg/m3相比，基本接近，而SP-2組的各齡期抗壓強度均比SP-1組和基準組均有所降低。

SP-2、SP-3、SP-4組混凝土各齡期抗壓強度均隨著緩凝減水劑摻量的提高而降低，其中，SP-2、SP-3組混凝土的3d抗壓強度均為0，28d抗壓強度較基準混凝土亦均有不同程度的降低；而SP-4組28d混凝土抗壓強度只有基準混凝土的60%，14天以前的抗壓強度發展很慢，3d、7d均無抗壓強度，它們對應的混凝土凝結時間分別為3850min（64。2h）、5650min（94。2h）、9960min（166h）。

究其原因，隨著緩凝型減水劑用量的提高，其緩凝組分摻量進一步加大導致了混凝土過度緩凝，混凝土長時間不凝結硬化，其內部水分過量蒸發散失，使水泥水化反應過緩甚至停止，水化程度低，水化產物過少，對混凝土強度造成不可逆的損失［5］。

3.4 高摻量下緩凝減水劑對混凝土電通量的影響

如圖2。4所示，隨著緩凝減水劑摻量提高至超摻狀態時，混凝土的電通量呈現出逐漸下降的趨勢。作為表徵混凝土抗氯離子滲透的指標，電通量值越低，說明混凝土的體系密實度越高。由於在混凝土初始流動性相當的情況下，隨著緩凝減水劑摻量的提高，混凝土單方用水量隨之減少，混凝土中形成的微觀孔隙結構減少，混凝土中連續貫通的毛細孔在硬化過程中，水化產物可以自行將其封閉起來，水灰比降低可以將毛細孔的封閉時間提前［6］；另外混凝土中存在損失較快的現象，這在一定程度上抑制了更多漿體和水分在集料表面集聚，避免了其對混凝土內部漿體與集料介面結構的削弱作用，混凝土的體系密實度上升，表現在宏觀方面即為混凝土的抗氯離子能力滲透能力提高，混凝土電通量降低。

04結論

透過以上的研究，可以得出以下結論：

（1）在保持混凝土初始流動性相當的情況下，隨著緩凝減水劑摻量的提高，其減水率也逐漸提高，混凝土單方用水量降低；但當減水劑摻量達到基準混凝土摻量的2。5倍時，減水劑摻量達到飽和摻量，混凝土單方用水量不再降低；期間混凝土越加粘重，其容重增大，含氣量降低，損失加快。

（2）緩凝減水劑摻量的提高一方面降低了水膠比，提高了混凝土體系密實度；另一方面白糖的存在使水泥顆粒表面形成了一層穩定的溶劑化水膜，抑制了水泥顆粒的水化程序，大幅延長了混凝土的凝結時間，當減水劑到一定摻量時，混凝土出現過度緩凝現象，使混凝土的抗壓強度呈現先增長後降低的趨勢。

（3）緩凝減水劑摻量的提高降低了混凝土單方用水量，在一定程度上減少了微觀空隙結構的生成，並抑制了更多漿體和水分在集料表面集聚，避免了其對混凝土內部漿體與集料介面結構的削弱作用，提高了混凝土的體系密實度，導致混凝土電通量降低。

參考文獻

［1］ 王炳世。 論述水泥工藝外加劑與混凝土外加劑雙摻對混凝土效能的影響。 中國科技投資，2014 （A09） ：61-61。

［2］ 潘衛育， 楊毅文， 單顏賢， 等。 混凝土減水劑的應用技術與質量控制［J］。 現代交通技術，2010， 7（3）： 1-4。

［3］ 張德明。 減水劑與水泥適應性研究現狀［J］。 內蒙古公路與運輸，2012（3）：28-30。

［4］ 郭鵬， 鄧亮亮， 柳鳳陽。 外加劑超摻對混凝土效能的影響。 中國建材科技， 2014 （2）：14-15。

［5］ 甘扶平，吳曉鵬， 劉興龍， 等。 快速測定混凝土外加劑中緩凝劑是否超標。 福建建材，2017（1） ：17-19。

［6］ 楊建軍， 李俊毅， 雷周， 等。 混凝土電通量的影響因素分析。 中國港灣建設， 2012（8）。

作者簡介

陳周鵬（1992。8—），

男，漢族，福州大學材料科學與工程專業畢業，工程師職稱，現任科之傑新材料集團有限公司技術工程師，主要從事混凝土及預拌砂漿用外加劑產品的研究與應用工作。