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  • 浅谈混凝土早强剂及其技术发展
    时间:2018-01-30 16:52:00 点击:


    山西康力建材有限公司 技术部:李 磊


    摘要

    早强剂对混凝土各种性能的影响很大,本文针对早强剂的类型和对混凝土性能的提升作用,阐述其在土木工程应用中的发展和影响,以及未来的发展前景。

    关键词:

    早强剂、混凝土性能、类型、作用、机理、发展前景。

    正文

    为了加强工程进度,满足缩短建设周期的需求,对混凝土通常采用的措施为掺入早强剂。

    早强剂是一种加速混凝土早期强度发展的外加剂,多用于冬季施工或紧急抢修工程以及要求加快混凝土强度发展的情况,应用十分广泛。在工程中对于一般早强剂的要求有:显著提高早期强度,凝结时间不宜太短,且对后期强度及耐久性等方面基本无影响等等。

    混凝土早强剂是外加剂发展历史中早使用的外加剂品种之一。到目前为止,人们已先后开发除氯盐和硫酸盐以外的多种早强型外加剂,如亚硝酸盐,铬酸盐等,以及有机物早强剂,如三乙醇胺、甲酸钙、尿素等,并且在早强剂的基础上,生产应用多种复合型外加剂,如早强减水剂、早强防冻剂和早强型泵送剂等。这些种类的早强型外加剂都已经在实际工程中使用,在改善混凝土性能。提高施工效率和节约投资成本方面挥了重要作用。

    1.分类与品种

    早强剂按照其化学组成成分,可分为无机早强剂和有机早强剂两大类,或可分为强电解质无机盐类、水溶性有机物类、有机类和无机物复合的复合早强剂三类。常用的早强剂有:氯盐早强剂、硫酸盐早强剂、三乙醇胺复合早强剂等等。除上述前两类有机无机早强剂单独使用外,工程中往往使用复合早强剂。早强剂按其功能可分为早强剂、早强减水剂,及早强高效减水剂。早强剂主要是提高混凝土早期强度,不具有减水功能,对后期强度影响不大;早强减水荆,具有提高混凝土早期强度和减水功能,对后期强度和耐久性有所提高;早强高效减水剂,能显著提高混凝土的早期强度、和易性和后期强度与耐久性。

       2.作用机理

    不同的早强剂或相同的早强剂掺入不同品种的水泥混凝土中,其作用不完全相同,这里仅取几种早强剂为代表分析其作用原理。

    氯盐系早强剂:

    作用机理主要是氯化物与水泥中的3CA的作用,生成不能溶于水的水化氯铝酸盐,能加速水泥中3CA的水化。氯化物与水泥水化所形成的氢氧化钙生成不易溶于水的氯酸钙,降低液相中氢氧化钙的浓度,加速3CS的水化速度,并且生成的复盐增加了水泥浆中固相的体积,形成内部的骨架体系,有利于水泥石结构的形成。同时,由于氯化物多为易溶性盐类,具有盐的效应,可促进硅酸盐水泥熟料矿物的溶解速度,加快水化反应进程,从而加速混凝土拌合料的硬化速率,提高混凝土的早期强度。

    硫酸盐系早强剂:如无水硫酸钠,溶解于水中与水泥水化产生的氢氧化钙作用,生成氧化钙和硫酸钙。这种新生成的硫酸钙的颗粒极细,活性比掺硫酸钙要高的多,因而与3CA反应生成水化硫铝酸钙的速度要快得多。而氢氧化钠是一种活性剂,能够提高3CA和石膏的溶解度,加速水泥中硫铝酸钙的数量,导致水泥凝结硬化和早期强度的提高。但是硫酸盐早强剂对混凝土中的钢筋有一定的腐蚀作用,包括氯盐的早强剂,而且衰减水泥砂浆后期的强度,所以现在的氯盐、硫酸盐早强剂的用量逐渐减少。

    3.早强剂对混凝土性能的影响

    (1)对混凝土拌合物的影响

    早强剂一般能缩短混凝土的凝结时间,但当水泥中铝酸三钙含量较低或铝酸三钙含量比石膏含量低时,硫酸盐会延缓水泥的凝结时间。早强剂一般不增加混凝土中的含气量,早强减水剂的含气量由减水剂的含气量决定,如与糖钙减水剂复合,含气量不增加,与木钙减水剂复合,含气量则增加明显。

       (2)对混凝土的影响

    强度

    早强剂可以提高其早期强度;同种早强剂其提高的程度取决于早强剂的掺量、环境温度、养护条件、W/C和水泥品种。对混凝土长期强度的影响并不一致,有高也有低。早强剂在合理的掺量范围内效果较好,但掺量较大时,对混凝土的后期强度及耐久性等会有不利的影响。早强减水剂同样也有较好的早强效果,且早强减水剂性能优于早强剂,对后期强度变化可以控制。

    三乙醇胺类可激发水泥的早强作用,它能加快铝酸三钙的水化,但延缓硅酸三钙及硅酸二钙的水化,掺量过大会使混凝土强度下降。

    耐久性

    硫酸盐系早强剂对钢筋无锈蚀影响,但氯化物早强剂中含有大量的氯离子,对钢筋的锈蚀有促进作用,掺量较大时,还会降低混凝土的抗化学侵蚀性、耐磨性、抗冻融能力等,并且降低混凝土的抗折强度,增大混凝土的早期收缩,对混凝土的后期影响不大。目前国家新标准规定中,已经禁止使用带氯化物的外加剂。为防止氯盐对钢筋锈蚀影响,常将阻锈剂和氯盐复合使用。当使用硫酸盐早强剂时,由于增加了混凝土液相中的碱度,因此应注意当集料中含有活性二氧化硅时,会促使碱与集料反应的发生,引起混凝土因碱性膨胀而破坏的问题。三乙醇胺会增大混凝土的收缩,掺量大于0.05%时,会使后期强度降低,掺量越大降低越多。早强减水剂由于有减水剂的作用,可以弥补早强剂的缺陷,使混凝土的内孔微观结构改变,密实性提高,从而使混凝土的抗冻融性及抗掺性、抗压、抗折、弹性模量及钢筋粘接均有提高,在合理的掺量范围内,对钢筋锈蚀无不利影响,早期收缩略有增大,在我国得到了广泛的应用。

    抗渗性

    经大量试验表明,硫酸盐系列早强剂能提高混凝土的抗渗性。

    形变

    早强剂对混凝土的形变(干缩)一般影响不大。

    4.传统外加剂质量的优点与缺陷

    (1)氯盐系早强剂

    氯盐系早强剂成分主要是氯化钠、氯化钙、氯化钾、氯化铝等。单从早强效

    果而言,氯化物系是效果佳的早强剂用料,也是建筑工程中应用早的早强剂。但由于氯离子浓度增大,使混凝土中的钢筋与氯离子之间形成较大的电极电位,这就容易使钢筋产生锈蚀,故不能应用于钢筋混凝土结构工程中。因此,该类早强剂的应用有很大的局限性,凡是有钢筋的混凝土结构体不允许使用,如前所述,现行混凝土施工及验收规范已明确规定并限制了它的使用范围。

    (2)硫酸盐系早强剂

    硫酸盐系早强剂主要是以硫酸钠,硫酸钙、硫酸铝及硫酸钾等材料。应用多的是硫酸钠早强剂,国内在上世纪70年代初即研制开发并广泛应用。硫酸钠早强剂在较低环境温度条件下和早期强度发展较缓慢的水泥的使用效果是明显的,且后期的强度有较大幅度的提高。不仅在常温及低温环境下能加快强度的增长,就是在蒸气养护条件下也可提高混凝土的强度。但随着水泥标准的进一步修订及提高,国内的水泥生产逐渐与国际接轨,新技术烧制的水泥熟料强度有很大的提高,同时水泥中混合料的掺入比例也相应减少,出现硫酸钠早强剂对此类水泥不起早强的作用。这主要是由于硫酸钠的早强效应在激发活性混合料的活性、加速火山灰反应方面更加强烈,而对纯熟料硅酸盐水泥激发、活化和早强效果则较低。除硫酸钠早强剂对新标准水泥的早强效果较低外,硫酸钠早强剂中的钠、钾离子对结构也有一定的危害,甚至导致碱—集骨料反应。因此,这在很大程度上限制了此类早强剂的大量使用。

    (3)有机系列早强剂

    有机系列早强剂产品主要是三乙醇胺、三异丙醇胺、甲醇、乙醇等,其常用的是三乙醇胺。三乙醇胺对水泥水化作用影响的真正作用机理还不是很清楚。在许多的工程应用实际中,人们感觉到三乙醇胺早强剂的早强效果不是很理想,由于掺量很少、难以准确掌握,如控制不好,掺量加大,反而会使混凝土缓凝,强度受到严重影响。

    5.早强剂的发展前景

    由于常用的传统型混凝土早强剂本身缺陷让国内外很多混凝土科技工作者已重视到此类早强剂对混凝土存在较严重的质量后果,使研制开发无氯离子和钠、钾早强剂变成亟待解决的问题。因此,混凝土科技研究工作者正在致力于开发新型的早强剂产品,例如钙盐的早强作用开发,对有机和无机复合型早强作用的探讨,有早强功能的高价阳离子性能及作用的研发,晶胚物质用于早强剂等方向的研究正在进行着。

    目前虽然很多混凝土科技工作者已注意到氯盐及钠(钾)系早强剂的缺点并

    已着手进行新型早强剂的开发,但适应性较强、作用效果较好、且成本低廉的无氯离子和无钠(钾)早强剂尚未有定型产品问世。而工程上对该种产品有大量需求。因此,无氯离子和钠、钾系混凝土早强剂的研发前景极其广阔。


    结语

    经过介绍早强剂的目前类型及作用机理,了解传统早强剂的优点和缺陷后,我们可以看到,早强剂在土木工程材料中的发展和应用,并通过接触当下新型早强剂在解决旧有问题方面的研究,明确了未来混凝土早强剂的发展目标,对我们这些未来的工程师来说充满了挑战。


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