水泥技术|碱矿渣水泥高效缓凝剂的研究及应用

防水之家讯：引言 碱矿渣水泥由于具有早强、快硬、低水化热、低需水量、高抗渗、高抗蚀等一系列优点，因此近几十年来得到了业内人士的广泛关注，并投入了大量的研究，但是由于碱矿渣水泥凝结时间过快，因此至今仍没有发挥出它自身的优势，在国内基本上没有应用。


针对碱矿渣水泥的这种不足，国内外水泥专家进行了大量的研究工作。独联体采用有机硅表面活性剂，试图在碱矿渣粒子表面建立起有机硅物质薄膜，以阻止和延缓矿渣粒子和碱组分之间的快速反应，虽有效果，但始终未能达到独联体标准对硅酸盐水泥初凝时间(不小于45min)的要求。


国内目前研究的碱矿渣水泥的缓凝剂，掺量大，对水泥的强度影响较大，价格贵，配制工艺复杂，只能局限在实验室中研究，在实际工程中无法推广。

1　碱矿渣水泥高效缓凝剂的研制


1.1　基本要求
1)低掺量低成本，高效缓凝。
2)初凝时间:现场搅拌施工用水泥控制在60～120min；商品混凝土搅拌站用水泥控制在6～10h。
3)终凝时间:控制初凝与终凝时间差在1～2h之间，以便尽早的开始混凝土工程的养护工作并为及早拆模奠定基础。
4)水化硬化:缓凝剂在完成缓凝任务后不影响水泥的水化硬化或具有一定的促硬作用。
5)耐久性:缓凝剂的加入不能影响碱矿渣水泥混凝土的耐久性。


1.2　基本原理


碱性组分与矿渣在加水搅拌混合时，由于碱的强烈激发，使矿渣玻璃体硅氧键断裂形成含有非桥氧的自由端和羟基的硅酸根离子，钙离子与这些硅酸根离子相互结合形成水化硅酸钙凝胶，同时硅酸根离子在静电作用下进行了快速聚合，这是碱矿渣水泥急凝的主要原因。我们通过引入带电荷的阴阳粒子，在电荷斥力作用下阻止延缓钙离子的移动速度，或降低硅酸根离子的静电引力，从而阻止水化硅酸钙的生成，延迟硅酸根离子的聚合，以达到缓凝的效果。这是我们在原理上与大掺量缓凝剂利用反应产物膜假设的不同之处。随着时间的延续，静电逐渐释放，这种静电吸引力和斥力逐渐变小最后消失，水泥就可以正常水化达到初凝、终凝、硬化。这时微量的带电缓凝剂可以代替部分钙离子形成水化产物，硅酸根离子的自聚合作用正常进行，在混凝土水化反应产物内部不留下任何起负作用的离子。


1.3　缓凝剂种类及掺量对凝结时间的影响


在实验室用人工合成的方法研制成功了BF、TH、FQ三大系列的低掺量高效缓凝剂。实验室采用首钢矿渣、鞍钢矿渣和本钢矿渣，碱激发剂采用水玻璃(模数为2.4)、石灰等。试验用矿渣化学成分及碱度见表1。

表1 试验用矿渣化学成分及碱度 序号 化学成分/% 碱性系数 SiO2 CaO FeO MgO Fe2O3 P2O5 fCaO Al2O3 M 1 11.40 43.13 9.71 9.86 10.33 0.35 1.29 3.13 3.65 2 12.59 47.20 5.49 7.50 10.41 0.26 2.26 1.96 3.76 3 11.59 45.30 6.71 8.35 10.40 0.33 2.11 2.27 3.87 缓凝剂BF、TH、FQ为粉状物，属于铬酸盐与蜜胺系列减水剂复配而得，易溶于水，每吨成本2000元左右。凝结时间的测量按GB1346-89进行，优选后不同掺量的BF、TH、FQ的初凝、终凝时间如表2。 表2 BF、TH、FQ三种缓凝剂掺量对凝结时间的影响 掺量/% 掺BF凝结时间/(h：min) 掺TH凝结时间/(h：min) 掺FQ凝结时间/(h：min) 初凝 终凝 初凝 终凝 初凝 终凝 0 0：20 1：15 0：20 1：15 0：20 1：15 0.020 0：40 1：30 0：50 1：45 0：45 1：36 0.025 0：55 1：50 1：05 1：50 1：10 2：40 0.030 1：10 2：15 1：20 2：25 3：20 5：15 0.035 3：10 4：35 1：30 2：40 4：10 6：20 0.040 4：20 6：10 1：40 3：05 5：10 7：25 0.045 6：20 8：15 2：25 3：20 6：15 8：35 0.050 8：30 11：35 2：35 3：45 7：20 9：30 0.075 16：35 18：40 2：30 3：50 11：35 13：20 0.100 24：10 28：35 2：35 3：30 20：25 22：40由表2可知，在研究的掺量范围内，随着BF、FQ掺量的增加，水泥的初凝时间延长，终凝时间也相应延长，但凝结时间差变化幅度不大，说明随着缓凝剂的引入，碱矿渣水泥的水化过程被延缓了，但在初凝之后，水化速度仍然很快。TH系列缓凝剂在0.020%～0.045%的掺量范围内，随掺量的增加，初凝时间延长，终凝时间也相应变长，但凝结时间差基本不变，说明随着TH的掺入，碱矿渣水泥的水化进程被推迟了。但在初凝之后水化速度很快恢复，并且TH也参与了水化反应。但是当TH掺量在0.045%～0.10%之间变化时，碱矿渣水泥的初凝时间一直保持在2h35min左右，终凝时间在3h20min～3h50min之间，说明TH最佳掺量为0.045%，但超过这个掺量不会影响水泥的凝结、水化、硬化。建议在现场搅拌施工用的碱矿渣水泥采用TH高效缓凝剂，掺量0.045%，这样既经济，效果又好。对商品混凝土搅拌站选用BF、FQ高效缓凝剂，掺量0.035%～0.040%，这样既可以解决远距离运输又可以保证泵送施工的要求。从而达到低掺量、低成本、高效缓凝、快速施工的目标。


1.4　缓凝剂对水泥粉磨及强度的影响


试验时发现，控制相同的粉磨时间，加入缓凝剂后制造的碱矿渣水泥比表面积达450m2/kg，比不掺缓凝剂时的400m2/kg提高50m2/kg，因此可以认定这三种缓凝剂具有助磨的作用。缓凝剂对水泥强度的影响如表3所示。

表3 高效缓凝剂对水泥强度的影响 缓凝剂 凝结时间/(h：min) 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 种类 掺量/% 初凝 终凝 3d 7d 28d 3d 7d 28d 空白样 0.000 0：30 1：25 9.0 11.2 10.4 68.6 83.6 95.4 BF 0.035 3：20 4：45 8.7 10.4 9.9 67.2 81.5 94.2 0.040 4：15 6：05 8.8 11.0 10.2 66.9 82.4 93.9 TH 0.040 1：50 3：10 9.0 11.0 10.3 69.1 82.4 94.6 0.045 2：20 3：25 8.9 10.8 10.2 67.4 83.1 92.9 FQ 0.035 4：10 6：15 9.1 11.5 11.3 69.4 84.3 95.6 0.040 5：00 7：05 8.9 11.0 10.5 68.3 82.7 94.4由表3可知，采用BF、TH、FQ后，碱矿渣水泥的强度基本保持不变，证明高效缓凝剂对水泥水化、硬化没有危害。


1.5　高效缓凝剂对碱矿渣水泥混凝土性能的影响


在实验室采用BF、FQ高效缓凝剂对碱矿渣水泥混凝土进行了试验，同时测量了混凝土的坍落度及其经时损失，数据如表4。

表4 混凝土的坍落度及其经时损失和强度试验数据 缓凝剂 坍落度/mm 抗压强度/MPa 种类 掺量/% 0h 1h 3h 5h 3d 7d 28d 基准混凝土 0 20 0 0 0 48.7 65.3 71.2 BF 0.035 230 230 230 210 47.4 64.6 74.2 0.040 235 235 235 220 48.2 67.2 72.2 FQ 0.035 230 230 230 210 49.3 65.6 76.6 0.040 240 240 240 225 48.6 68.4 73.2由表4数据可知，采用两种高效缓凝剂配制的流态混凝土具有坍落度3h内无损失，5h损失很小，混凝土早期强度不降低，后期强度比基准水泥混凝土有所提高的特点。

2　工程应用

在以上研究的基础上，我们在北京城建混凝土公司进行了工业化批量生产，生产混凝土的强度等级为C40、C50。应用于中国对外建筑承包工程公司的住宅楼工程，使用部位为墙、柱、梁及部分顶板。具体应用情况:在搅拌楼出料口接料检测，混凝土坍落度为230mm，然后在运输车内存放2h，再经过2h运输到施工现场，在现场存放1h，测量泵送时坍落度为230mm。且泵压正常，不离析不泌水，和易性好，同时成型样品做强度、抗冻性、抗渗性、收缩及碳化等项指标的试验。经国家工程质量监督检验中心检验，其各项力学性能指标和耐久性指标均满足C40及C50的要求。经过对收缩性的测试，用这种水泥配制的混凝土具有微膨胀性，彻底解决了碱矿渣水泥收缩大的固有缺陷。现在该项工程已经峻工，经现场观察发现使用掺FQ高效缓凝剂的碱矿渣水泥泵送混凝土施工的部位表面光滑、色泽纯正，回弹后强度达设计强度的145%，用户非常满意。

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