淺談混凝土早強劑及其技術發展
時間:2018-01-30 16:52:00 點擊:


山西康力建材有限公司 技術部:李 磊


摘要

早強劑對混凝土各種性能的影響很大,本文針對早強劑的類型和對混凝土性能的提升作用,闡述其在土木工程應用中的發展和影響,以及未來的發展前景。

關鍵詞:

早強劑、混凝土性能、類型、作用、機理、發展前景。

正文

為了加強工程進度,滿足縮短建設周期的需求,對混凝土通常采用的措施為摻入早強劑。

早強劑是一種加速混凝土早期強度發展的外加劑,多用于冬季施工或緊急搶修工程以及要求加快混凝土強度發展的情況,應用十分廣泛。在工程中對于一般早強劑的要求有:顯著提高早期強度,凝結時間不宜太短,且對后期強度及耐久性等方面基本無影響等等。

混凝土早強劑是外加劑發展歷史中早使用的外加劑品種之一。到目前為止,人們已先后開發除氯鹽和硫酸鹽以外的多種早強型外加劑,如亞硝酸鹽,鉻酸鹽等,以及有機物早強劑,如三乙醇胺、甲酸鈣、尿素等,并且在早強劑的基礎上,生產應用多種復合型外加劑,如早強減水劑、早強防凍劑和早強型泵送劑等。這些種類的早強型外加劑都已經在實際工程中使用,在改善混凝土性能。提高施工效率和節約投資成本方面揮了重要作用。

1.分類與品種

早強劑按照其化學組成成分,可分為無機早強劑和有機早強劑兩大類,或可分為強電解質無機鹽類、水溶性有機物類、有機類和無機物復合的復合早強劑三類。常用的早強劑有:氯鹽早強劑、硫酸鹽早強劑、三乙醇胺復合早強劑等等。除上述前兩類有機無機早強劑單獨使用外,工程中往往使用復合早強劑。早強劑按其功能可分為早強劑、早強減水劑,及早強高效減水劑。早強劑主要是提高混凝土早期強度,不具有減水功能,對后期強度影響不大;早強減水荊,具有提高混凝土早期強度和減水功能,對后期強度和耐久性有所提高;早強高效減水劑,能顯著提高混凝土的早期強度、和易性和后期強度與耐久性。

   2.作用機理

不同的早強劑或相同的早強劑摻入不同品種的水泥混凝土中,其作用不完全相同,這里僅取幾種早強劑為代表分析其作用原理。

氯鹽系早強劑:

作用機理主要是氯化物與水泥中的3CA的作用,生成不能溶于水的水化氯鋁酸鹽,能加速水泥中3CA的水化。氯化物與水泥水化所形成的氫氧化鈣生成不易溶于水的氯酸鈣,降低液相中氫氧化鈣的濃度,加速3CS的水化速度,并且生成的復鹽增加了水泥漿中固相的體積,形成內部的骨架體系,有利于水泥石結構的形成。同時,由于氯化物多為易溶性鹽類,具有鹽的效應,可促進硅酸鹽水泥熟料礦物的溶解速度,加快水化反應進程,從而加速混凝土拌合料的硬化速率,提高混凝土的早期強度。

硫酸鹽系早強劑:如無水硫酸鈉,溶解于水中與水泥水化產生的氫氧化鈣作用,生成氧化鈣和硫酸鈣。這種新生成的硫酸鈣的顆粒極細,活性比摻硫酸鈣要高的多,因而與3CA反應生成水化硫鋁酸鈣的速度要快得多。而氫氧化鈉是一種活性劑,能夠提高3CA和石膏的溶解度,加速水泥中硫鋁酸鈣的數量,導致水泥凝結硬化和早期強度的提高。但是硫酸鹽早強劑對混凝土中的鋼筋有一定的腐蝕作用,包括氯鹽的早強劑,而且衰減水泥砂漿后期的強度,所以現在的氯鹽、硫酸鹽早強劑的用量逐漸減少。

3.早強劑對混凝土性能的影響

(1)對混凝土拌合物的影響

早強劑一般能縮短混凝土的凝結時間,但當水泥中鋁酸三鈣含量較低或鋁酸三鈣含量比石膏含量低時,硫酸鹽會延緩水泥的凝結時間。早強劑一般不增加混凝土中的含氣量,早強減水劑的含氣量由減水劑的含氣量決定,如與糖鈣減水劑復合,含氣量不增加,與木鈣減水劑復合,含氣量則增加明顯。

   (2)對混凝土的影響

強度

早強劑可以提高其早期強度;同種早強劑其提高的程度取決于早強劑的摻量、環境溫度、養護條件、W/C和水泥品種。對混凝土長期強度的影響并不一致,有高也有低。早強劑在合理的摻量范圍內效果較好,但摻量較大時,對混凝土的后期強度及耐久性等會有不利的影響。早強減水劑同樣也有較好的早強效果,且早強減水劑性能優于早強劑,對后期強度變化可以控制。

三乙醇胺類可激發水泥的早強作用,它能加快鋁酸三鈣的水化,但延緩硅酸三鈣及硅酸二鈣的水化,摻量過大會使混凝土強度下降。

耐久性

硫酸鹽系早強劑對鋼筋無銹蝕影響,但氯化物早強劑中含有大量的氯離子,對鋼筋的銹蝕有促進作用,摻量較大時,還會降低混凝土的抗化學侵蝕性、耐磨性、抗凍融能力等,并且降低混凝土的抗折強度,增大混凝土的早期收縮,對混凝土的后期影響不大。目前國家新標準規定中,已經禁止使用帶氯化物的外加劑。為防止氯鹽對鋼筋銹蝕影響,常將阻銹劑和氯鹽復合使用。當使用硫酸鹽早強劑時,由于增加了混凝土液相中的堿度,因此應注意當集料中含有活性二氧化硅時,會促使堿與集料反應的發生,引起混凝土因堿性膨脹而破壞的問題。三乙醇胺會增大混凝土的收縮,摻量大于0.05%時,會使后期強度降低,摻量越大降低越多。早強減水劑由于有減水劑的作用,可以彌補早強劑的缺陷,使混凝土的內孔微觀結構改變,密實性提高,從而使混凝土的抗凍融性及抗摻性、抗壓、抗折、彈性模量及鋼筋粘接均有提高,在合理的摻量范圍內,對鋼筋銹蝕無不利影響,早期收縮略有增大,在我國得到了廣泛的應用。

抗滲性

經大量試驗表明,硫酸鹽系列早強劑能提高混凝土的抗滲性。

形變

早強劑對混凝土的形變(干縮)一般影響不大。

4.傳統外加劑質量的優點與缺陷

(1)氯鹽系早強劑

氯鹽系早強劑成分主要是氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀、氯化鋁等。單從早強效

果而言,氯化物系是效果佳的早強劑用料,也是建筑工程中應用早的早強劑。但由于氯離子濃度增大,使混凝土中的鋼筋與氯離子之間形成較大的電極電位,這就容易使鋼筋產生銹蝕,故不能應用于鋼筋混凝土結構工程中。因此,該類早強劑的應用有很大的局限性,凡是有鋼筋的混凝土結構體不允許使用,如前所述,現行混凝土施工及驗收規范已明確規定并限制了它的使用范圍。

(2)硫酸鹽系早強劑

硫酸鹽系早強劑主要是以硫酸鈉,硫酸鈣、硫酸鋁及硫酸鉀等材料。應用多的是硫酸鈉早強劑,國內在上世紀70年代初即研制開發并廣泛應用。硫酸鈉早強劑在較低環境溫度條件下和早期強度發展較緩慢的水泥的使用效果是明顯的,且后期的強度有較大幅度的提高。不僅在常溫及低溫環境下能加快強度的增長,就是在蒸氣養護條件下也可提高混凝土的強度。但隨著水泥標準的進一步修訂及提高,國內的水泥生產逐漸與國際接軌,新技術燒制的水泥熟料強度有很大的提高,同時水泥中混合料的摻入比例也相應減少,出現硫酸鈉早強劑對此類水泥不起早強的作用。這主要是由于硫酸鈉的早強效應在激發活性混合料的活性、加速火山灰反應方面更加強烈,而對純熟料硅酸鹽水泥激發、活化和早強效果則較低。除硫酸鈉早強劑對新標準水泥的早強效果較低外,硫酸鈉早強劑中的鈉、鉀離子對結構也有一定的危害,甚至導致堿—集骨料反應。因此,這在很大程度上限制了此類早強劑的大量使用。

(3)有機系列早強劑

有機系列早強劑產品主要是三乙醇胺、三異丙醇胺、甲醇、乙醇等,其常用的是三乙醇胺。三乙醇胺對水泥水化作用影響的真正作用機理還不是很清楚。在許多的工程應用實際中,人們感覺到三乙醇胺早強劑的早強效果不是很理想,由于摻量很少、難以準確掌握,如控制不好,摻量加大,反而會使混凝土緩凝,強度受到嚴重影響。

5.早強劑的發展前景

由于常用的傳統型混凝土早強劑本身缺陷讓國內外很多混凝土科技工作者已重視到此類早強劑對混凝土存在較嚴重的質量后果,使研制開發無氯離子和鈉、鉀早強劑變成亟待解決的問題。因此,混凝土科技研究工作者正在致力于開發新型的早強劑產品,例如鈣鹽的早強作用開發,對有機和無機復合型早強作用的探討,有早強功能的高價陽離子性能及作用的研發,晶胚物質用于早強劑等方向的研究正在進行著。

目前雖然很多混凝土科技工作者已注意到氯鹽及鈉(鉀)系早強劑的缺點并

已著手進行新型早強劑的開發,但適應性較強、作用效果較好、且成本低廉的無氯離子和無鈉(鉀)早強劑尚未有定型產品問世。而工程上對該種產品有大量需求。因此,無氯離子和鈉、鉀系混凝土早強劑的研發前景極其廣闊。


結語

經過介紹早強劑的目前類型及作用機理,了解傳統早強劑的優點和缺陷后,我們可以看到,早強劑在土木工程材料中的發展和應用,并通過接觸當下新型早強劑在解決舊有問題方面的研究,明確了未來混凝土早強劑的發展目標,對我們這些未來的工程師來說充滿了挑戰。


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