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复合型促凝剂对水泥凝结时间的影响研究new

添加日期:2016/2/24 11:26:46   作 者:吴佳  来源:   浏览次数:

 摘要:

 本文主要叙述了不同促凝剂对水泥凝结影响的机理,并通过实验探究不同促凝剂复配物对凝结时间的影响程度,寻找最佳复配方案,最后通过实验数据分析得出复配结论。

 

关键词:促凝剂;复配;凝结时间

 

1 前言

 

1.1 促凝剂定义

促凝剂是一种用于建筑砂浆、建筑混凝土中的添加剂,也可作为石油、天然气开采加工助剂。特别适合用于水泥制品的下水管、隔热层,水泥预制件及水泥道路修补等要求快速凝固和加快模具利用周转的项目。该产品具有对水泥制品速凝、促凝、早强、操作性能好等特点,能显著加快水泥的硬化速度,缩短凝结时间,提高水泥制品的早期强度。

1.2 水泥凝结硬化机理

水泥的凝结是指水泥加水拌合后,成为塑性的水泥浆,其中的水泥颗粒表面矿物开始在水中溶解并与水发生水化反应,水泥浆逐渐变稠并有塑性,但还不具有强度的过程。硬化是指凝结的水泥浆体随着水化的进一步进行,开始产生明显的强度并逐渐发展成为坚硬水泥石的过程。一般按水化反应速率和水泥浆体的结构特征,硅酸盐水泥的凝结硬化过程可分为:初始反应期、潜伏期、凝结期、硬化期4个阶段。      

1)、初始反应期。水泥与水接触后立即发生水化反应,在初始的5-10min内,放热速率剧增,可达此阶段的最大值,然后又降至很低,这个阶段称为初始反应期。

2)、潜伏期。在初始反应期后,有相当长一段时间,水泥浆的放热速率很低,这说明水泥水化十分缓慢。这主要由于水泥颗粒表面覆盖了一层以水化硅酸钙凝胶为主的渗透膜层,阻碍了水泥颗粒与水的接触。在此期间,由于水泥水化产物数量不多,水泥颗粒仍呈分散状态,所以水泥浆基本保持塑性。

3)、凝结、硬化期。在潜伏期后由于渗透压的作用,水泥颗粒表面的膜层破裂,水泥继续水化,放热速率又开始增大,6h内增至最大值,然后又缓慢下降。在此阶段,水化产物不断增加并填充水泥颗粒之间的空间,随着接触点的增多,形成了由分子力结合的凝聚结构,使水泥浆体逐渐失去塑性,这一过程称为水泥的凝结。

4)、在凝结后期,放热速率缓慢下降,至水泥水化24h后,放热速率已降到一个很低值,此时,水泥水化仍在继续进行,水化铁铝酸钙形成;由于石膏的耗尽,高硫型水化硫铝酸钙转变为低硫型水化硫铝酸钙,水化硅酸钙凝胶形成纤维状。在这一过程中,水化产物越来越多,它们更进一步的填充孔隙且彼此间的结合亦更加紧密,使得水泥浆体产生强度,这一过程称为水泥的硬化。硬化期是一个相当长的时间过程,在适当的养护条件下,水泥硬化可以持续很长时间,几个月、几年、甚至几十年后强度还会继续增长。

需要注意的是:水泥凝结硬化过程的各个阶段不是彼此截然分开的,而是交错进行的。

1.3 水泥凝结时间的定义和意义

水和水泥混合后,从最初的可塑状态逐渐成为不可塑状态,要经历一定的时间,水泥的凝结时间就是这种过程时间长短的一种定量的表示方法。它以标准试针沉入标准稠度水泥净浆达到一定深度所需的时间来表示,并分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是指从水泥全部加入水中到水泥浆开始失去塑性所需的时间。终凝时间是指从水泥全部加入水中到完全失去塑性所需的时间。

水泥凝结时间的长短对水泥混凝土的施工有着重要意义。初凝时间太短,不利于整个混凝土工序的正常进行;但终凝时间过长,又不利于混凝土结构的形成、模具的周转,以及会影响到养护周期时间的长短等。因此,水泥凝结时间要求初凝时间不宜过短,终凝时间不宜过长。准确测定水泥凝结时间,不但反映了水泥质量是否符合有关技术要求,而且为施工单位决定现场施工进度提供了必要的信息。因此检验水泥的凝结时间的准确性至关重要。

1.4 几种影响水泥凝结时间的促凝剂

1) 三乙醇胺TEA  一种常用的有机化合物早强剂,是一种表面活性剂,掺入水泥混凝土中,在水泥水化过程中起催化剂的作用,它能够加速C3A的水化和钙矾石的形成。它的特点在于:

①、用量小:只有水泥用量的万分之几,即有明显的早强作用。并与某些无机早强剂复合使用能达到事半功倍的效果,因而有早强催化剂的美誉。

②、适应温度范围广:从-5+90℃均有同样早强作用,因而不仅在冬季施工,而且在混凝土蒸养工艺中也有广泛采用。

③、不锈蚀钢筋:三乙醇胺是弱碱性物质,而且不含氯离子,因此对钢筋无不良作用。

④、不影响后期强度:三乙醇胺在适合掺量范围内使用不但能大幅度提高混凝土早期强度,而且28天强度仍有显著增加。

2) 硫酸铝  传统的促凝剂大多以碳酸盐、铝酸盐和硅酸盐为主,碱性高;腐蚀性强,对工人的眼镜和皮肤造成伤害;强碱的存在,很易引发碱骨料反应,使集料和浆体界面发生劣化,吸水后产生膨胀,使混凝土的结构遭到破坏,耐久性变差。新型的促凝剂要求碱含量很低或无碱。国内外学者对此有过很多研究,试图在促凝剂中添加一些其他成分,或者寻求其他物质来替代碱金属盐。其中,由于硫酸铝不含碱,且对水泥水化有一定的促进作用,是一种理想的碱金属盐的替代品,已成为配制促凝剂的主要促凝成分。很多学者对用硫酸铝配制促凝剂做过许多研究,也研制了一些性能较好的促凝剂品种。

3) 自制促凝剂MA

 

2 试验设计、方法和材料

 

2.1 样品配制

     将自制的促凝剂MA分别与三乙醇胺和硫酸铝都按64的配比配成20%的工作液。

2.2 水泥凝结时间的测定

2.2.1  原材料、仪器及设备

水泥(海螺P.042.5),水泥净浆搅拌机,电子称,标准稠度与凝结时间测定仪等。

2.2.2  实验步骤

1)将仪器滑动杆下端装上试针,试针应垂直,表面光滑,将试模润湿放在玻璃板上备用。

2)制作一定水灰比及外加剂掺量的水泥净浆后立即一次装入试模,振动数次刮平,用湿布覆盖。

3)初凝时间的测定:测定时,取出圆模放到试针下,使试针与净浆表面接触拧紧螺丝12秒后突然放松,试针垂直自由沉入净浆,观察试针停止下沉时指针读数,当试针沉入距底板(6±1mm时,即为水泥达到初凝状态。

4)终凝时间的测定:在完成初凝时间测定后,立即将试模连同浆体以平移的方式从玻璃板取下,翻转180度,直径大端向上,小端向下放在玻璃板上,再盖上湿布继续养护。换上带环形附件的针头,当环形附件开始不能在试件上留下痕迹时,为水泥达到终凝状态。

 

3 试验结果

 

3.1 不同水灰比及不同掺量的MA对水泥凝结时间的影响

1不同水灰比及不同MA掺量下的水泥凝结时间

 

基准

MA=10(20%)

掺量(%

 

1.0

3.0

5.0

7.0

9.0

W/C

0.3

初凝时间(min

265

245

207

199

200

243

终凝时间(min

506

357

436

486

366

305

 

掺量(%

基准

1.0

3.0

5.0

7.0

9.0

W/C

0.25

初凝时间(min

153

131

118

106

115

123

终凝时间(min

254

207

212

240

203

152

 

掺量(%

基准

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

W/C

0.4

初凝时间(min

507

488

479

462

470

480

终凝时间(min

651

547

590

632

621

608

3.2      MA与三乙醇胺复配对水泥凝结时间的影响

2  MA与三乙醇胺复配物在不同掺量下的水泥凝结时间

 

基准

MA:三乙醇胺=6420%

掺量(%

 

1.0

3.0

5.0

7.0

9.0

W/C

0.4

初凝时间(min

462

429

418

396

435

444

终凝时间(min

610

529

574

593

578

566

 

3.3      MA与硫酸铝复配对水泥凝结时间的影响

表于3  MA与硫酸铝复配物在不同掺量下的水泥凝结时间

 

基准

MA:硫酸铝=6420%

掺量(%

 

1.0

3.0

5.0

7.0

9.0

W/C

0.4

初凝时间(min

374

354

333

318

328

344

终凝时间(min

479

463

458

432

454

458

 

4 结果讨论

 

1、通过表1,可以发现在同水灰比情况下,初凝时间随掺量的增大先增加后减小,终凝时间随掺量的增大先减小后增加。在提高水灰比时,初凝时间和终凝时间的变化变小。原因可能是MA在掺量5%时对水泥中铝酸三钙水化的促进作用最大,但同时对硅酸三钙的水化产生一定的阻碍作用。至于提高水灰比,对水泥凝结时间的影响变小,原因可能是水灰比越大,产生的毛细孔隙越多,水泥浆体越不密实,硬化强度越低。因此,水灰比直接影响硬化水泥浆体的孔隙率,并且与水泥的凝结时间密切相关。

2、通过表2,可以发现MA与三乙醇胺的复配对水泥凝结时间影响随着掺量的增大先减小后增加,在5%掺量时初凝时间最短,原因可能是掺量较小时,三乙醇胺能够促进铝酸三钙的水化,加速石膏与铝酸盐之间的反应,同时络合反应降低了也相中的钙离子、铝离子的浓度,进一度又可促进硅酸三钙的水化,使水泥浆体凝结加快;但当掺量达到足够大时,三乙醇胺被吸附在水泥熟料表面抑制了硅酸三钙的水化,凝结被延缓。

3、通过表3,可以发现随着硫酸铝掺量的提高,水泥初凝时间和终凝时间都减少。原因在于硫酸根离子和钙离子反应生成次生石膏,其比水泥中原有石膏的活性大,更易于与铝酸三钙反应生成钙矾石。硫酸铝与液相中的氢氧化钙可以直接反应生成钙矾石,而不需要铝酸三钙的参与,此种钙矾石形成于水泥浆体的原冲水空间,不同于铝酸三钙水化生成钙矾石的位置。反应生成的氢氧化铝一般不能稳定存在,也会与氢氧化钙反应生成钙矾石。铝离子还能加速C-S-H凝胶离子的凝聚作用,加速硅酸三钙的水化。各反应消耗氢氧化钙,促进硅酸三钙的水化。较多的钙矾石交叉联结成网络,形成水泥浆体的骨架,同时水化硅酸钙凝胶填充期间,促进了水泥浆体的凝结。

 

5 结论

 

1MA掺量不宜过多或过少,当MA掺量为5%时对加快初凝效果最好。

2MA与三乙醇胺复配时,三乙醇胺掺量不宜过多,在选择合适的掺量后,效果要比单独掺MA的促凝效果要好。

3MA与硫酸铝复配时,效果比前两者要好,但是考虑到铝离子的易水解性使得用硫酸铝配制的促凝剂不可避免的存在稳定性的问题,因此选择合适的搭配者也需要进一步研究改善。

 

参考文献

 

[1]  田卿燕,黄政宇.早强混凝土的性能研究【J.混凝土,2000,(2):27-30.

[2]  王玲.我国混凝土外加剂行业的发展现状与机遇【J.混凝土世界,20096):8-13.

[3]  王瑞海.《水泥化验室适用手册》.中国建材工业出版社出版,2008.12.

[4]  GB/T1346-2012《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》.

 


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