水泥与减水剂相容性问题雏议精.docx
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水泥与减水剂相容性问题雏议精
2001年第2期
4月
混凝土与水泥制品
CHINACONCRETEANDCEMENTPRODUCTS2001No2April
水泥与减水剂相容性问题雏议
王宏伟
（广东省羊城建材供应公司
王善拔
510160（
摘要:
不是吸附在未水化水泥颗粒表面。
凡是加速水泥初期水化的因素,特别是使水泥凝结加速的因素,如C3A3合材等均会使水泥与减水剂的相容性变差。
关键词:
预拌混凝土0前言
颗粒表面,组成定向排列的吸附层,使之形成稳定的溶剂化水膜,阻止了水泥颗粒间的直接接触,使凝絮中包裹的拌和水释放出来,因此可以减少其拌和用水。
二是减水剂在水泥表面的吸附,使水泥颗粒表面带上相同符号的电荷,在电性斥力的作用下,水泥颗粒就不致聚集,从而增加流动度。
简而言之,减水剂的作用主要是它被吸附在水泥粒子表面,形成一溶剂化单分子薄膜,在一段时间内起着阻碍水泥粒子间的凝聚作用,从而起到提高流动性的作用。
2
张力。
水泥的勃氏比表面积一般为
013m/g。
若以水泥颗粒平均粒径为30μm计,其比表面积为01317m/g。
而水泥水化产物的比表面积达200m/g,几乎是原来的水泥比表面
2
2
2
预拌砼经常遇到的。
关于水泥与减水剂相容性的定义,有人认为,减水剂掺量不大就达到饱和点,且1h后的流动度损失小,则水泥与减水剂的相容性好。
所谓饱和点是指减水剂掺量增加到某一值后再增加用量,流动度不再增加,相反会出现水泥与骨料的离析,这一减水剂用量称为饱和点。
用简单的一句话概括,即减水剂用量少而砼流动度大,且经时（1～2h损失小,则水泥与减水剂的相容性好;反之则相容性不好。
实践中发现,有些水泥掺入减水剂后砼坍落度增加不大,需较大的掺量才能使坍落度有明显增大;有些则是坍落度经时损失大,甚至坍落度很快变为零。
这些都明说,存在着水泥与减水剂相容性问题。
本文拟从水泥化学和表面物理化学的角度讨论预拌砼中水泥与减水剂的相容性问题,并在此基础上提出选择与减水剂相容性好的水泥的途径。
1
积的600～700倍。
关于水泥熟料的比表面能,我们尚未查找到。
但其它一些无机非金属材料的比表面能数据可为我们提供一些参考。
根据文献[1],CaCO3和Mg（OH
2
2
[1]
2
的表面
能分别为230尔格/cm和1200尔格/cm。
Branauer用溶解热法测得
CaO
、Ca（OH2和水化硅酸钙在23℃
时的表面能分别为1310尔格/cm、
1180尔格/cm和386尔格/cm。
Wittmann通过测定水泥石吸附气
[1]
2
2
2
减水剂吸附的化学本质既然吸附是减水作用的前提,
那么减水剂为什么能被吸附?
减水剂究竟是被吸附在水泥颗粒表面,还是被吸附在水泥水化产物的表面?
为了弄清这些问题,先从表面物理化学角度讨论。
一般说来,固体表面对液体或气体的吸附主要与吸附剂（如水泥或水泥水化产物表面积的大小和表面的性质（表面能或表面张力以及吸附质（如减水剂的性质有关。
对于指定的减水剂来说,其吸附量仅与吸附剂（水泥或水化产物的比表面积和表面性质有关。
而这里的表面性质主要是指表面的不饱和力场,即表面能或表面
体分子后引起的强度下降和膨胀变形,推导出完全水化的水泥石的表面能为400尔格/cm。
从这些数据可以看出,CaCO3的表面能较小,而
CaO和Ca（OH
2
2
的表面能约为水化
硅酸钙的3倍。
虽然我们尚不知道水泥熟料的比表面能多大,但若以
CaO代替熟料作一大致的考虑,则
减水剂的作用机理
减水剂的作用主要有如下两方
由于水泥水化产物的比表面积是水泥的600～700倍,而水泥熟料表面能仅是水泥水化产物的几倍,肯定是水泥水化产物的吸附量大。
另外,水泥粉磨过程中虽然产生新生态的表面,但经过贮存到实际应用,即使
9
面。
一是吸附分散作用。
水泥加水后,通常会形成一些凝絮状结构,其中包裹着不少拌和用水。
掺入减水剂后,它的憎水基团被吸附于水泥
混凝土与混凝土施工
2001年第2期混凝土与水泥制品
前掺减水剂的水泥的化学结合水量大于未掺减水剂者。
这说明3h之前掺减水剂的水泥水化速度比未掺者快。
如果减水剂是吸附在未水化颗粒表面,那么未掺减水剂的水化应比掺减水剂的快,因为吸附了减水剂的水泥减少了与水的接触机会。
但事实则相反。
由于减水剂吸附在水化产物表面,物相互搭接,,因此,外,pH。
图1为pH值的变化。
从图可见,在3h之
总第118期
剂被吸附时,水化产物将相互交联搭接,产生凝结,引起坍落度损失,最终使坍落度为零。
据此可以认为,凡是水化快和水化产物比表面积大的熟料矿物,其吸附的减水剂就多,它与减水剂的相容性就差;水化速度慢、水化产物的比表面积小的矿物,;凡是加均不利于水泥与减水剂相容性的改善。
311
以水泥厂中贮存3天考虑,粉磨中所产生的新生态表面也可能由于吸附大气中的空气和水蒸汽而使表面能降低,从而降低水泥颗粒表面吸附减水剂的能力。
相反,水泥的水化产物是在含有减水剂的水溶液中形成的,水泥水化产物的新生表面就有可能直接吸附减水剂分子。
据此可以认为,减水剂分子主要是吸附在水泥水化产物上而不是吸附在未水化水泥颗粒表面上。
Blank等的实验证明,在非水介质中,C3A和
C3S基本上不吸附减水剂分子,[2]
水泥熟料各单矿的影响就水泥熟料单矿而言,C3A和
水化的C3S可吸附7化产物表面而不是吸附在未水化水泥颗粒表面的。
同样,掺减水剂后水泥的水化速率也可证明这一点。
表
1为掺与未掺减水剂的水泥化学结
C4AF特别是C3A与减水剂的相容性
最差,而C2S和C3S特别是C2S及其玻璃体与减水剂的相容性最好。
Blank和Rossington测得木质磺酸
[2]
前,掺减水剂的水泥液相pH值比纯水泥的高,说明在3h之前掺减水剂者水化速度快。
当所掺减水剂太少时,减水剂无法覆盖所有水化产物表面,因而有一部分水化产物将会相互搭接形成网状结构而失去部分流动性。
若新生成的水化产物大部分或全部未被减水剂吸附,则水化产物将相互搭接而产生凝结,水泥浆将完会失去流动性。
反之,若水中有大量减水剂,则新生成的水化产物会被减水剂吸附而阻止凝结,从而使水泥浆仍然保持一定的流动性。
从上面的讨论可以看出,用水化产物吸附减水剂比用未水化水泥吸附减水剂来解释减水剂的作用机理更为合理。
3
钙的表观等温吸附量大小的顺序为
C3A>C4AF>C3S>C2S。
陈建中等
[4]
在吸附时间为20min、吸附温度为
8℃、吸附平衡浓度为015%的条件
合水的测量结果。
从表可见,3h之
表1掺与未掺超塑化剂的水泥的
[3]
化学结合水值时间
5min10min20min40min60min3h6h18h1d3d7d28d
下测得FDN减水剂在C4AF、C3A和β-C2S上的吸附量分别为170mg/
[5]
150mg/g和1160mg/g。
胡秀春等g、
测得NF减水剂在C3A、C3S、煤矸石和矿渣上的吸附量大小顺序为
C3A>煤矸石>C3S>矿渣。
不同C3A
化学结合水量（%纯水泥
1.41
1.451.591.631.681.932.593.834.408.989.9113.32
水泥+减水剂（萘系
1.541.601.821.971.912.612.543.644.118.369.1613.73
含量的硅酸盐水泥对减水剂的吸附量也证明这一点:
启新水泥厂、江南水泥厂和琉璃河水泥厂水泥的C3A含量分别为10145%、5100%和
2182%,其AF和NF减水剂的表观
吸附量的顺序为启新水泥>江南水泥>琉璃河水泥。
C3A和C4AF对减水剂的吸附量大则是因其水化速度快及水化产物比表面积大所致。
312
[5]
注:
以纯水泥水化28d的水化程度α=
80%计。
影响水泥与减水剂相容性的因从上面的讨论可以看出,水泥
素及其解释
与减水剂相容性的好坏与它对减水剂的吸附量有关。
而水泥对减水剂的吸附量则与其水化产物的数量和表面性质有关,特别是与水泥中各单矿的水化速率有关。
水化速度越快则早期水化产物越多,对减水剂的吸附量就越大,这样就使溶液中
石膏种类及其掺量的影响石膏的掺入可延缓水泥的水
化,延缓水泥的凝结,因此可减少对减水剂的吸附,从而改善其与减水剂的相容性。
陈建中的试验表明,
FDN在C3A上的吸附量是150mg/g,
但加入石膏后,其吸附量减少到
1214mg/g。
因此在水泥中应加入足
图1水泥水化时间与pH值之间的关系[3]
的减水剂减少。
当缺乏足够的减水
10混凝土与混凝土施工
王宏伟王善拔水泥与减水剂相容性问题雏议比表面积大的缘故。
一般说来,火山灰质混合材都具有较大的比表面积。
据报导,几种火山灰质混合材测得的比表面积为:
硅藻土13517m/
g,凝灰岩8416m/g,赤页岩为1011m/g,而粉煤灰为416m/g。
沸
2
2
2
2
够的石膏,以便提高其与减水剂的相容性。
为什么加入石膏能减少其吸附量?
这可能是石膏与C3A作用生成钙矾石覆盖于C3A颗粒表面阻止C3A进一步水化所致。
例如,某水泥熟料C3A含量达914%,当SO3掺量为119%时,混凝土出机、1h和2h的坍落度分别为130mm、70mm和
30mm,当SO3增加到218%时,坍落
石、沸石等则使水泥与减水剂的相容性变差。
（4选择高温锻烧快速冷却的
熟料所制备的水泥
我们通常所说的水泥熟料C3A含量是指根据化学成分计算而得到的,即潜在的C3A含量。
但C3A实际这主要是熟料煅烧温度高,液相粘度低,有较多Al2O3固溶进铁相,使铁相组成由C4AF向C6A2F转变,剩下来的Al2O3少,因此生成的C3A少。
另外,C3A是在冷却过程从高温液相中结晶出来的,若熟料在
1300℃以上快速冷却,则有一部分
石粉掺量每增加3%,混凝土坍落度下降10mm。
不同等级的粉煤灰对很大。
Ⅰ水剂的相容性,Ⅰ级灰会有,其内比表面积小,起着润滑作用,而未燃烬的炭粒子则具有多孔结构,能吸附大量的减水剂和水分,因而使其相容性变差。
4
度则分别变为220mm、170mm和
150mm。
石膏的种类对其与减水剂相容性影响也很大,,有可能改变石膏的溶解度和溶解速度,从而影响其相容性。
例如,掺硬石膏的硅酸盐水泥在掺糖类和木质磺酸盐类减水剂时,水泥速凝,相容性不好。
据认为,主要是这两类减水剂使硬石膏的溶解能力降低,减少了溶液中的SO4离子。
另外,硬石膏可使硅酸盐矿物和铝酸盐矿物水化都加速,水泥水化产物增多,从而吸附大量的减水剂。
313
2-
液相变成玻璃体,即有一部分C3A和C4AF以玻璃体形式存在。
因此,快速冷却使C3A实际含量减少。
这在笔者的研究中已得到证实。
这里必须指出,水泥与减水剂要有良好的相容性,这仅仅是预拌砼和高性能砼对水泥性能需要的一部分,其它还应要求水泥高强、早强、标准稠度用水量少,匀质性好等等。
特别是对早期强度的要求,往往与水泥-减水剂间的相容性产生矛盾,用户必须综合考虑。
参考文献
[1]谈慕华、黄蕴元,表面物理化学,中国建
[7]
如何选择与减水剂相容性好的从上面的讨论可以看出,水泥
水泥
与减水剂相容性的好坏与影响水泥凝结的因素密切相关。
凡是影响水泥凝结的因素,如C3A含量、碱含量、水泥细度及其颗粒形状、石膏种类及其掺量、混合材种类及其掺量等均影响水泥与减水剂的相容性。
因此,砼生产厂对水泥的选择应从以下几方面考虑。
（1选择C3A和C4AF含量低而C3S和C2S含量高的水泥
（2选择低碱水泥
碱的影响
碱的存在使水泥标准稠度需水
量增大,凝结快,早期强度提高而后期强度降低,这主要是碱使水泥水化速度加快的缘故。
因此,碱的存在使水泥与减水剂的相容性变差。
对砼来说,碱可使砼的坍落度降低,坍落度的经时损失加快。
至于不同种类的碱对坍落度及其经时损失的影响,尚有待研究。
不过从水泥化学角度看,似乎以硫酸盐形式存在的碱对水泥水化的影响小于碱的氢氧化物。
314
筑工业出版社,1985
[2]
B.
Blank,
D.R.Rossington
and
L.A.Wenland《JournalofAmericanCeramicSo2ciety》,Vol.146（3395-399（1968
[3]张冠伦、张云理,混凝土外加剂———原理
碱含量高,除引起水泥与减水剂相容性变差及其它不良影响外,还可能引起砼的碱骨料反应。
因此,水泥中碱含量高是十分有害的。
在水泥熟料煅烧过程中加入石膏使碱硫酸盐化,或在水泥粉磨过程中加入较多石膏,可以减小其危害。
（3选择混合材好的水泥
及应用技术,上海科学技术文献出版社,1985
[4]陈建中、范增光、金剑华,萘系减水剂不
同掺加方法作用机理的研究,1985年北京国际水泥与混凝土学术会议论文集,1987
[5]胡秀春、刘翠玉、姚柏平,混凝土减水剂
混合材种类及其掺量的影响不同的混合材对水泥与减水剂
[5]
的作用机理,1985年北京国际水泥与混凝土学术会议论文集,1987
[6]乔龄山,对硅酸盐水泥质量问题的探讨,
掺矿渣和石灰石作混合材的水泥,可使水泥对减水剂的吸附量少,从而改善其与减水剂的相容性。
而掺火山灰质混合材,如火山灰、煤矸
相容性的影响不同。
胡秀春的试验表明,矿渣对FDN减水剂的吸附量小于煤矸石,这可能是煤矸石内
水泥,1996年第7期
[7]王善拔、丁武成,
含氟硅酸盐水泥的不正
常凝结,硅酸盐学报,1988:
16（4
混凝土与混凝土施工11
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