混凝土外加剂与水泥的相容性及其对砼性能的影响分析课件

混凝土外加剂与水泥的相容性及其对砼性能的影响主讲人：杨耀辉

外加剂与水泥的相容性

相容性(compatibility)

是指共混物各组分彼此相互容纳，形成宏观均匀材料的能力。混凝土外加剂对混凝土性能的影响

工作性能力学性能

其他性能一、外加剂与水泥的相容性影响因素相容性相容性不良的影响测试方法1.相容性不良的影响初始流动性差、流动度经时损失快以及浆体稳定性差，施工时不易振实，容易造成“蜂窝”等缺陷，影响混凝土的密实度混凝土均质性差在初凝前易出现粗骨料下降、浆体上浮的分层现象；导致混凝土后期强度下降，并且在受外界环境影响和自身浆体水化影响时不同部分体积变化不同，加剧了混凝土结构的开裂保水性差，造成混凝土离析、泌水四种组成材料在混凝土中所起的作用：砂、石：

骨架作用；抑制混凝土的收缩。水泥＋水→水泥浆：水泥浆在硬化前起润滑作用，赋予拌合物一定的和易性，硬化后将骨料胶结成一个坚实的整体。水泥浆包裹在砂粒的表面并填充砂粒间的空隙而形成水泥砂浆，水泥砂浆又包裹石子表面并填充石子间的空隙，形成混凝土。凝结硬化前：

起填析、润滑、包裹的作用凝结硬化后：

起胶结作用水泥浆砂子石子图1外加剂与水泥相容性良好2.相容性试验方法步骤（1）（2）（3）（4）将玻璃板放置在水平位置，用湿布将玻璃板、截锥形圆模、搅拌机及搅拌锅均匀擦拭，使其表面湿润且不带水滴；将截锥圆模放在玻璃板中央，并用湿布覆盖待用。称取水泥600g，倒入搅拌锅内，加入一定掺量的外加剂（在推荐掺量范围内）与210g的水，搅拌4min。将拌制好的净浆迅速注入截锥形模内，并用刮刀刮平，将截锥形圆模沿垂直方向提起，同时开启秒表计时至30s，取流动部分两个相互垂直方向的最大直径，计算其平均值作为净浆的流动度。保留锅内余下的净浆，30min与60min时，分别测定对应的流动度。按不同的外加剂掺量，重复以上的试验步骤，记录相应的数据。绘制以掺量为横坐标、流动度为纵坐标的曲线，通过曲线分析外加剂掺量与流动度的关系及变化规律。（5）（6）外加剂自身的因素水泥的矿物组成对外加剂的影响水泥熟料中调凝石膏品种的影响水泥细度和颗粒级配的影响水泥的碱含量混合材与外加剂的适应性气温、风力对外加剂的影响骨料的影响主要因素3.影响外加剂与水泥适应性的主要因素（1）外加剂自身的因素外加剂（减水剂）的品种不同、分子结构的不同、聚合度的不同、复配组分的不同等，均会影响其与水泥的适应性。水泥的无机矿物颗粒由于范德化力、不同电荷的静电互相作用、水泥颗粒的表面化学作用，导致粒子形成聚集结构，束缚一部分水，不能用于滑润水泥粒子，也不能立即用于水化。加入高效减水剂等外加剂后，由于吸附作用和电荷斥力，使水泥粒子分散，絮凝结构解体，释放束缚水并阻止粒子的表面相互作用，使水泥浆体的流动增大，其增加的大小与其技术性能及掺量有关。图2混凝土用各种外加剂水泥的矿物组成主要有硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)、铁铝酸四钙(C4AF)等，不同矿物组成主要是由生产水泥的原材料和生产工艺决定的，水泥的矿物组成对外加剂的影响程度依次为：C3A>C4AF>C3S>C2S。C3A水化反应快，早期强度提高快，需水量大。若C3A含量过高(C3A含量>8%)，C3A吸附外加剂的量大，外加剂的作用损失大。原因：C3A和C4AF在水化初期其动电电位（Zeta电位）呈正值，因而较强、较多地吸附外加剂分子（阴离子表面活性剂），而C3S和C2S在水化初期其动电电位呈负值，因而吸附外加剂的能力较弱。水泥中C3A和C4AF的比例越大，则外加剂的分散效果越差。（2）水泥的矿物组成对外加剂的影响（3）水泥熟料中调凝石膏品种的影响水泥生产中需要加入石膏来调节水泥的凝结时间。调凝石膏对外加剂的影响程度依次为：无水石膏>半水石膏>二水石膏。表1中编号1的水泥掺入超塑化剂后，超塑化剂与天然无水石膏相互作用，减少了SO42-离子的溶出量，因而造成水泥浆体流动性的损失；对于编号2的水泥，无论掺加或不掺加超塑化剂，半水石膏和二水石膏均有控制C3A水化的足够的SO42-离子；对于编号3的水泥，由于高含量半水石膏的水化导致假凝，掺入超塑化剂后，降低了半水石膏的水化率，从而改善了浆体的流动性。表1不同形态石膏对水泥流变性能的影响图3水泥比表面积对减水剂塑化效果的影响水泥过细需水量大，会增加外加剂吸附量，外加剂的损失量会增大；过细研磨时水泥的温度高，会使更多的水合石膏分解成无水石膏，无水石膏含量的提高，使水泥与外加剂的适应性变差；若水泥的颗粒级配不好，水泥净浆的泌水率大，水泥与外加剂适应性较差。（4）水泥细度和颗粒级配的影响图3是采用嘉新水泥公司生产的水泥熟料与二水石膏配料进行粉磨后的试验结果。（5）水泥的碱含量水泥的碱含量主要指水泥中Na2O和K2O的含量,通常以Na2O的质量百分数表示。水泥中的碱主要来源于所用原材料，特别是石灰和黏土。碱含量过高（碱含量>0.8%）或碱含量过低（碱含量<0.5%）的水泥，也容易与外加剂产生不适应。含碱量过高或过低的水泥，在加入某些品种的外加剂时，会引起水泥中石膏溶解度的变化，使水泥矿物成分C3A的水化速率加快,使需水量增大,工作度损失也变快。改善措施：掺入粉煤灰、矿粉能够与水泥的水化产物Ca(OH)2

发生二次反应，降低混凝土的碱度，使外加剂与水泥的适应性有所改善。（6）混合材与外加剂的适应性目前，我国80%以上的水泥在粉磨时掺加了一定量的混合材，如火山灰、粉煤灰、矿渣粉、煤矸石和石灰石等。由于混合材的品种、性质和掺量等的不同，外加剂的作用效果存在着较大差异。减水剂对矿渣作为混合材的水泥的塑化效果优于纯硅酸盐水泥，而对火山灰、煤矸石作为混合材的水泥的塑化效果较差。外加剂对掺不同混合材水泥的掺量有较大差异。若粉煤灰过细，也需要多一些的外加剂来分散粉煤灰颗粒。粉煤灰的烧失量越大（即含碳量越大），则需水量越大，对外加剂的影响也越大；碳粒粗大、多孔容易吸水，吸附外加剂的能力强，将使外加剂的掺量增加，特别是对引气剂的影响大。项目技术要求I级II级III级细度(45μm方孔筛筛余)≤(%)F类粉煤灰12.025.045.0C类粉煤灰需水量比≤(%)F类粉煤灰95105115C类粉煤灰烧失量≤(%)F类粉煤灰5.08.015.0C类粉煤灰含水量≤(%)F类粉煤灰1.0C类粉煤灰三氧化硫≤(%)F类粉煤灰3.0C类粉煤灰游离氧化钙≤(%)F类粉煤灰1.0C类粉煤灰4.0雷氏夹沸煮后增加距离≤(mm)C类粉煤灰5.0表2拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术要求F类粉煤灰是指由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰。C类粉煤灰是由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于l0%。（7）气温、风力对外加剂的影响（8）骨料的影响

气温越高、风力越大，混凝土的坍落度损失越大。气温高，水泥水化反应快，外加剂的消耗加快；风力越大，混凝土的水分蒸发越快，加快了水泥颗粒之间的凝聚，混凝土的坍落度损失越大。骨料的影响若骨料的含泥量大，大量的黏土细粒会吸收更多的水分，消耗更多的外加剂，使新拌混凝土和易性变差,容易产生离析，坍落度损失大，还影响混凝土的强度。若砂率偏小，混凝土容易离析、抓底，混凝土坍落度损失大；砂率偏大，过多的砂需要更多的水分润湿，使混凝土坍落度变小，也影响混凝土的强度。若骨料的级配不良，特别是缺少中间粒级的骨料，也容易造成混凝土离析、抓底，混凝土坍落度损失大。有害杂质项目骨料种类配制不同强度等级混凝土时有害杂质限量指标

≥C60C55～C30≤C25含泥量（按质量计，%）砂≤2.0≤3.0≤5.0石子≤0.5≤1.0≤2.0泥块含量（按质量计，%）砂≤0.5≤1.0≤2.0石子≤0.2≤0.5≤0.7硫化物和硫酸盐含量（折算为SO3，按质量计，%）砂≤1.0石子≤1.0有机物含量（用比色法试验）砂颜色应不深于标准色，如深于标准色，应按水泥胶砂强度试验方法进行强度对比试验，抗压强度比应不低于0.95卵石颜色应不深于标准色，如深于标准色，应配制成混凝土进行强度对比试验，抗压强度比应不低于0.95

云母含量（按质量计，%）砂≤2.0轻物质含量（按质量计，%）砂≤1.0针、片状颗粒（按质量计，%）石子≤8≤15≤25表3

骨料中有害杂质含量限值（JGJ52-2011）4.改善措施混凝土的性能不仅取决于减水剂与水泥的性能，还取决于二者的相容性。因此，可以采取以下措施来改善减水剂与水泥的相容性。(1)选择合适的水泥品种。在配制高性能混凝土时，应选择经搅拌只结合少量水的水泥或形成钙矾石比较少的水泥。(2)选择合适的外加剂。外加剂的选择应根据工程设计对混凝土性能的要求而定，如混凝土的强度等级、抗渗性、耐久性、冻融性、弹性模量等。(3)选择合理的减水剂掺合方法。配制混凝土时，可采用后掺法或分批掺加法来掺合减水剂。(4)使用反应性高分子化合物。该化合物在碱性条件下缓慢反应，从而使坍落度经时损失减少。减水剂在水泥混凝土中的作用包括：湿润作用、吸附分散作用、润滑作用等湿润作用

当水泥加水拌合后，水泥浆形成絮凝结构将一部分拌合水包裹在水泥颗粒之间，降低了混凝土拌合物的流动性。二、外加剂对混凝土性能的影响

以减水剂为例，分析其作用机理：B.分散作用：减水剂的憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，使颗粒表面带有相同的电荷，产生斥力使水泥颗粒分开，从而将絮凝结构内的游离水释放出来。C.润滑作用：减水剂还能在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂膜层，阻止了水泥颗粒间的直接接触，在水泥颗粒间起到很好的润滑作用。从以下几个各方面进行分析：影响工作性能坍落度和扩展度表观密度含气量抗压能力抗折能力劈裂抗拉能力力学性能泌水率凝结时间抗碳化性能抗氯离子渗透性能1.坍落度和扩展度混凝土的工作性或称和易性：指新拌混凝土易于成型、捣实表面平整和抵抗离析的能力，而且其中组分也不能在运输或浇注成型过程中产生离析。混凝土工作性是一项综合技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性三方面含义。通常测定的是混凝土的流动性，而粘聚性和保水性则凭经验目测评定。图4混凝土坍落度

不加减水剂聚羧酸萘系

不加减水剂聚羧酸系萘系图5混凝土扩展度坍落度（mm）混凝土类别坍落度（mm）混凝土类别≥160大流动性混凝土10～90塑性混凝土100～150流动性混凝土＜10干硬性混凝土表4不同类型混凝土的坍落度要求2.表观密度掺入减水剂之后，混凝土的表观密度有所增加，其主要原因是外加剂特别是减水剂加入后，减少了混凝土用水量。其次是由于新拌混凝土的粘度降低，流动性增加，易于扩展填充（与不加减水剂相比，掺入外加剂后扩展度大幅度提高），颗粒间的填充更为致密，聚羧酸系列减水剂效果最为明显。此外，混凝土的表观密度还与含气量有关。3.含气量掺外加剂混凝土含气量都有所增加，大部分萘系减水剂能增加1%左右，聚羧酸系列则增加较明显，含气量为2.3%～2.5%，在合理的范围内。其中聚羧酸系的增加最多，可能原因是聚羧酸系减水剂中带有引气成分。混凝土中适当引气有利于混凝土的工作性和耐久性的改善。4.泌水率掺聚羧酸系列的减水剂，很大程度上改善了混凝土的泌水情况。根据减水剂的作用机理，极性分子吸附在水泥颗粒周围，使得颗粒之间相互排斥，减少了絮凝作用，释放被水泥颗粒包裹的水分，同时使水泥颗粒表面的吸附水层变薄，所需的润湿水量大大减少。由此机理，减水剂会使混凝土中的可泌自由水量增加，使泌水增大。另一方面，由于减水剂的减水作用，同样坍落度的混凝土所需的拌和水量大大减少，使混凝土中的可泌自由水量减少。因此，减水剂对泌水的影响应综合这两方面来分析。5.缓凝时间掺加减水剂的混凝土凝结时间都比较长。其中，木钙类缓凝效果最差，萘系减水剂缓凝效果较好，聚羧酸系的缓凝效果最好。萘系与聚羧酸系列的减水剂缓凝效果差别不明显；对于粉剂外加剂来说，由于其在水泥水化过程中不断溶解释出，使得凝结时间比掺加液体外加剂的要长。缓凝剂主要控制凝结时间，缓凝效果最佳。膨胀剂和早强剂的初凝和终凝时间都有所延缓。掺早强剂与膨胀剂混凝土的凝结时间与掺减水剂的混凝土相近。6.力学性能

以C40混凝土进行不同品种外加剂对混凝土工作性的影响规律研究。试验配合比见表5（其中KB为空白组对比试样，MG表示木钙类减水剂，N1、N2表示萘系类减水剂，J1、J2表示聚羧酸减水剂，ZQ表示早强剂，PZ表示膨胀剂）。表5混凝土试验配合比表6掺外加剂混凝土28d的力学性能KB为空白组对比试样，MG表示木钙类减水剂，N1、N2表示萘系类减水剂，J1、J2表示聚羧酸减水剂，ZQ表示早强剂，PZ表示膨胀剂表6

的试验结果表明：(1)在保持水灰比不变的情况下，掺入不同种类减水剂的混凝土的28d抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度以及抗压弹性模量大小规律基本相同，而具体数值有所不同。(2)木钙类减水剂由于具有强的引气作用，当掺量为0.3%时，引气量可达4%，从而使混凝土的后期强度较低。(3)萘系减水剂由于含有Na2SO4成份，起激发增强作用，使得混凝土的早期力学强度和弹性模量值相对较高。与不掺外加剂的混凝土相比，抗压强度增长7.4%~9.1%，抗折强度增长4.5%~16.0%，劈裂抗拉强度增长0~6.1%，抗压弹性模量增长12.5%。(4)聚羧酸系减水剂不含早强组分，且含气量较高，其力学性能的增长率略低于掺萘系减水剂的混凝土，但其具有很好的塑化和分散性，有效地改善了混凝土的力学性能。与不掺外加剂的混凝土相比，抗压强度增长2.6%，抗压弹性模量增长最大值为9.2%。(5)掺入膨胀剂之后，抗折强度、劈裂抗拉强度以及弹性模量都有降低，分析原因可能是掺入膨胀剂之后，水泥用量减少，在没有约束条件下，膨胀率过大，使混凝土内部致密性变差，导致混凝土强度降低。图6减水剂种类对混凝土强度的影响由图6可知，相对于对比组，掺入减水剂之后，混凝土的3d与7d强度增长较为明显，增长幅度在28%~78%之间。这是由于掺入减水剂后，虽然水灰比保持不变，但是用水量却由原来的225kg/m3降到170kg/m3，混凝土的强度有所提高。但是后期28d以及60d强度增长不明显，各组相差不大。7.抗碳