一種聚醚型聚羧酸減水劑對石灰石粉復合膠凝材料的適應性研究

■李凌峰，鐘志強，吳文杰，張智強

■1.南川區規劃研究服務中心，重慶 408400;2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045

近年里，我國各地都在進行大規模的基礎設施建設。建設工程對混凝土的要求也趨向于高工作性能和高強度化，而想要達到以上性能要求可以采用“雙摻技術”，即摻加高效減水劑和礦物摻合料。常用的礦物摻合料為粉煤灰、礦渣、硅灰等等。其中隨著礦物摻合料在建設工程中的大量使用，粉煤灰和礦渣這兩種礦物摻合料逐漸面臨緊缺的局面，因此其價格也逐漸上漲，急需找到一種資源豐富、分布廣泛、優質價廉的礦物摻合料來彌補現今礦物摻合料較為緊缺且價格較高的這種局面。

在生產石灰石骨料的過程中，產生了大量的石灰石粉屑，如果不能將其合理利用，既污染環境，又造成資源浪費。石灰石粉已經作為水泥混合材和混凝土礦物摻合料應用于建筑工程，這符合吳中偉院士提出的綠色建材的觀念，有利于建筑業的可持續發展。石灰石粉能夠促進水泥水化，提高早期強度，改善混凝土的工作性能、力學性能和某些耐久性能［1-6］。

隨著混凝土工業發展，減水劑已經成為混凝土中重要的組成部分。高效減水劑的應用能夠帶來良好的社會經濟效益。減水劑與水泥以及摻合料之間的適應性是否良好對混凝土性能的影響很大，若適應性好，能夠改善混凝土的工作性能，提高混凝土的力學性能以及耐久性能。對此，國內外學者在減水劑與水泥適應性的問題上已經做了大量研究［7-11］。但是，關于減水劑與摻合料之間的適應性問題以及摻合料的加入對減水劑與水泥的適應性影響研究還不夠全面深入。因此，因地制宜地探索摻加不同摻合料的膠凝材料體系與減水劑的相容性規律，對工程實踐有著重要的指導意義。

本文主要研究了一種聚醚型聚羧酸減水劑與水泥、單摻石灰石粉、以及復摻石灰石粉—粉煤灰、石灰石粉—礦渣和石灰石粉—硅灰的膠凝材料體系的適應性的影響規律。

1 試驗材料與試驗方法

1．1 試驗材料

1．1．1 水泥

試驗采用拉法基生產的42.5R普通硅酸鹽水泥C1，水泥細度見表1。

表1 水泥的篩余量

水泥的化學成分以及礦物成分組成分別見表2和表3。

表2 水泥的化學成分分析

表3 水泥的礦物組成分析

1．1．2 石灰石粉及其他礦物摻和料

石灰石粉使用重慶某建材廠生產石灰石骨料時產生的石灰石粉屑磨細制成，其化學成分見表4。其他礦物摻合料選用的是重慶珞璜電廠生產的Ⅱ級粉煤灰和重慶鈺宏再生資源有限公司生產的S95級礦粉以及重慶新材股份有限公司提供的硅灰，這三種礦物摻合料的化學成分見表4。

表4 礦物摻合料的化學成分

1．1．3 高性能減水劑

本次實驗采用的減水劑為重慶某建材廠提供的聚醚型聚羧酸減水劑PC-1(固含量為30%)，減水率為29%，推薦摻量為膠凝材料總量的0.6%-1.2%。

1．1．4 拌合用水

使用重慶市自來水公司的自來水，符合JGJ63要求。

1．2 試驗方法

1．2．1 水泥凈漿流動度的測定

水泥凈漿流動度試驗按照GB/T 8077-2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行，水灰比為0.29，誤差控制在5mm范圍內。

本試驗采用水泥凈漿流動度法，以減水劑摻量飽和點、水泥凈漿初始流動度和流動度經時損失來評價減水劑與膠凝材料的適應性和相容性。試驗步驟按照上面所述標準進行，分別測定水泥凈漿初始流動度和靜置60min后的水泥凈漿流動度。各種膠凝體系中礦物摻合料的摻量如下表5。攪拌方法按照JC/T729-2005《水泥凈漿攪拌機》進行。

表5 礦物摻合料用量

2 試驗結果與討論

2．1 聚醚型聚羧酸減水劑與水泥膠凝體系的適應性

從圖1可以看出，隨著外加劑摻量從0.6%增加到1.1%，膠凝體系的初始流動度逐漸增加，在1.1%時達到最大值320mm，當外加劑的摻量在1.2%時，膠凝體系的初始流動度有略微的降低，故外加劑摻量的飽和點為1.1%。膠凝體系的60min流動度較初始流動度均降低，在外加劑摻量為1.1%時，流動度經時損失比較小且60min流動度比較大。故在聚羧酸系高效減水劑與水泥膠凝體系中，外加劑的摻量在1.1%時，膠凝體系的初始流動度大，流動度經時損失小，聚醚型聚羧酸系減水劑與水泥膠凝體系的適應性好。

圖1 聚羧酸系高效減水劑與水泥膠凝體系的適應性表現

2．2 聚醚型聚羧酸減水劑與石灰石粉—水泥膠凝體系的適應性

由圖2中可以看出，當外加劑的摻量從0.6%增加到1.0%的過程中，膠凝體系的初始流動度從280mm增加到320mm，隨著外加劑摻量的繼續增加，體系的初始流動度反而有所降低，外加劑摻量的飽和點為1.0%。膠凝體系的60min流動度較初始流動度均有所降低，在外加劑飽和點1.0%時，膠凝體系的流動度經時損失為10mm，故在聚羧酸系高效減水劑與石灰石粉-水泥膠凝體系中，外加劑摻量為1.0%時，膠凝體系的初始流動度較高，流動度經時損失較小，外加劑與體系的適應性較好。

圖2 聚羧酸系高效減水劑與石灰石粉—水泥膠凝體系的適應性表現

2．3 聚醚型聚羧酸減水劑與石灰石粉—粉煤灰—水泥膠凝體系的適應性

由圖3中可以看出，隨著減水劑的摻量從0.6%增加到1.0%，膠凝體系的初始流動度增加，在 1.0%時達到最大值320mm，隨著減水劑摻量的繼續增加，膠凝體系的初始流動度有一定程度的下降，外加劑摻量的飽和點為1.0%。膠凝體系的60min流動度都有所降低，在外加劑摻量為0.7%時膠凝體系的流動度損失最小，但是60min流動度值比1.0%時小。故在聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—粉煤灰—水泥膠凝體系中，外加劑摻量為1.0%時，膠凝體系的初始流動度較大，流動度經時損失較小，適應性較好。

圖3 聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—粉煤灰—水泥膠凝體系的適應性表現

2．4 聚醚型聚羧酸減水劑與石灰石粉—礦渣—水泥膠凝體系的適應性

由圖4可以看出，隨著外加劑的摻量從0.6%增加到0.9%，膠凝體系的初始流動度從340mm增加到350mm，但是隨著外加劑摻量的繼續增加，初始流動度發生較大幅度下降，外加劑摻量的飽和點為0.9%。膠凝體系的60min流動度值較大，其中在外加劑摻量為0.9%時，膠凝體系的流動度經時損失為最小值10mm。故在聚羧酸高效減水劑與石灰石粉-礦渣-水泥膠凝體系中，外加劑摻量為0.9%時，膠凝體系的初始流動度最大，流動度經時損失最小，聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—礦渣—水泥膠凝體系的適應性最好。

2．5 聚醚型聚羧酸減水劑與石灰石粉—硅灰—水泥膠凝體系的適應性

圖4 聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—礦渣—水泥膠凝體系的適應性表現

從圖5中可以看出，當外加劑摻量從0.6%增加到0.7%時，膠凝體系的初始流動度有所增加，但初始流動度值均不大，隨著外加劑摻量的繼續增加，流動度值減小，外加劑摻量在0.7%時達到飽和點。膠凝體系的60min流動度值均較小，經時損失比較大，漿體的宏觀表現為不流淌。故在聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—硅灰—水泥膠凝體系中，膠凝體系的初始流動度低，流動度經時損失較大聚羧酸高效減水劑與石灰石粉-硅灰-水泥膠凝體系的適應性比較差。

圖5 聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—硅灰—水泥膠凝體系的適應性表現

3 機理分析

外加劑與復合膠凝材料體系的適應性影響因素主要有以下幾個方面:

(1)外加劑的種類、摻量以及摻加工藝;

(2)凈漿的攪拌工藝、時間與速度;

(3)水泥的礦物組分、堿含量、細度以及石膏的形態和摻量等;

(4)摻合料的種類和摻量;

本次試驗條件下主要研究摻合料的種類對外加劑與復合膠凝材料體系的適應性影響。

石灰石粉的摻入，能夠改善體系的適應性;這主要是由于摻入的石灰石粉發揮了良好的形態效應和填充效應。石灰石粉的主要化學成分為CaCO3，摻加石灰石粉取代部分水泥，可以減少水泥中C3A和C4AF的含量，減少水泥熟料對高效減水劑的吸附作用。石灰石粉水化活性低，部分水分包裹在其顆粒表面，不參加水化反應。因此，水泥摻合料體系的減水劑飽和點值相應減少，并增加了游離水和游離減水劑的數量，使水泥漿體的流動度增大，減少了流動度損失。

雖然粉煤灰的摻入使得膠凝材料中的水泥含量降低了，但是粉煤灰的比表面積比較大，且Ⅱ級粉煤灰中多為未燃燼的炭粒子，則具有多孔結構，會吸附大量的減水劑和水分，因而使其相容性略微增加。礦渣的摻入使得膠凝材料中水泥的含量降低了，且礦渣對減水劑的吸附量較小，故改善了體系的適應性。硅灰的比表面積比較大，摻入后吸附了大量的外加劑，使得游離水和游離減水劑的數量大量的減少，水泥水化加快，體系的流動度減小，適應性變差。

4 結論

(1)石灰石粉的摻入，能夠提高體系的初始流動度，降低外加劑的飽和點，減少流動度經時損失，從而改善聚羧酸高效減水劑與水泥膠凝體系的適應性。(2)粉煤灰和礦渣的摻入，均能降低聚羧酸高效減水劑與石灰石粉-水泥膠凝體系中外加劑的飽和點;其中礦渣摻入后，初始流動度增大比較明顯，且流動度經時損失比較小，聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—礦渣—水泥膠凝體系的適應性最好。(3)硅灰由于其比表面積過大，對減水劑的吸附量大，從而使得聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—硅灰—水泥膠凝體系的適應性變差。

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