101 高效減水劑對水泥水化性能的作用是什么？

隨著高效減水劑在混凝土工程中的廣泛應用，經常發生水泥與高效減水劑不適應情況。主要表現在減水效果低下、凝結速度過快、坍落度損失快、甚至降低混凝土強度。這種不適應情況不僅與水泥的成分、礦物組成、磨制過程中工藝差異有關，也與高效減水劑的品種、原材料選用、制造工藝、外加劑摻量直接相關。

一、水泥的早期水化

當水與高吸濕性水泥粒子接觸時，由于水泥中各相完全或部分溶解，表面水解很快形成一層薄薄的無定形或膠體產物。在最初溶解之后，液相中的均勻成核過程或固液界面的非均勻成核過程生成水化物。隨著成核過程，水化產物的生長受到溶液濃度、反應用水、離子的可得量、反應過程的活化能以及晶體生長的定向要求的控制。在第一階段后期，水泥粒子完全被一層水化產物所覆蓋，這一保護層阻礙反應物在反應界面的內外擴散，極大降低了反應速度。這一階段從與水接觸開始持續約15min。

水泥發生水化反應的第二階段是誘導期，持續時間約為15min～４h。早期主要是鋁酸鹽的反應，這時期的SO^２-_４濃度起主導作用。如果濃度太低，過度的成核作用使Ｃ—Ｓ—Ｈ的生長產生間凝；如果濃度太高，大量的成核作用和石膏晶體的生長使水泥產生假凝。只有SO^2-₄濃度合適時，才能使鈣礬石晶體繼續形成，Ｃ—Ｓ—Ｈ膠體增加，水化前沿向水泥粒子內部擴展，產生滲透力和機械力。

上述水化過程確定水泥漿的流變性能和凝結性能。摻入減水劑后，減水劑與水泥反應物將相互作用，對水泥水化的擴散過程、成核過程和生長過程產生干擾，改變混凝土的初期流動性能，并影響混凝土的其他性能。

二、高效減水劑與水泥漿的流動性

由于范德華力、不同靜電的互相作用，水化顆粒表面化學作用，導致粒子形成聚集結構，束縛一部分水使其不能用于濕潤水泥粒子，也不能立即用于水化。加入高效減水劑后，由于吸附作用和同電荷斥力，使水泥粒子分散，絮狀結構解體，釋放束縛水并阻止粒子的相互作用，使水泥漿的流動性增大。

高效減水劑與水和水泥體系接觸后，即均勻地吸附于水泥粒子表面或者處于游離狀態，測定水泥漿中未被吸附的高效減水劑數量，即可得到吸附百分數。鋁酸三鈣（Ｃ₃Ａ）在拌合幾秒鐘后，即吸附了相當多的外加劑，硅酸三鈣（Ｃ₃Ｓ）在6～7min后才開始吸附外加劑，而水泥在拌合后５min即達到最大吸附量。隨著萘磺酸鹽高效減水劑的吸附量增加，水泥漿的流動度也成比例增大。

萘系減水劑的吸附量和吸附速度受水泥中硅酸鹽相的比例（Ｃ₃Ｓ/Ｃ₂Ｓ）和鋁酸鹽相的比例（Ｃ₃Ａ/Ｃ₄ＡＦ）的影響很大。在其他條件保持相同情況下，水泥中Ｃ₃Ｓ/Ｃ₂Ｓ和Ｃ₃Ａ/Ｃ₄ＡＦ比值較高時，吸附較多的萘系減水劑。許多試驗結果表明，萘磺酸高縮合物均勻地吸附于水泥粒子表面，鋁酸鹽帶正電荷，易吸附帶負電荷的減水劑；硅酸鹽帶負電荷，稍后于鋁酸鹽吸附減水劑。水泥四種礦物成分吸附減水劑均帶負電荷，因同電荷相斥使水泥粒子分散，從而提高水泥漿的流動度。

隨著減水劑摻量增加，吸附量增加，ξ-電位增加，混凝土的流動性增大。減水率增大到一定數量，達到最大減水率。此后再增加減水劑的摻量，減水率不再變化。當水泥四種礦物含量不同時，對減水劑的吸附量不同，產生的ξ-電位不同，得到的分散效果不同。要得到同樣的和易性，需要用不同的減水劑摻量，Ｃ₃Ａ或Ｃ₃Ｓ含量大時要用較多的減水劑。

生產萘系減水劑的外加劑廠家原料和工藝的差別，使減水劑的分散性能或減水效果也發生差別。如主鏈的長度和磺酸基團的位置、單體或輕分子量的數量等因素都會影響高效減水劑性能的發揮。在進行混凝土配合比設計時，要通過充分的試配過程來選擇最適合水泥性能的高效減水劑，以達到混凝土拌合物的最佳性能。

三、石膏形態、水泥凝結和混凝土坍落度損失

在水泥四種礦物成分中，活性反應程度依次是Ｃ₃Ａ＞Ｃ₃Ｓ＞Ｃ₂Ｓ＞Ｃ₄ＡＦ。鋁酸鹽相在水泥早期水化過程中起著重要作用，由于鋁酸三鈣的高反應活性，摻加外加劑對硫酸鹽控制水化速度的影響必然會影響到水泥的水化過程。在此過程中，水泥漿溶液中的硫酸鈣必須充分溶解，并有足夠的硫酸根離子和鈣離子供給才能生成硫鋁酸鈣。當鋁酸鹽和水直接反應時，水泥水化過程會發生假凝。假凝時，可以通過進一步拌合，破壞生成物結構，使其恢復流動性。

水泥廠有時會采用硬石膏作調凝劑。雖然在普通混凝土工程中水泥性能表現正常，但當與外加劑共同使用時，這種水泥會表現出與外加劑明顯不適應的特性。南京水利科學院試驗結果表明，木鈣對某些使用硬石膏的水泥有速凝作用。不摻木鈣時，用石膏和用硬石膏生產的水泥凝結時間完全相同；但摻加0.2％的木鈣后，用石膏的水泥初凝時間推遲４h左右，但使用硬石膏生產的水泥則快速凝結，初凝時間減少到40min左右。

四、坍落度損失與外加劑的關系

混凝土坍落度損失是一系列物理化學作用的結果。坍落度損失發生在水泥中Ｃ₃Ａ與石膏反應期間，可能與Ｃ₃Ａ和石膏反應以及晶體生成的程度有關。Ｃ₃Ａ、石膏形態、堿含量都會影響混凝土坍落度損失速度。

萘系減水劑主要通過靜電斥力增加減水劑吸附量、增加水泥分散性，以達到增加混凝土流動度的目的。隨著時間推移，水泥粒子表面析出溶解離子和生成水化物，水泥粒子表面吸附的分散劑也會受到化學的、物理的變化影響，降低靜電斥力，使混凝土坍落度損失。水泥粒子因外加劑的分散作用，粒子間接觸更為緊密。如果粒子間斥力降低，將會使粒子間移動變得較困難，粒子間摩擦阻力增加，導致流動性降低，這就是坍落度損失。

測定水泥各成分對萘磺酸鹽高縮合物的吸附量，發現Ｃ₃Ａ與Ｃ₄ＡＦ的吸附量比Ｃ₃Ｓ多。吸附速度隨水泥成分不同而變化。在水泥粒子最初接觸水與減水劑時，Ｃ₃Ａ與Ｃ₄ＡＦ優先吸附。接觸水６min左右，Ｃ₃Ｓ開始吸附。靜電斥力基本上與減水劑的吸附量成正比例。雖然Ｃ₃Ｓ占水泥組分中的大部分，但依賴于Ｃ₃Ａ與Ｃ₄ＡＦ的吸附量。故Ｃ₃Ａ與Ｃ₄ＡＦ少的水泥將均勻地吸附大部分減水劑，獲得更好的流動性。