摘 要:缓凝剂能减慢水泥的水化速率,从而减慢了混凝土坍落度的损失率。但对于连续搅拌的混凝土,缓凝剂不但不能减慢坍落度的损失率,反而加速了坍落度的损失。国外资料报道,用粉煤灰来取代部分水泥,可降低坍落度的损失率。但这要取决于粉煤灰取代水泥的百分率,而且与所用粉煤灰的烧失量有关。本文介绍了国外在这方面的研究成果。
关键词:水化速率; 缓凝剂; 坍落度损失; 粉煤灰
中图分类号: TU528101 文献标识码:C 文章编号:1005 - 8249 (2007) 06 - 0047 - 04
随着时间的推移,新拌混凝土由于硬化而失去其和易性- 这种现象叫做“坍落度损失”。因为早期水化作用逐渐减少了混凝土中的游离水,各种化学和物理因素使混凝土的稠度发生了变化,造成了混凝土内部的骨架结构。在天气温和的情况下,通过短期搅拌,混凝土稠度变化正常;混凝土保持和易性的时间较长,足以进行浇注和抹面。然而在搅拌时间较长,特别是在暑期,混凝土的坍落度损失率会大大加快,在浇注作业期间会造成严重困难。
人们已经研究了用一种质量勉强合格的F 级粉煤灰取代部分细砂的混凝土对坍落度的影响。但是对于掺或不掺减水2缓凝剂的混凝土和粉煤灰混凝土;以及对掺或不掺高效减水剂(超塑化剂) 的混凝土和粉煤灰混凝土, 当它们在中等温度( 21 ℃) 和较高温度(32 ℃) 中,连续搅拌180min 后的坍落度情况又会是怎样的呢? 这就是本文所要探讨的问题。
1 材料
①水泥为符合以色列1 号技术标准的硅酸盐水泥,5 %粉煤灰(以重量计) 与水泥磨在一起。水泥性能见表1 。②粉煤灰分类为美国材料试验学会(ASTM)的F 级粉煤灰。主要成分是莫来石(也叫富铝红柱石) 和石英,少量赤铁矿、石灰石和方解石,性能见表1 。③化学外加剂采用符合美国材料试验学会C494规程的两种D 型减水2缓凝剂和G型超塑化剂。减水2缓凝剂WRR2 Ⅰ化学成分为葡糖酸钠。减水2缓凝剂WRR2 Ⅱ化学成分为磺化木质素和合成材料。超塑化剂SP2 Ⅰ,是以磺化甲醛萘基钠为基础的合成聚合物。
超塑化剂SP2 Ⅱ,是一种合成聚合物。④粗骨料是中、粗型的轧碎白云石,最大粒径为19mm。细骨料是一种很细的天然硅质海砂,细度模量为1. 58 。
2 配合比
掺或不掺粉煤灰或外加剂的全部混凝土,其水泥含量均固定为(280 ±5) kg/ m3 ,作为取代细砂的粉煤灰,其用量固定为125kg/ m3 。未使用引气剂。拌合水的用量根据需要的坍落度(160 ±10) mm 来调整。
根据生产厂家推荐的掺量,每100kg 水泥外加剂WRR2 Ⅰ, 掺量在21 ℃时为0. 125L , 在32 ℃时为国外研究介绍0. 190L ;外加剂WRR2 Ⅱ在21 ℃时为0. 4L ,在32 ℃时为0. 7L 。生产厂家推荐的超塑化剂SP2 Ⅰ最佳掺量每100kg 水泥为0. 7L ; 超塑化剂SP2 Ⅱ21 ℃时为掺
1. 0L ,32 ℃时掺1. 2L 。
3 试验程序
21 ℃时做第一组试验,包括10 个拌合物;1 个对比拌合物和1 个粉煤灰拌合物;2 个掺有减水2缓凝剂的普通混凝土拌合物;2 个掺有减水2缓凝剂的粉煤灰混凝土拌合物;2 个掺有超塑化剂的普通混凝土拌合物;2 个掺有超塑化剂的粉煤灰混凝土拌合物。
32 ℃时做第二组试验, 试验一种减水2缓凝剂WRR2 Ⅰ,和一种超塑化剂SP2 Ⅱ,两者又分为掺或不掺粉煤灰的混凝土。包括1 个对比拌合物和1 个粉煤灰拌合物,共6 个拌合物。所有的混凝土拌合物都用调整其拌合水的用量来达到初始的(160 ±10) mm 目标坍落度。
4 试验方法
混凝土拌合物都在一个温控实验室中制备,所有的材料都经过秤量,在拌合前至少在实验室中存放24h 。混凝土在一台自由落下的搅拌机中拌合5min 。
为了模拟在混凝土拌和车中发生的连续搅拌作用,搅拌机的鼓筒在几乎是垂直的状态下连续转动。搅拌机的自由落下作用减少得越多,混凝土所受到的搅拌作用就越不强烈。为了避免水分的蒸发,鼓筒的开口是盖着的。
坍落度试验在搅拌5 、25 、45 、90 和180min 后进行。混凝土出料之前,搅拌机的鼓筒回到其搅拌位置,混凝土再拌合2min 。
5 试验结果
坍落度试验数据见图1～3 。这些图说明了粉煤灰对保持坍落度的积极作用。与不掺粉煤灰的普通拌合物相比较,所有的粉煤灰混凝土的坍落度损失都小得多。
如果认为100mm 的坍落度是许多混凝土工程中的常用稠度,那么由图1 可见,试验的3 种粉煤灰混凝土(只掺粉煤灰的和与两种减水2缓凝剂一起掺入的) ,在经过180min 的搅拌后,其坍落度仍然在100mm 以上。掺有超塑化剂的粉煤灰混凝土(图2) ,在较短的时间内都能达到100mm 的坍落度(掺有SP2 Ⅰ的粉煤灰混凝土在搅拌180min 以后,而掺有SP2 Ⅱ的粉煤灰混凝土则在搅拌110min 以后) 。
然而所有未掺粉煤灰的混凝土,其坍落度的损失率都高得多,所以保持100mm 坍落度的时间就更短些。对比普通混凝土在60min 后达到100mm 的坍落度。掺有减水2缓凝剂的两种混凝土要45min 。掺有超塑化剂SP2 Ⅰ的混凝土要经历50min ,而掺有超塑化剂SP2 Ⅱ的混凝土则在40min 后就达到了100mm 的坍落度。坍落度随搅拌时间的延长而增大,这反应了粉煤灰混凝土的坍落度损失率减慢了。
根据图1 和图2 中所示的坍落度曲线,在21 ℃时搅拌的掺有粉煤灰的混凝土,其坍落度损失的减少幅度同未掺粉煤灰的同样拌合物相比较,如图4 。粉煤灰混凝土拌合物的坍落度损失减少幅度(不包括掺SP2 Ⅱ的粉煤灰混凝土,因其曲线突然偏离) ,在搅25min 后为25mm～50mm ,搅拌45min 后为40mm～60mm ,搅拌90min 后为55mm～70mm ,搅拌135min后为65mm ～ 80mm , 搅拌180min 后为70mm ～85mm。根据图3 所示的坍落度曲线,在32 ℃时搅拌的掺有粉煤灰的混凝土,其坍落度损失的减少幅度同未掺粉煤灰的同样拌合物相比较,如图5 。其坍落度的差别如下: 搅拌25min 后为20mm～ 35mm , 搅拌45min 后为30mm～45mm ,搅拌90min 后为45mm～50mm ,搅拌135min 后为50mm～60mm ,搅拌180min后为60mm～70mm。
正如所预计的那样,较高温度(32 ℃) 时的坍落度损失率,大于中等温度(21 ℃) 时的数值。对比普通混凝土与粉煤灰混凝土在21 ℃和32 ℃时,坍落度值之间的比较示于图6 ;掺有WRR2 Ⅰ外加剂的混凝土和粉煤灰混凝土的上述比较示于图7 ;掺有SP2 Ⅱ超塑化剂的混凝土和粉煤灰混凝土的上述比较示于图8 。如果仍然把各种拌合物达到100mm 坍落度的搅拌时间标国外研究介绍
出来,由图3 知,只有不掺外加剂的粉煤灰混凝土,在搅拌时间180min 时的坍落度略高于100mm。掺有SP2 Ⅱ的粉煤灰混凝土搅拌75min 后达到100mm 的坍落度,掺有WRR2 Ⅰ的粉煤灰混凝土和对比的普通混凝土要搅拌40min , 掺有SP2 Ⅱ的混凝土要搅拌35min ,掺有WRR2 Ⅰ的普通混凝土则搅拌25min 后,其坍落度即达100mm。
在32 ℃时拌合的同样粉煤灰混凝土之间坍落度的差值,比在21 ℃时拌合的坍落度小10mm～15mm左右。掺有化学外加剂的混凝土之坍落度损失曲线的差值,在形式上看也是有差别的(图4 、5) 。在21 ℃时随着搅拌时间的延长,坍落度的差别也增大了。但在32 ℃时搅拌90min 后,其坍落度的差值几乎没有什么增加。掺与不掺减水2缓凝剂或超塑化剂的粉煤灰混凝土,在21 ℃时经过长期搅拌,其坍落度增大了40mm～80mm ,在32 ℃搅拌时,与无粉煤灰的同样混凝土相比较,其坍落度增大了30mm～65mm。
6 讨论
试验结果表明,F 级粉煤灰部分取代很细的砂子,对于减少坍落度损失的速率和下降的幅度都有着明显的积极作用。减水2缓凝剂或高效减水剂,名义上叫做缓凝剂,不但不能减少坍落度的损失率,实际上还略有增大。水泥水化的缓凝机理曾用某些理论所解释。例如吸收理论认为缓凝剂吸附在水泥颗粒上,所以阻止了水分与水泥起反应。沉淀理论,认为水化作用的延缓是由于在水泥颗粒表面,缓凝剂生成了一层不溶性的钙盐造成的。这些缓凝机理看来只是对于短时间搅拌的混凝土才有效。在搅拌时间较短和长期连续搅拌的混凝土之间,特别是掺有化学外加剂的缓凝机理,其早期的水化过程有着明显的差别。连续搅拌与转动效应有关,它把在水泥颗粒表面形成的外层“剥掉”了。无论是用吸收理论还是沉淀理论来解释缓凝机理,只要混凝土是搅拌的,其外面的屏蔽层就不起作用。另一方面,本文介绍的全部混凝土,无论掺与不掺化学外加剂,同无粉煤灰的同样混凝土拌合物相比较,都减少了坍落度的损失。粉煤灰对保持坍落度的作用可归结为化学和物理因素。据国外文献资料报道,粉煤灰颗粒表面可能部分地覆盖着一种蒸气沉积的硫酸盐,这是很容易溶解的。因为硫酸盐离子对铝酸盐有一种抑制作用,因此在早期的水化过程中产生了影响。对C3A (和C4AF) 的水化作用来说,粉煤灰确实是比等量的石膏更为有效的缓凝剂。这是因石膏在水中的可溶性较低,限制了硫酸盐离子进入溶液的数量。粉煤灰中的硫酸盐离子可在很长时间内起作用,抑制C3A 的水化过程。
7 结论
(1) 对于掺有普通减水2缓凝剂的混凝土,粉煤灰有利于保持其之坍落度,而化学外加剂则会增大坍落度的损失率。这与硫酸盐离子的可利用性有关。试验证明,对于掺有减水2缓凝剂的混凝土,掺入1 % SO3即可大大改善其坍落度的保持能力。此外,采用含有P2O5 的粉煤灰,对于这种混凝土的水化过程也会有一定的抑制作用。
(2) 国外资料报道,粉煤灰的表面有一种钙的沉积物。在粉煤灰的表面首先形成的AFt 相具有丰富的铝,这就把溶液中的钙和硫酸盐都排除了。在水化的最初几小时内,溶液中的Ca2 + 浓度降低了,因为在熟料表面生成富钙表层的过程减慢了。其结果是水泥的主要水化作用有了一个较长的感应期。
(3) 长时间的搅拌会破坏粉煤灰的团聚和成球,从而减慢了很细的粉煤灰颗粒进入拌合物。很细的粉煤灰颗粒吸附在水泥颗粒的表面,因而在水泥颗粒之间产生了排斥力,妨碍了骨架结构的生成。这种情况发展下去,拌合物就变硬了。
(4) 因为粉煤灰、硅酸盐水泥和化学外加剂的来源不同,彼此之间的化学反应也各不相同。所以要在与工地相同的条件下,用规定的拌合物实际成分进行初步试验,以便正确地评价其之实际性能。
