聚羧酸系高性能減水劑被廣泛用來改善混凝土的性能。目前聚羧酸系減水劑大部分使用在重點工程或者重點部位的混凝土， 而往往這些工程都有較高的耐久性要求指標， 而聚羧酸系減水劑的高減水率、 較好的保塑性能夠適用于配制高強度混凝土以及大流動性混凝土等。但是當(dāng)聚羧酸系減水劑應(yīng)用于普通混凝土中時， 卻會產(chǎn)生相容性不好的現(xiàn)象， 不能夠滿足普通混凝土的生產(chǎn)需求， 在很多工程施工中出現(xiàn)與水泥不相容的問題。主要表現(xiàn)為減水劑性能表現(xiàn)低下或增加流動性的效果不好、 凝結(jié)速度太快、 緩凝、 坍落度經(jīng)時損失過大。甚至降低混凝土強度， 這種相容性不良現(xiàn)象與高效減水劑的品種與作用機理、 原材料的選用與合成工藝、 膠凝材料的成分、 細度差異有關(guān)。其他如環(huán)境溫度、 外加劑摻量也會對相容性產(chǎn)生一定的影響。對于減水劑與水泥的相容性概念， 至今沒有一個明確的定義， 按照混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范， 將經(jīng)檢驗符合有關(guān)標準的某種外加劑， 摻加到按規(guī)定可以使用該品種外加劑的水泥所配制的混凝土 （或砂漿） 中， 若能產(chǎn)生應(yīng)有的效果， 就認為該水泥與這種外加劑是相容的；相反則是存在不相容性。Aiticin 則認為 ：在減水劑摻量不大就達到飽和點， 且 1 h后的流下時間變化小時， 認為減水劑與水泥相容性好；反之，則稱其相容性差；若介于兩者之間， 則認為其相容性一般。從廣義上來講， 水泥與減水劑相容性包括水泥漿體的流動性、 力學(xué)性能、 凝結(jié)和泌水現(xiàn)象等， 而評價水泥與減水劑相容性的參數(shù)應(yīng)是流動性、 飽和摻量和經(jīng)時損失， 從而能客觀、 公正地評價某一種水泥與減水劑的相容性 。專家提出：水泥與聚羧酸系減水劑相容性好應(yīng)體現(xiàn)在初始流動性大、 有明確的飽和點和流動性損失少水泥與聚羧酸系減水劑相容性問題既取決于水泥的生產(chǎn)工藝及水泥品質(zhì)情況又與聚羧酸系減水劑品種和質(zhì)量有關(guān)。

 

1 、水泥礦物特性對相容性的影響

 

水泥與聚羧酸系減水劑的相容性與水泥的礦物成分存在較大的關(guān)系， 相容性不僅僅與水泥熟料中間體礦物的含量有關(guān)， 還與熟料中間體的析晶程度和中間體礦物的固溶情況有關(guān)。水泥中的主要礦物也是影響相容性最大的因素， 礦物成分對聚羧酸系減水劑的影響主要是通過對減水劑分子的吸附作用實現(xiàn)， 減水劑最先吸附在水泥顆粒表面上由于水化初期 CaSO 4 、 Na 2 SO 4 、 K 2 SO 4 的溶解而在水泥顆粒表面上產(chǎn)生的刻蝕以及水泥中不同礦物成分水化初期所帶的電荷不同的吸附點上 ， 硅酸鹽相水化帶有負電荷，而鋁酸鹽相水化帶正電荷。不同礦物成分對同種聚羧酸系減水劑的吸附量大小為：C 3 A>C 4 AF>C 3 S>C 2 S， 從吸附層厚度來講， C 3 S 吸附聚羧酸系減水劑的厚度比 C 3 A 吸附聚羧酸系減水劑的厚度小。國內(nèi)外很多學(xué)者對這一影響有著深入詳盡的研究， 劉秉京研究發(fā)現(xiàn)：C 3 A/C 4 AF、 C 3 S/C 2 S 的比值越大， 則水泥對減水劑的吸附量明顯增加， 從而會導(dǎo)致水泥與減水劑的相容性越差。水泥熟料中 C 3 A 對外加劑的吸附量遠高于其他礦物組成， 當(dāng)含量上升 1%， 水泥標準稠度用水量也增加 1%， 混凝土用水量也會隨之相應(yīng)的提高 6~7kg/m 3 。C 3 A 和 C 4 AF 的水化速率較快， 加水拌和后， C 3 A 和 C 4 AF迅速開始水化， 水化產(chǎn)物進一步吸附更多的減水劑分子， 水化產(chǎn)物發(fā)生搭接現(xiàn)象， 導(dǎo)致減水劑的吸附量增加， 還會導(dǎo)致水泥漿體的流動度損失明顯增大。劉厚奮等 總結(jié)出一個定量的分析：C 3 A 的含量低于 8%， 水泥與減水劑的相容性較好；超過 8.5%， 則即使調(diào)正減水劑的用量， 也無法解決經(jīng)時損失問題。Sakai 等通過定量 X 射線衍射方法研究了C 3 A 在硫酸鈣體系下的早期水化， 認為使用工業(yè)廢料增加了水泥中鋁酸鹽相的含量， 使坍落度損失加快， 但梳型聚羧酸系減水劑可與水泥價體重的鋁酸鹽相作用， 控制其水化， 從而起到良好的分散作用。當(dāng)熟料中間體中鋁酸鹽相或鐵鋁酸鹽相的含量一定時， 其析晶程度越高， 則越不利于水泥與高效減水劑相容性的改善， 反之， 則越有利于水泥與高效減水劑的相容性的改善；而鐵鋁酸鹽相中鋁的含量相對較低， 則有利于水泥與高效減水劑相容性的改善 。

 

2 水泥中 MgO 對相容性的影響

 

由于原料的原因， 水泥熟料中不可避免的會含有一定量的 MgO， 因為 Mg 和 Ca 為同族元素， 兩種離子的物理化學(xué)性質(zhì)近似， 容易相互取代形成固溶體。Mg 2+ 離子通過取代阿利特結(jié)構(gòu)中的鈣離子形成固溶體。然而阿利特中 Mg離子的比例增加會導(dǎo)致熟料中的氧化鎂含量增加， 并會促使阿利特形成 M3 晶型， 氧化鎂是 M3 晶型的穩(wěn)定劑， 而M3型 C 3 S的水化活性顯著增強， 早期水化熱有顯著的增加。一般情況下， MgO 會形成游離方鎂石， 或進入含有阿利特和鐵鋁酸鈣等物相的一些固溶體。水泥中的方鎂石是在 1450℃條件下形成的死燒方鎂石， 這種氧化鎂晶體在常溫下的水化非常緩慢， 造成水泥早期水化被延緩。熟料燒成結(jié)束后， 在熟料冷卻的過程中溶于液相的 MgO 會部分析晶， 來不及析晶的 MgO 被固化在水泥的玻璃體之中。所以在對于 MgO 的控制重點在于對原材料的品質(zhì)上加以嚴格控制， 從而提高熟料的燒成質(zhì)量和性能。惰性相顆粒被水泥水化生成的 C-S-H 凝膠所包裹， 起到了成核的作用， 間接減小了水泥顆粒表面 C-S-H 凝膠層的厚度 。MgO 會延緩水泥的初始水化速度并增加水泥漿體的凝結(jié)時間 。正是由于 MgO 的這種特性從而影響到水泥的水化， 從而影響到水泥對聚羧酸系減水劑分子的吸附作用， 造成相容性不良。其他因素對相容性的影響， 從而促進了水泥的后期水化。

 

3 礦物摻合料對相容性的影響

 

減水劑不但與水泥會產(chǎn)生相容性問題， 同樣與混礦物摻合料之間也存在著相容性問題， 并影響著水泥與減水劑的相容性。工業(yè)生產(chǎn)的水泥中摻加的混合材的種類主要有石灰石粉、 粉煤灰、 硅灰、 礦渣微粉等。由于混合材的性能各有所異， 從而會對減水劑產(chǎn)生不盡相同的影響效果， 同時混合材的物理性能以及摻量也會導(dǎo)致減水劑和水泥的相容性有影響。在種類繁多的礦物摻合料中， 礦渣和粉煤灰的使用更為廣泛。粉煤灰多為球形玻璃體， 表面光滑， 主要礦物組成為大部分直徑以微米級的實心微珠和空心微珠以及少量的多孔玻璃體、 玻璃體淬塊、 結(jié)晶體或未燃盡的碳粒。國內(nèi)一般將粉煤灰按細度劃分為三級， 對于 I 級粉煤灰， 由于球形玻璃體的 “滾珠效應(yīng)” ， 導(dǎo)致粉煤灰對減水劑的吸附量比水泥的少， 可以改善水泥的工作性能， 提高水泥與減水劑的相容性。而普通的粉煤灰含碳量較高， 導(dǎo)致粉煤灰顆粒對減水劑分子的吸附作用大于水泥顆粒， 由于粉煤灰自身又具有一定的減水效果， 所以當(dāng)摻入減水劑時，摻加粉煤灰的水泥漿體具有較好的初始流動性， 但漿體的經(jīng)時損失卻明顯增大， 這就是由于時間的推移， 粉煤灰顆粒吸附的減水劑分子較多， 破壞了原有的吸附平衡， 減水劑不能起到足夠的分散能力。當(dāng)摻量過大時， 由于粉煤灰的比表面積大于水泥顆粒因此相等質(zhì)量的粉煤灰對減水劑的吸附量大于水泥對減水劑的吸附量， 從而影響到水泥與減水劑的相容性。

 

水泥工業(yè)中大量使用的高爐?；V渣， 簡稱礦渣， 其顆粒形狀不佳， 屬于多角型， 從而是與水泥顆?；虻V渣顆粒之間的接觸點面積縮小， 礦渣顆粒還具有斥水作用， 對減水劑的吸附作用減小， 其相對吸附量小于 C 3 S， 不會對水泥和減水劑的相容性產(chǎn)生較大影響， 所以礦渣摻合料的使用可以改善漿體的流動性。但當(dāng)?shù)V渣摻量增加到一定值， 比表面積增加， 吸附作用明顯加強， 導(dǎo)致漿體的流動性下降 。

 

4 可溶性硫酸鹽對相容性的影響

 

聚羧酸系減水劑是一類化學(xué)結(jié)構(gòu)相對自由的共聚物，與水泥的相容性與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)， 同時受漿體中可溶性離子濃度的影響。Yamada 等 研究發(fā)現(xiàn)液相中硫酸根離子濃度的增加會導(dǎo)致聚羧酸系減水劑分子的空間體積收縮， 影響減水劑分子中 PEO 側(cè)鏈的立體空間位阻效應(yīng)的發(fā)揮， 以及硫酸根離子與羧酸根離子產(chǎn)生吸附競爭， 從而影響聚羧酸系減水劑的分散力。Nava 的研究還發(fā)現(xiàn) ：摻加硫酸鹽時， C 3 A 與 C 4 AF 吸附高效減水劑量減少， 但硅酸鹽對其的吸附量增加了。硅酸鹽相的分散性增加， 降低水泥漿體的黏度， 增加水泥漿體的流動性。而在水泥生產(chǎn)過程中， 石膏是水泥中硫酸根離子的主要來源， 所以水泥中石膏摻量和種類對聚羧酸系減水劑與水泥相容性會產(chǎn)生一定的影響。并且石膏脫水后會影響其緩凝效果， 從使水泥水化加快， 進而影響到減水劑與水泥的相容性。當(dāng)水泥含有高比例的硬石膏時， 進而使液相中減水劑含量下降， 失去對水泥分散作用， 加速坍落度損失。另外， 硬石膏可使硅酸鹽礦物和鋁酸鹽礦物水化都加速， 水泥水化產(chǎn)物增多， 從而吸附大量的減水劑。高效減水劑改變了水泥水化， 降低了石膏的溶解度， 使液相中石膏的濃度變低。因此， 摻加高效減水劑的體系的流動性強烈的依賴水泥所用石膏的種類和摻量。

 

5 水泥比表面積對相容性的影響

 

聚羧酸系減水劑在水泥-水懸浮體系中可分為 3 部分。第 1 部分穿插在水泥水化產(chǎn)物中或者參與到水化產(chǎn)物的形成， 從而改變了水化產(chǎn)物的形貌；第 2 部分則吸附在水泥顆?；蛩a(chǎn)物表面并形成一定厚度的吸附層，這部分減水劑對水泥顆粒起分散作用；最后一部分減水劑殘留在溶液中， 這部分減水劑與吸附層之間保持動態(tài)平衡，并隨時補充由于水泥水化等因素消耗的高效減水劑， 主要對坍落度保持性能起重要作用 。根據(jù)聚羧酸系減水劑與水泥之間的吸附作用原理可知：當(dāng)水泥比表面積增大時， 相應(yīng)到水泥顆粒與水和減水劑分子的接觸面積增大，導(dǎo)致表面能增加， 水化速度加快， 吸附作用增強。因此會導(dǎo)致水泥漿的經(jīng)時損失變大， 產(chǎn)生泌水現(xiàn)象， 造成相容性不良。

 

6 總結(jié)

 

聚羧酸系減水劑在混凝土工程中的推廣應(yīng)用促進了現(xiàn)代混凝土技術(shù)的高速發(fā)展， 提高了混凝土生產(chǎn)質(zhì)量 （提高耐久性 ） ， 從而達到了節(jié)能、 節(jié)材、 節(jié)地的效果。節(jié)約資源是保護生態(tài)環(huán)境的根本之策，從而降低能源的消耗強度，提高利用效率和效益的重要性日益凸顯。聚羧酸系減水劑憑借其一系列優(yōu)越的性能， 在工程施工中的使用愈來愈占有大量的份額， 減水劑已然進入聚羧酸系時代， 從而對聚羧酸減水劑的研究應(yīng)用也愈加的關(guān)鍵。而在聚羧酸系減水劑的工程實際應(yīng)用中卻會出現(xiàn)較多不良現(xiàn)象， 無法達到工程實際的要求， 往往造成這一原因就是在于減水劑與水泥的相容性問題。由于水泥的礦物組成復(fù)雜， 水泥生產(chǎn)質(zhì)量波動較大， 從而對減水劑和水泥的相容性帶來了極大的挑戰(zhàn)。通過從水泥角度研究分析對聚羧酸系減水劑和水泥的相容性問題， 能夠客觀準確的指導(dǎo)到水泥實際生產(chǎn)時所應(yīng)注意到的各種問題， 為生產(chǎn)高質(zhì)量、 相容性良好的水泥提供理論支持。