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混凝土外加剂与水泥适应性的改善措施

水泥 2005-03-30

摘要：从分析混凝土外加剂与水泥适应性的影响因素及其规律入手，提出了改善外加剂与水泥适应性的可操作性措施，如增加外加剂掺量、改变外加剂复合方案、增加某种阴离子、优化水泥制备工艺及消除引起不适应性的因素等，并例举了两个工程应用实例。

关键词：外加剂；水泥；适应性；解决措施；工程实例

混凝土外加剂已成为现代化混凝土制备技术和施工技术所离不开的一种重要组分，各种外加剂的应用更是使混凝土材料实现高性能化和绿色化的重要措施之一。然而混凝土外加剂与水泥之间有时存在不相适应性，并在一定程度上影响着外加剂的应用效果以及混凝土的性能。

笔者曾经对混凝土外加剂与水泥适应性的定义进行了描述^[1]。认为：按照混凝土外加剂应用技术规范，将经检验符合有关标准的某种外加剂掺入按规定可以使用该品种外加剂的水泥所配制的混凝土(或砂浆)中，若能够产生应有的效果，就认为该水泥与这种外加剂是适应的；相反，如果不能产生应有的效果，则该水泥与这种外加剂不适应。

为了摸清上海、江苏、浙江、广东等地区水泥与外加剂的适应情况，寻求产生不相适应性现象的原因，提出有效的解决措施，从而更好地为高速发展的国民经济和工程建设服务，课题组开展了“水泥与外加剂适应性”的研究项目，就减水型外加剂(包括普通减水剂、高效减水剂、缓凝减水剂、缓凝高效减水剂、普通泵送剂、高效泵送剂和控制混凝土坍落度损失外加剂等)与水泥的适应性问题展开一系列的试验研究。试验从上海、南京、镇江、深圳、广州、浙江等地所普遍使用的外加剂产品中共抽取28个样品，并抽取六家水泥厂九种标号(牌号)的水泥样品、细度不同的水泥样品以及存放期不同的水泥样品。

本文简要总结了通过试验研究得出的影响外加剂与水泥适应性的各种因素，提出了解决这一问题的几个可操作措施，并列举了两个工程应用实例。

1 混凝土外加剂与水泥适应性的影响因素及其作用规律

影响外加剂作用效果的因素很多，如表1。这些因素往往相互交织在一起,共同对外加剂的使用效果产生影响。

表1 影响混凝土外加剂与水泥适应性的因素

Table 1 Factors influencing the compatibility between cement and concrete

admixtures

Superplasticizers	Cement
Degree of sulfonation	Mineral components
Degree of polymerization	Alkali content
Kinds of alkali for neutralization	Kinds and dosage of gypsum
Purity	Kinds and dosage of blends
State	Fineness

从表1可以看出，影响外加剂作用效果的因素很多，有外加剂方面的，也有水泥方面的，混凝土掺合料、环境因素及外加剂掺量、掺加方法的影响也不容忽视。上述各种因素对混凝土外加剂与水泥适应性的影响规律及机理分析参见文献[1-12]。

2 混凝土外加剂与水泥适应性的改善措施

改善混凝土外加剂与水泥的适应性，首先要对混凝土原材料生产者、混凝土拌合物制备者和施工技术人员进行大力宣传。只有全社会都承认水泥与外加剂之间存在适应性这一事实，才能正确面对其可能产生的后果，也才能促使人们努力解决这一问题。

其次，混凝土制备者应对每一批水泥、每一批外加剂进行质量检测和混凝土试配试验，寻求原材料的技术特性，尽量将相互适应性好的外加剂与水泥配合使用，以避免因将不相适应的水泥与外加剂共同使用而造成的质量事故、材料浪费或成本提高。

再者，混凝土的制备成本固然重要，但混凝土制备者不能只注重节省费用而无视某些水泥(如铝酸盐含量相对较高者)或掺加了某种掺合料后配制的混凝土对外加剂掺量的实际需求，因为，外加剂的适宜掺量与水泥特性、掺合料性能及掺量等因素有关，而非传统观念上的固定值。

第四，水泥厂、外加剂厂与混凝土制备单位应携手解决这一类问题，而决不能对自己所存在的技术问题遮遮掩掩、推卸责任。比如水泥厂尽量不采用硬石膏作为调凝剂，外加剂厂遇到所配合使用的水泥为掺硬石膏水泥时，应提供不含木钙或糖钙的外加剂或采取其它技术措施，同时，混凝土制备者也应采纳外加剂厂的建议，及时改变外加剂的品种和掺量。

在实际工程中，水泥与外加剂的适应性试验应在混凝土拌合物制备前就完成，这样才能正确地选择水泥、掺合料和外加剂，并确定最优化的配合比。在施工中，水泥厂和外加剂厂应提供质量稳定的产品。如果某批水泥或外加剂出现了不相适应性问题，应立即配合分析和查找原因，以寻求有效的对策。

表2是针对水泥与外加剂不相适应的一些常见现象建议采取的措施。必须指出的是，有时导致水泥与外加剂不相适应的原因是多方面的和互相交织的，具体采取哪种解决措施，要进行充分的前期试验和细致周密的分析。另外，此类问题要由水泥厂和外加剂厂、混凝土拌合物制备单位以及施工单位联手解决。

表2 水泥与外加剂不适应性常见问题的解决措施

Table 2 Solving measures for the incompatibility problems between cement and concrete admixtures

Phenomena of incompatibility	Possible reasons	Solving measures	Units being responsible
1)Plasticizing efficiency of the nephthelene based superplasticizer is not ideal at the recommended dosage	a)Sulphanaton of superplasticizer is not enough	Increase the sulphanation degree of superplasticizer	1
	b)Degree of polyrization of superplasticizer is not suitable	Adjust the degree of polyrization of superplasticizer
	c)C₃A content in cement is too high or the ratio of gypsium to C₃A is too low	Increase the dosage of superplasticizer	2
		Add the superplasticizer a few minutes after the water
		Add some SO₄^2- in concrete mix
		Use new type superplasticizers, i.e. poly carboxylicacids, etc.
	d)Alkali content in cement is too high	Increase the dosage of superplasticizers	2
		Add some SO₄^2- in concrete mix
		Reduce the alkali content in cement	3
	e)The quality of fly ash blended in cement is not good	Increase the dosage of superplasticizer or select new type superplasticizers	2
	f)Add zeolite or silica fume in concrete as mineral admixtures
	g)Specific surface area of cement is too high	Increase the dosage of superplasticizers	2
2)Set time of concrete is extremely shortened when adding lignosulfonate plasticizer or calcium sucrose	Unhydride exists in cement	Supplement some SO₄^2- in concrete mix	2
		Add lignosulfonate plasticizer or calcium sucrose with superplasticizers together	1 and 2
		Add lignosulfonate plasticizer or calcium sucrose a few minutes after water
		Add superplasticizer instead of lignosulfonate plasticizer or calcium sucrose
3)The slump-loss of concrete can not be efficiently controlled when adding a certain pumping admixture	1)Part or all of adjusting agent of cement set time is anhydride, or there is lignosulfonate plasticizer and/or calcium sucrose in pumping admixture	Supplement some SO₄^2- in concrete mix	2
		Add pumping admixtures a few minutes after water
		Replace the lignosulfonate plasticizer and/or calcium sucrose in pumping admixture with other set retarders	1
		Select other type pumping admixtures	2
		Don’t use unhydride as adjusting agent of cement set time	3
	2)Alkali content in cement is too high	Supplement some SO₄^2- in concrete mix	2
		Increase the dosage of pumping admixture
		Add pumping admixtures a few minutes after water
		Replace some cement with mineral admixtures(i.e. slag powder)
		Increase the set retarder content in pumping admixture	1
	3)C₃A content in cement is too high, or SO₄^2-/C₃A ratio is not enough	Increase the dosage of pumping admixture	2
		Supplement some SO₄^2- in concrete mix
		Increase the set retarder content in pumping admixture	1
		Select the efficient set retarder
	4)The cement used in concrete is too fresh	Increase the dosage of pumping admixture	2
		Replace some cement with reactive mineral admixtures
	5)The temperature of cement is too high	Avoid using cement with high temperature	2
		Increase the dosage of pumping admixture
		Increase the set retarder content in pumping admixture	1
	6)Use zeolite or fly ash of not good quality as mineral admixture	Increase the dosage of pumping admixture	2
		Decrease the dosage of this kind of mineral admixtures
	7)Use expansion admixtures with high alkali content	Increase the set retarder content in pumping admixture	1
		Increase the dosage of pumping admixture	2

Notes: 1-concrete admixtures factories; 2-concrete manufactures; 3-cement plants

3 改善混凝土外加剂与水泥适应性的工程实例

利用笔者所提出的基本措施，曾成功解决了几个工程实际问题，举例如下。

3.1 因更换水泥所引起的不适应性问题

3.1.1 工程概况

上海浦东某重点工程，2001年开始施工。该工程采用商品混凝土，强度等级为C40，要求初始坍落度为20+2cm，1小时后坍落度不得低于16cm。

混凝土配合比为水泥:粉煤灰:矿渣粉:砂:石子:泵送剂:水=262:82:110:680:1023:6.81:180。原材料如下：江西某厂52.5级普通硅酸盐水泥；II级粉煤灰；上海产S95矿渣粉；长江河砂，细度模数2.6；5-25mm连续级配碎石；上海某厂SP406高效泵送剂。

该工程所浇注的混凝土由上海某搅拌站供应，该搅拌站采用SP406高效泵送剂制备混凝土，过去所使用的水泥为京阳嘉新牌52.5 P.O和安徽海螺牌52.5 P.O，按上述配比所配制混凝土的初始坍落度和坍落度保持性均满足工程要求。但当时由于上海市预拌混凝土需求量非常大，水泥供不应求，临时改换了江西某厂生产的52.5 P.O。搅拌站事先对该水泥的性能特点不很了解，拟定仍按原来的配比进行生产，却遇到了所配制混凝土坍落度严重损失的异常情况。具体表现为：初始坍落度较小，只有16cm，且即使通过增加用水量使初始坍落度达到20cm，但只停放30min后坍落度就减小到6.5cm，根本无法满足运输和泵送要求。

3.1.2 原因分析及解决措施

根据笔者的分析，一方面，可能是因为该水泥矿物成分与其它水泥有差别，或者石膏与铝酸盐比例较小，另一方面，当时正处于水泥旧标准向新标准转换的阶段，为满足早期强度的要求，可能该水泥的粉磨细度较大，再者，也有可能是泵送剂出现了质量波动。因此进行了一系列试验进行对比，查找原因并提出了相应对策。试验结果如下。

1)采用标准检验方法对外加剂进行检测，当掺量为1.5%C时，当时供应的一批SP406高效泵送剂和前几批泵送剂的留存样品均符合泵送剂一等品标准^[13]，且质量稳定。因此，可以排除外加剂的质量波动因素。

2)对江西某厂水泥质量进行检测，结果表明其性能符合《GB175-1999硅酸盐、普通硅酸盐水泥标准》，可以排除水泥的质量因素。

3)在不掺加掺合料的情况下，对比了海螺水泥、京阳水泥和江西某厂水泥与SP406的适应性，结果如表3。

表3 三种同强度等级的普通硅酸盐水泥与SP406高效泵送剂的适应性

Table 3 Compatibility between pumping agent SP406 and the 3 kind of ordinary Portland cement(52.5 grade)

Series number	Concrete proportion C:S:G:SP406:W	Kinds of cement	Slump/cm
Series number	Concrete proportion C:S:G:SP406:W	Kinds of cement	0min	30min	60min
No.1	454:680:1023:6.81:180 454:680:1023:6.81:180 454:680:1023:6.81:180	Hailuo 52.5 P.O	21.0	18.5	17.0
No.2		Jingyang 52.5 P.O	20.5	19.0	17.0
No.3		Jiangxi 52.5 P.O	17.5	8.0	4.5
No.4	454:680:1023:9.08:180	Jiangxi 52.5 P.O	24.0	19.0	18.0

可见，采用同一种SP406高效泵送剂，掺量也相同，只是水泥品牌不同，所配制混凝土的坍落度损失情况不同，江西某厂的水泥所配制的混凝土坍落度损失较大。观察表明，NO.3混凝土拌合物在0-20min内的稠化现象非常严重，可以将出现不适应性现象的原因基本归结于该水泥的特性上。

为此，将SP406的掺量增加到2.0%C，便发现混凝土的坍落度损失减小了(表3中No.4)。

另外，在对混凝土原材料的进一步了解中发现，当时所使用的粉煤灰尽管符合II级粉煤灰标准，但其含碳量相对较高(烧失量为6.2%)，对于本C40混凝土配合比，显然粉煤灰的用量偏大。粉煤灰大量吸附减水剂也将导致混凝土坍落度损失过大。

最后笔者提出，可采取以下措施改善江西某厂水泥所配制混凝土的拌合物性能：1)在配合比不变的情况下，适当增加SP406外加剂的掺量；2)在配合比不变的情况下，适当调整SP406外加剂的复合方案；3)适当改变混凝土的配合比，比如减小粉煤灰用量，而相应增加矿渣粉的用量。

表4为在上述三种方案的基础上，采用江西某厂52.5 P.O所配制混凝土的拌合物性能，“Shen 8 ”外加剂为按本C40混凝土原材料性质和配合比新研制的泵送剂。

表4 采取措施后，用江西某厂水泥所配制C40 混凝土拌合物的性能试验结果

Table 4 Test results of properties of concrete mix using 52.5 P.O cement produced in Jiangxi Province

Series number	Concrete proportion		Slump /cm
Series number	C:FA:Slag:S:G:W	Admixture and its dosage /%(B)	0min	30min	60min
No.5	262:82:110:680:1023:180	SP406，2.0	20.0	18.0	16.5
No.6	262:82:110:680:1023:180	Shen 8，1.5	21.0	19.5	17.5
No.7	262:45:147:680:1023:180	SP406，1.8	19.5	18.5	17.5

3.2 因使用膨胀剂所产生的不适应性问题

3.2.1 工程概况

济南某高层建筑地下连续墙浇注工程，2001年6月施工。混凝土强度等级为C30，抗渗等级P10，要求初始坍落度为20+2cm，50min后坍落度不得低于16cm。

该工程混凝土配合比为水泥:膨胀剂:砂:石子:泵送剂:水=407:55:750:1000:11.55:185。原材料如下：山水牌32.5P.O；山东某厂UEA膨胀剂；河砂，细度模数2.6；5-25mm连续级配碎石；山东某外加剂厂STH高效泵送剂。

山水牌水泥为济南市搅拌站广泛使用的一种水泥品牌，山东某外加剂厂生产的系列外加剂与这种水泥具有良好的适应性，可用以配制C30-C50商品混凝土。2001年6月济南某搅拌站为济南市某高层地下连续墙工程提供具有抗裂防渗要求的商品混凝土，拟采用山水牌32.5级普通硅酸盐水泥，并采用内掺法掺入占水泥用量12%的UEA膨胀剂，泵送剂则选用STH高效泵送剂，但试配结果显示所配制混凝土不仅需水量高，而且坍落度损失很快，但当时气温并不是很高(室外气温只有30^oC左右)。工程紧迫，急需解决这一技术难题。

3.2.2 原因分析及解决措施

试验结果显示，山水牌32.5级普通硅酸盐水泥和STH高效泵送剂均符合有关标准，且在不掺加膨胀剂的情况下，两种材料之间具有良好的适应性。所以将产生不相适应性的主要原因锁定在膨胀剂方面。

我国生产的膨胀剂主要为硫铝酸盐型和明矾石型，其中大多都引入了明矾石，明矾石的化学式为K₂SO₄.Al₂(SO)₃.4Al(OH)₃，可见膨胀剂中含有一定量的K₂O，实际上也含有一定量的Na₂O。在混凝土中掺加UEA膨胀剂，实际上也就增加了混凝土中的碱含量。

因此，为满足拌合物的性能要求，对STH高效泵送剂进行了改性，研制了一种适合于掺加UEA膨胀剂混凝土的新型泵送剂----STH-2高效泵送剂。表5是STH-2高效泵送剂与STH高效泵送剂对混凝土拌合物性能影响的试验结果。工程实践表明，掺加STH-2高效泵送剂可以配制出满足本项目要求的商品混凝土。

表5 两种泵送剂的性能对比

Table 5 Comparison of Properties of the two pumping admixtures

Series number	Concrete proportion C:UEA:S:G:W	Pumping admixture and its dosage /%(C+UEA)	Slump /cm
Series number	Concrete proportion C:UEA:S:G:W	Pumping admixture and its dosage /%(C+UEA)	0min	50min
SD1	462:0:750:1000:177	STH，2.5	22.0	18.5
SD2	462:0:750:1000:175	STH-2，2.5	21.5	19.0
SD3	407:55:750:1000:183	STH，2.5	21.0	10.5
SD4	407:55:750:1000:180	STH-2，2.5	21.0	17.5

4 结语

随着国家“十五”规划的实施以及全面开发西部战略的进行，今后的工程建设规模将是空前的，对混凝土材料的数量和质量也必将提出更高的要求。大中城市混凝土的全面商品化将极大地促进外加剂在混凝土中的使用。因此，水泥与外加剂的适应性问题也将越加会显得“突出”。

本文从技术角度论述了影响水泥与外加剂适应性的各种因素以及改善适应性的一些可行的措施，希望能对混凝土原材料的生产单位、混凝土制备单位以及混凝土施工单位技术人员有所启示。诚然，要彻底解决水泥与外加剂适应性的问题，还需要产、官、学、研各界人士的共同努力。今后，将对这一问题进行进一步研究，建立一整套数据库资料。同时希望工程界也应摒弃传统的“生产成本”观念，敢于面对这一事实，并采取必要的措施，以有效的技术手段，将因水泥与外加剂不相适应所造成的工程质量问题降低到最小程度。

参考文献

[1]孙振平，蒋正武，王玉吉，等，混凝土外加剂与水泥适应性[J]，建筑材料学报，2002，5(1)，26-31

[2]孙振平，新型高性能混凝土减水剂浅述[J]，混凝土外加剂，2000，(4)，12-16

[3]D.Bonen, S.L.Sarker, The Superplasticizer Adsorption Capacity of Cement Pastes, Pore Solution Composition and Parameters Affecting Flow Loss[J], Cement and Concrete Research, 1995, 25(5), 1423-1434

[4]M.A.Simard,P.C.Aitcin, Rheology and Compressive Strength of Superplasticizered Cement Paste[J], Cement and Concrete Research, 1993, 23(4),939-950

[5]A.T.Hamou, P.C. Aitcin, Cement and Superplasticizer Compatibility[J], World Cement, 1993, 24(8), 38-42

[6]S.Jiang, B.G.Kim, P.C.Aitcin, Importance of Adequate Soluble Alkali Content to Ensure Cement/Superplasticizer Compatibility[J], Cement and Concrete Research, 1999, 29(1), 71-78

[7]V.H.Dodson, T.D.Hayden, Another Look at the Portland Cement/Chemical Admixture Incompatibility Problem[J], Cement, Concrete and Aggregates, 1989, 11(1), 52-56

[8]L.Forsen，The Chemistry of Retarders and Accelerators[A], the 2^nd International Symposium on Chemistry of Cement, Stockholm,1938，298-263

[9]V.T.Yilmas, P.F.Glasser, Early Hydration of Tricalcium Aluminate-Gypsum Mixture in the Presence of Sulphonated Melamine Formaldehyde Superplasticizer[J], Cement and Concrete Research, 1991, 21(3), 765-776

[10]孙振平，蒋正武，王玉吉，等，水泥含碱量对萘系高效减水剂作用效果的影响[J]，混凝土，2002，(4)，6-7

[11]R.N.Swamy, Cement Replacement Materials[M], Surry University Press， First Published, London，1986，165-169

[12]张冠伦，王玉吉，孙振平，混凝土外加剂原理与应用[M]，中国建筑工业出版社，1996，199-207

[13]JC473 混凝土泵送剂标准[S]

Measures to Improving the Compatibility

between Concrete Admixtures and Cement

SUN Zhen-ping, JIANG Zheng-wu, ZHANG Guan-lun, WANG Yu-ji

(State Key Laboratory of Concrete Materials Research, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: Based upon the analysis of the factors influencing the compatibility between concrete admixtures and cement, Some useful measures which can be taken to improve the compatibility are proposed, such as 1)increasing the dosage of admixtures, 2)changing the composition of admixtures, 3)adding certain anions to admixtures, 4)improving the manufacturing technology of cement, and 5)avoiding the factors leading to the incompatibility etc. Two practical problems being successfully solved by means of the measures put forward in the paper are cited.

Keywords: admixture; cement; compatibility; improving measures; practical examples

编辑：

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投稿：news@ccement.com

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