緩凝劑的作用機理及緩凝效果評價方法

  1、緩凝劑的定義及其特點

  緩凝劑是一種能推遲水泥水化反應(yīng)，從而延長混凝土凝結(jié)時間的外加劑。使用緩凝劑可使新拌混凝土在較長時間內(nèi)保持塑性，方便澆注，提高施工效率，同時不會對混凝土后期各項性能造成不良影響[1]。

  對于商品泵送混凝土，或者在夏季高溫環(huán)境下施工的混凝土，采用緩凝劑還可以減少坍落度損失，保證混凝土正常運輸和泵送施工，提高工效，避免材料浪費。對于大體積混凝土，通過添加緩凝劑，還可以降低混凝土絕對溫升，延遲溫峰出現(xiàn)時間，有效避免混凝土溫度應(yīng)力裂縫的產(chǎn)生。

  2、緩凝劑的種類

  緩凝劑種類較多，按其化學成分可分為無機緩凝劑和有機緩凝劑兩大類[2]。

  無機緩凝劑主要包括磷酸鹽、偏磷酸鹽、鋅鹽、硫酸鐵、硫酸銅、氟硅酸鹽和硼砂等。近年來應(yīng)用較為廣泛的無機緩凝劑是磷酸鹽和偏磷酸鹽類緩凝劑[3]。

  有機緩凝劑主要包括以下幾種：

  （1）羥基羧酸、氨基羧酸及其鹽，常見的有檸檬酸、葡萄糖酸、水楊酸等及其鹽。其摻量一般為水泥質(zhì)量的0.005%~0.02%；（2）多元醇及其衍生物。這類緩凝劑的緩凝作用較為穩(wěn)定，受溫度影響較小，摻量一般為水泥質(zhì)量的0.005%~0.02%；（3）糖類，如葡萄糖、蔗糖、糖蜜等及其衍生物。由于其原料廣泛、價格低廉且緩凝作用較穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用，摻量一般為水泥質(zhì)量的0.001%~0.03%[4]。

  3、緩凝劑的作用機理

  緩凝劑的作用機理比較復(fù)雜，很難用一種理論來概括。目前較為認可的理論有：吸附理論、生成絡(luò)鹽理論、沉淀理論和控制氫氧化鈣結(jié)晶生長理論[2, 4, 5]。

  3.1 吸附理論

  緩凝劑吸附在水泥顆粒表面形成一層致密的吸附膜層，改變了水泥顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)，使水泥顆粒吸附水分的過程及水化反應(yīng)受到抑制。另外，有些緩凝劑離子可以吸附到水泥水化產(chǎn)物晶體表面，抑制晶體的生長，也會起到延緩水化的作用。該理論比較適用于糖類、多元醇及其衍生物。

  3.2 生成絡(luò)鹽理論

  Ca2+達到飽和，生成Ca(OH)2晶體，是促使水泥水化誘導(dǎo)期結(jié)束的重要原因。緩凝劑分子中的-OH、-COO-等官能團可以與溶液中的Ca2+形成絡(luò)鹽，抑制Ca(OH)2的結(jié)晶，從而有效地延長水泥水化的誘導(dǎo)期。該理論比較適用于羥基羧酸、氨基羧酸及其鹽。

  3.3 沉淀理論

  沉淀理論認為緩凝劑能在水泥顆粒表面形成一層難溶性沉淀層，阻止水分與水泥顆粒的接觸，抑制水泥顆粒表面成分的溶解，從而延緩水泥的水化反應(yīng)。該理論比較適用于糖蜜緩凝劑。

  3.4 控制氫氧化鈣結(jié)晶生長理論

  控制氫氧化鈣結(jié)晶生長理論認為緩凝劑阻礙了Ca(OH)2結(jié)晶，使C3S無法正常生成水化硅酸鈣凝膠，從而抑制水泥的水化反應(yīng)。該理論比較適用于無機緩凝劑。

  4、緩凝劑緩凝效果的評價方法

  目前，針對緩凝劑緩凝效果的評價方法還比較局限，主要是凝結(jié)時間和凝結(jié)時間差的測定。

  對于凈漿，標準方法為《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》（GBT 1346-2011）規(guī)定的測試方法。該方法所用儀器為標準維卡儀，測定凝結(jié)時間之前需預(yù)先測定標準稠度用水量，再按照標準稠度用水量制備水泥凈漿，測定水泥凈漿的初凝和終凝時間。該方法的優(yōu)點是方便、快捷，缺點是存在較大的人為誤差，主要體現(xiàn)在操作過程及讀數(shù)方面的偶然性，尤其是在確定終凝時間時的人為誤差更加明顯。

  對于混凝土，標準方法為《混凝土外加劑》（GB8076-2008）規(guī)定的測試方法。該方法所用儀器為貫入阻力儀，測定凝結(jié)時間之前需將混凝土拌合物用5mm（圓孔篩）振動篩篩出砂漿并裝入標準規(guī)格金屬圓筒中，可得到貫入阻力值與時間的關(guān)系曲線，然后求出貫入阻力值達3.5MPa時，對應(yīng)的時間作為初凝時間；貫入阻力值達28MPa時，對應(yīng)的時間作為終凝時間。該方法的優(yōu)點是結(jié)果準確、誤差較小，缺點是操作過程比較復(fù)雜，耗時費力。

  隨著科技的進步，國內(nèi)外學者[5-7]也嘗試利用一些新的手段來評價緩凝劑的緩凝效果，如水化溫升、X射線衍射、低場核磁共振、電阻法等方法，雖然簡單有效，但準確性尚須大量工程實踐檢驗，且都沒有形成相關(guān)標準。因此，目前工程上仍以傳統(tǒng)方法為主。

  凝結(jié)時間差是緩凝劑作用效果的最直觀的體現(xiàn)，而緩凝劑的好壞卻不只是由這兩者決定。理想的緩凝劑應(yīng)當在摻量較小的情況下具有顯著的緩凝作用，而且在一定摻量范圍內(nèi)凝結(jié)時間可調(diào)性強，并且不產(chǎn)生異常凝結(jié)現(xiàn)象。另外，尤為重要的是，緩凝劑應(yīng)能使水泥漿體初凝結(jié)時間明顯延緩，而初凝和終凝間的間隔盡量縮短[8]。

  5、結(jié)語

  在商品混凝土飛速發(fā)展的今天，緩凝劑起著非常重要的作用。隨著人們對緩凝劑認識的不斷加深，緩凝劑的應(yīng)用也將越來越廣泛，特別是在生產(chǎn)有需要減少水泥瞬時水化熱、推遲水泥水化峰值的大體積混凝土時，緩凝劑不可或缺。

  參考文獻：

  [1]何廷樹.混凝土外加劑[M ]. 西安: 陜西科學技術(shù)出版社, 2003.

  [2]周丹.混凝土外加劑-緩凝劑發(fā)展狀況[J]. 科技視界, 2012, (34):101-145.

  [3]黃宗凱,趙自勉,胡小勇等.緩凝劑對混凝土性能的影響[J]. 江西建材, 2012, (06): 22-23.

  [4]車廣杰.混凝土緩凝劑的分類及其作用機理[J]. 黑龍江科技信息, 2009, (10): 236.

  [5]楊守磊.高效減水劑及緩凝劑對水泥初期水化與鈣礬石結(jié)晶形成的影響[D]. 西安建筑科技大學, 2011.

  [6]Luke K, Hall C, Jones T, et al. New techniques for monitoring cement hydrationunder simulated well conditions[Z]. SPE 28958, 1995.

  [7]孫振平,俞洋,龐敏.一種利用氫質(zhì)子低場核磁共振技術(shù)測定水泥凝結(jié)時間的方法. 中國. ZL201010503009. 6[P]. 2013-05-01.

  [8] 王振軍, 何廷樹. 緩凝劑作用機理及對水泥混凝土性能影響[J]. 公路, 2006, (07): 149-154.