复合超塑化剂CSP在商品混凝土中的应用

【摘要】

用于商品混凝土的复合超塑化剂(CSP)应能有效控制新拌混凝土的坍落度损失、减少泌水和离析、改善混合物工作性，满足远距离运输、泵送，浇筑(现浇或水下浇筑)、振捣(振捣或不振捣自密实)等施工工艺的要求。CSP包括：高效缓凝减水剂、泵送剂、高效缓凝引气减水剂、多功能复合防水剂、高效复合防冻剂和超缓凝减水剂等。根据商品混凝土的类型、强度和抗渗等级、原材料组成和配合比，施工工艺和环境条件正确选择CSP的品种和成分是确保高工作性和施工质量的关键问题。通常、CSP由高效减水剂、缓凝剂、引气剂和辅助剂组成。可以根据混凝土原材料组成、配合比、工作性要求和环境温等参数实现CSP的组成和配方设计。CSP对水泥适性问题与水泥的矿物组成、含碱量、可溶性SO3含量、比表面积、颗粒组成和形貌，矿物细掺料的品种和掺量，以及混凝土的原材料和配合比有关。解决水泥适应性问题必须针对不同水泥混凝土建立相应的CSP配方体系。作者研发的”复合超塑化剂(CSP)配方设计软件”将使CSP配方设计和解决适应性问题变得简单、快捷、精确和智能化。【关键词】：商品混凝土、复合超塑化剂(CSP)、配方设计、软件、水泥适应性。1.商品混凝土对外加剂品种和性能的要求商品混凝土预料站生产不同强度等级(C10～C80)的各种品种现代混凝土，其中包括：高性能混凝土、高强混凝土、流态混凝土、泵送混凝土、防渗抗裂大体积混凝土、水下浇筑混凝土、自密实自流平混凝土等。配制这些现代混凝土、必须采用各种复合超塑化剂(CSP)。其中包括：缓凝减水剂和高效缓凝减水剂、泵送剂和高效泵送剂、缓凝引气减水剂和高效缓凝引气减水剂、多功能复合防水剂、复合防冻剂和超缓凝减水剂等。为了满足商品混凝土性能和施工工艺的要求，CSP必须具备以下功能：减水率应满足初始坍落度18cm～24cm的要求，减水率变化范围15%～35%。能有效控控制坍落度损失，满足运输、泵送、浇筑和自密实自平工艺要求。新评混凝土的工作性好：泌水小、抗离析、稳定性好、保持流动性和粘聚性平衡。有效控制水泥水化过程，降低水泥水化初期放热，防止温度应力裂缝的产生。早强增强，提前折模、提前张拉、加快施工速度。提高混凝土耐久性，满足特殊性能的要求。液体产品，浓度30%～40%，对环境和混凝土本身不产生有害影响。商品混凝土选用外加剂的准则是根据工程设计的混凝土类型、强度等级、抗渗等级、运输距离、泵送高度、浇筑条件和环境温度等因素。因此、正确选用外加剂是决定混凝土性能和施工质量的关键问题。表1中列举了不同类型的混凝土所需外加剂品种和主要成分。表1商品混凝土类型及其所用外加剂品种和主要成分混凝土类型外加剂品种主要成分高性能混凝土高效缓凝减水剂高效减水剂、缓凝剂、NR3等高强混凝土高效缓凝减水剂高效减水剂、缓凝剂等流态混凝土高效缓凝减水剂，高效缓凝引气减水剂高效减水剂、缓凝剂、保水剂等高效减水剂、缓凝剂、引气剂、稳泡剂等泵送混凝土高效泵送剂高效减水剂、木质素磺酸盐、缓凝剂等防渗抗裂混凝土复合高效缓凝减水剂高效减水剂、缓凝剂、膨胀剂等水下浇筑混凝土高效缓凝减水剂高效减水剂、缓凝剂、增稠剂等自密实混凝土高效缓凝减水剂高效减水剂、缓凝剂、增稠剂、NR3等冬期施工混凝土高效复合防冻剂高效减水剂、缓凝剂、复合防冻剂2.复合超塑化剂(CSP)的配方设计商品混凝土应用的复合超塑化剂(CSP)不同于一般的高效减水剂，它在满足大的初始坍落度要求时，还能控制坍落度损失，减小泌水和离析。因为商品混凝土首先必须其有好的工作性，否则不能进行正常施工。通常CSP的主要成分应包括高效减水剂、缓凝剂、引气剂、稳定剂等。复合超塑化剂的组成和掺量取决于胶凝材料的组成和混凝土配合比。在相同原材料构成系列(C20～C60)流态混凝土时，因为用水量的变化较大，所以CSP的掺量变化范围也较大。但是、对于一定的混凝土体系所要求的缓凝组分的成分和剂量是相对固定的。这样、在变化的掺量与相对固定的缓凝组分之间产生了矛盾。外加剂生产厂为了满足工程应用的要求需频繁调整外加剂配方是为了解决这种矛质。CSP配方设计是针对一定的混凝土体系的，能较好地解决这种"变化与固定"的矛盾，得到适应性好的CSP配方。而作者新近研发的”复合超塑化剂(CSP)配方设计软件”(中国版权局计算机软件著作权受理号200519496)使得调整配方的复杂过程变得简单、快捷、精确和智能化。配方设计参数

CSP配方设计参数是由商品混凝土的原料性质、配合比、施工工艺和环境温度等确定的。(1)CSP的减水率(η)－取决于FLC或HPC的用水量、基准混凝土用水量和初始坍落度值。式中：W－FLC的用水量(kg/m3)W0－坍落度7cm～9cm的基准混凝土用水量，与石子最大粒径有关

Δη－坍落度从7～9cm提到16～24cm所需的减水率增量

Δη＝0.005×Slo－0.04Slo－配制混凝土的初始坍落度16～24cm。(2)CSP的掺量(μ)试验证明，中国的萘系高效减水剂(如UNF-5)掺1.0％时，其减水作用相当于MT-100掺0.75%的效果。CSP(浓度40％)掺量≤1．5％时，减水作用相同时，其掺量相当于UNF掺量的60％；CSP掺量>1．5％时为66%。根据CSP的掺量与等效减水系数(Mt)及减水率的关系：当μ≤1.5%时：当μ＞1.5%时：(3)等效缓凝系数(Nt)等效缓凝系数(Nt)是以掺0.10％的蔗糖的相对初凝时间为1.0时，其他缓凝剂的相对初凝时间与其之比值：

T=(t0－t1)/t0－－(3-1)

Nt=T/T0(3-2)式中：t0—不掺外加剂时水泥的初凝时间(h)t1—掺一定量缓凝剂时水泥的初凝时间(h)

T—掺缓凝剂时的相对初凝时间T0—掺0.10％蔗糖时的相对初凝时间Nt一等效缓凝系数。Nt的变化规律Nt值取决于HPC或FLC的胶凝材料组成和环境温度(见表5)，CSP的Nt值为所有缓凝组分的Nt的总和，即Nt=∑(Nt)i。水泥(C)：Nt=Nt0C+FA；Nt=0.65Nt0C+UEA：Nt=1.10Nt0C+FA+UEA；Nt=0.65x1.10Nt0=0.715Nt0温度对Nt值的影响：

Nt2=(1+0.06Δ)Nt1ΔT=T2一T1

式中：Nt1－温度T1时的等效缓凝系数

Nt2－温度T2时的等效缓凝系数(4)凝结时间差(Δt)各种缓凝剂不但缓凝作用不同，而且对水化速度也不相同。因此除了设置等效缓凝系数之外，还需设置第二个参数，即凝结时间差：

Δt=t2－t1式中：t1－掺一定量缓凝剂时混凝土的初凝时间(h)t2－相同条件下的终凝时间(h)Δt－凝结时间差(h)在掺量相同时Δt：STPP<PN<LM<TA。根据这四个参数：η，Mt，Nt，Δt，可以确定用于FLC,HPC的CSP的组成及掺量，实现CSP配方设计。配方设计步骤(实例)A种52.5R硅酸盐水泥，掺18％粉煤处，碎石大粒径25mm，中砂Mx=2.80，掺CSP配制C60HPC。初始坍落度22cm，90分后大于18cm，泵送浇筑梁柱，要求提前脱模，早强。混凝土配合比见表2。CSP配方计算(1)CSP的减水率(2)CSP掺量

μ=9.17η=9.17×25.5%=2.34％(按2.35％计算配方)(3)CSP的Nt值在20℃时，A种水泥掺FA时Nt=0.40。那么，气温25℃时：Nt=(1+0.06×5)×0.40=0.52(4)Δt

由于要求提前脱模、早强，因而选择Δt小的STPP缓凝剂控制坍落度损失。(5)CSP的配方

CSP的有效成分：NF+STPP=2.35%×0,40=0.94%STPP的Nt=0.52时其掺量为水泥重量的0.055%，那么NF的掺量为0.94%－0.055=0.885%。CSP配方：NF0.885%STPP0.055%W1.410%Σ2.350%

掺量2.35%(6)计算结果与试配表2C60HPC试配结果表2中列举了C60HPC的混凝土试配结果，说明全计算法配合比设计和CSP配方设计相结合能精确计算混凝土配合比及其复合超塑化剂配方。CSP配方设计可用于缓凝减水剂、缓凝高效减水剂、超缓凝高效减水剂、高效泵送剂、高效引气减水剂等的配方计算，并且可用于外加剂系列产品的配方设计。CSP配方设计的研究、开发和应用已经近10年，取得了良好的技术经济效益。3.CSP对水泥的适应性3.1..高效减水剂对水泥的适应性高效减水剂对水泥的适应性是通过坍落度损失程度判断的。高效减水剂在低水灰比的混凝土中一个突出的问题是不同程度上存在坍落度损失快：而在另一些情况下，水泥和水接触后，在开始60～90分钟内，大坍落度仍能保持，没有离析和泌水现象。前者，外加剂和水泥是不适应的，后者是适应的。适应性取决于水泥矿物组成(主要是C3A、C3S)、可溶SO3和碱含量。(1)适应性好(充分兼容)：高可溶SO3和高碱量水泥;(2)适应性稍差(兼容稍差)：中等可溶性硫酸盐和碱含量的水泥;(3)不适应(不兼容)：可溶性硫酸盐少和低碱水泥。最佳可溶性碱量为0.4%—0.6％。3.2.外加剂.对水泥早期水化放热过程的影响掺外加剂能控制水泥早期水化过程(预诱导期和诱导期)，使诱导期延长，这样就能减小坍落度损失。根据这一观点能延长水化诱导期的不仅是缓凝剂，而且可以是早强剂和特殊高分子化合物。3.3.坍落度损失与“欠硫化”现象的关系某些硅酸盐水泥配制流态混凝土时，用调整复合超塑化剂中缓凝剂的掺量和品种的方法不能控制坍落度损失，即使缓凝组分超剂量掺用坍落度损失仍然较快，我们将此种情况称为“欠硫化”现象。产生“欠硫化”现象的原因是由于水泥中可溶性SO3的含量不足，或外部因素使石膏溶解度降低，破坏了SO3与C3A和碱含量的平衡，使水泥凝结较快,浆体很快失去流动性。产生这种“欠硫化”现象的原因是：(1)CSP降低了石膏的溶解度，使SO3不足;(2)最佳石膏量是在W/C=0.50时经强度和干缩试验确定的，而掺CSP配制FLC时水胶比一般小于0.50，因此使SO3总量减小;(3)掺含碱量高的外加剂改变了石膏与C3A的平衡。采用高浓萘系高效减水剂配制CSP，使坍落度损失加快，而改用低浓萘系高效减水剂配制的CSP，坍落度损失减小。因为低浓萘系高效减水剂中硫酸钠含量高(20％左右)，补充SO3的不足。另外，CSP中含增加石膏溶解度或代替石膏作用的辅助剂，也可以减小坍落度损失。因此为了避免欠硫化现象的产生，CSP应由高效减水剂、缓凝剂和辅助剂组成。影响CSP对水泥适应性的因素比较复杂，同一配方的CSP在不同胶凝材料体系中可以得到相反的结果。我国水泥的成分和品种变化复杂，因此必须针对胶凝材料的变化建立相应的CSP配方体系才能解决水泥适应问题。作者研发的”复合超塑化剂(CSP)配方设计软件”具有这种功能。它包含四个不同体系的CSP配方计算器，提供了解决