【摘要】隨著建筑行業的快速發展，商品混凝土的使用量與日俱增，各大中小城市商混混凝土攪拌站數量也在逐年增加，競爭日益加劇，利潤空間逐步縮小。筆者將從外加劑的復配方面入手，探討復配對商品混凝土價格因素的影響，力爭為使用淮南“海螺牌”水泥的攪拌站提供參考意見。
【關鍵詞】脂肪族；萘系；復配；適應性；價格
《混凝土外加劑定義、分類、命名與術語》GB/T8075－2005將混凝土外加劑定義為是一種在混凝土攪拌之前或拌制過程中加入的、用以改善新拌混凝土和（或）硬化混凝土性能的材料。同時《高強高性能混凝土用礦物外加劑》GB/T18736－2002也將磨細礦渣、硅灰、磨細天然沸石、磨細粉煤灰及其混合物定義為礦物外加劑，本文所說的外加劑系指大家習慣上所說的“外加劑”即是化學外加劑。
水泥是一種無機水硬性膠凝材料，加入適量的水拌制成塑性漿體，能在空氣中和水中硬化，保持并繼續發展其強度，是建筑工程中運用最為廣泛的材料之一。水泥在商品混凝土其中起著穿針引線的作用，它通過自身的膠凝性能，把粗細骨料緊密地結合在一起，而外加劑的使用使混凝土向高性能化提供了有力保障。因此作為混凝土主要組成成分的水泥與外加劑的適應性問題，受到了研究學者、生產廠家、科研及使用單位的重視。大量實驗及研究證明，在混凝土中使用適宜的外加劑，可改善混凝土的性能，提升混凝土的強度，提高混凝土的耐久性等。
水泥與外加劑作為兩個獨立的個體，在混凝土中存在一個適應性問題，某一品牌的水泥不會與不同種類的外加劑適應性良好，同時同一外加劑也不會對不同品牌的水泥均能適應性良好。要想不同的水泥與不同的外加劑適應性良好，就需要以水泥為基點調整外加劑或者以外加劑為基點調整水泥，從現實情況來看，調整外加劑的可操作性比調整水泥更為簡便。
影響水泥與外加劑適應性的因素較多，從水泥方面來說，是SO3含量同水泥中的C3A、細度和堿含量的匹配。對于高效減水劑來說，是其化學性質、分子量、交連度、磺化程度和平衡離子等[1]。楊華、耿加會研究認為，水泥中C3A、SO3及堿三者的平衡對水泥與外加劑的相容性有著十分重要的作用，凡是影響三者平衡的因素，都會影響到外加劑在混凝土中的相容性。另外，水泥的溫度，細度等因素也會影響水泥與外加劑在混凝土中的相容性[2]。
筆者將通過脂肪族與萘系復配，探討與淮南“海螺牌”水泥的適應性實驗，對比兩者的優略，從不同的比例中找出效果理想且經濟實用的最優組合。本次實驗所用的淮南“海螺牌”水泥的熟料使用新型干法旋窯生產P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其中三氧化硫含量為2.09%；氧化鎂含量為1.91%；氯離子含量為0.016%；混合材品種為碎屑+煤矸石，摻量12.53%；石膏為脫硫石膏，摻量4.97%，水泥初凝170min，終凝220min。脂肪族為某單位生產的普通脂肪族外加劑，固含量為35%，減水率24%，密度1.195g/cm3。萘系為袋裝萘粉，稀釋到含固量為35%（含固量與脂肪族的相同，方便做對比實驗）。脂肪族外加劑（免加熱型）在合成過程中使用氫氧化鈉提供熱源，導致脂肪族外加劑含堿量相對較高；而萘系在合成過程中，首先加入濃硫酸磺化，在水解中和反應，因而萘系外加劑中硫酸根離子含量相對較高。
根據《混凝土外加劑勻質性試驗方法》GB/T8077-2012規定的試驗方法：水泥300ｇ；水87ｇ。本文外加劑摻量按1.5%（即4.5ｇ）為基準，逐步進行調整，直至找到最優復配比例。
為了初步判斷這兩種外加劑對海螺牌水泥的適應性問題，首先調和成同樣固含量為的溶液，實驗數據詳見表1：
表1：脂肪族、萘系等量取代對海螺水泥的影響
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注：外加劑摻量1.5%，含固量35%。 脂肪族減水劑的合成工藝是在堿性環境下合成的，具有較高的pH值，本試驗所用的脂肪族減水劑，pH值為12.5。萘系減水劑合成過程中不可避免地引進了硫酸鈉。兩者在水泥與外加劑的相容性方面均有一定的影響，針對不同的水泥采用不同的比例，取長補短，充分利用兩者的合理比例，獲得良好的性價比。兩者復配比例如表2。 |
表2 萘系部分取代脂肪族復配及效果詳表
普通硅酸鹽水泥的主要礦物組成有硅酸三鈣（3CaO.SiO2，簡寫成C3S）、硅酸二鈣（2CaO.SiO2，簡寫成C2S）、鋁酸三鈣（3CaO.AI2O3，簡寫成C3A）、鐵鋁酸四鈣（4CaO.AI2O3.Fe2O3，簡寫成C4AF）、石膏，此外還有少量的方鎂石、玻璃體和游離氧化鈣（f－CaO）等[3]。
水泥遇水后的水化反應速度由快到慢依次為C3A、C4AF、C3S、C2S，C3S、C2S與水反應會生產水化硅酸鈣（x CaO.SiO2.yH2O）和強堿（Ca（OH）2），反應方程式為：
3CaO.SiO2+nH2O→x CaO.SiO2.yH2O+(3-x)Ca（OH）2
2CaO.SiO2+mH2O→x CaO.SiO2.yH2O+(2-x)Ca（OH）2
C3A、C4AF與水反應會生成水化鋁酸鈣（3 CaO.AI2O3.6H2O）和水化鐵酸鈣（CaO.Fe2O3.H2O
）反應方程式為：
3CaO.AI2O3+6H2O→3 CaO.AI2O3.6H2O
4CaO.AI2O3.Fe2O3+7H2O→3 CaO.AI2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.H2O
由于鋁酸三鈣的水化反應極快，放熱較多，會使水泥漿體很快失去流動性，也就是我們所說的急凝或瞬凝。因此在水泥粉磨時都會加入一定量的石膏（通常3%-5%）。這些石膏與水化鋁酸鈣反應生產難溶的水化硫鋁酸鈣，它沉淀在水泥顆粒表面，阻礙了鋁酸三鈣的進一步水化，從而有效地延緩了水泥的凝結。其反應方程式為[4]：
3CaO.AI2O3.6H2O+3(CaSO4.2H2O)+19H2O→3CaO.AI2O3 .3CaSO4.31H2O
而水泥中的C3S及C2S水化生產的強堿（Ca（OH）2），會促使C3A的溶出，溶出后的C3A又參與水化反應[5]，可見水泥的水化反應是一個閉環，隨著水泥水化的不斷進行，漿體逐漸變稠失去可塑性，轉變成具有一定強度的固體。
混凝土外加劑的作用機理主要與其本身含有的表面活性劑成分及結構有關。表面活性劑是分子中帶有性質不同的親水基和疏水基的兩親結構化合物，少量使用可以改變界面或者表面的乳化、增溶、分散、濕潤等性質。
常用于混凝土外加劑中的表面活性劑，其親水基團主要有羥基、羧酸基、磺酸基、羥基羧酸基、氨基羧酸基、醚基及氨基；憎水基團主要有烷基、不飽和烷基、芳基、脂芳基及樹脂。國內學者通過研究陰離子表面活性劑的性能與其分子量的關系，認為分子量小于1500的單體或聚合度較低的高分子，其性能主要表現為降低表面張力，具有引氣和分散作用；分子量在1500～10000范圍的表面活性劑主要是混凝土高效減水劑，其性能表現為吸附、分散、濕潤、電性保護等減水作用；分子量大于10000的表面活性劑主要表現為保水作用；分子量更大時其水溶性開始變差，不適用于混凝土中[6]。
從表1可以明顯看出，等量的脂肪族和萘系對“海螺牌”水泥的打開都無問題，初始差距不大。而經時損失方面，1號樣本損失較快；2號樣本效果非常理想，由此可以判斷2號樣本即萘系對“海螺”水泥的適應性較好。
原因分析，水泥的主要組成成分為C3S、C2S、C3A、C4AF，水泥遇水后的水化反應速度從快到慢依次為C3A、C4AF、C3S、C2S。因此水泥中的C3A、C4AF所占比例越大，遇水后水泥的水化反應越快，為了有效調節水泥的凝結時間，在水泥熟料粉磨時加入的部分石膏，起到調節水泥凝結時間的作用。一般認為外加劑對水泥礦物的吸附順序由強到弱為C3A、C4AF、C3S、C2S，水泥中C3A、C4AF所占比例越大，外加劑的分散效果越差。而作為調凝劑的石膏與水泥水化反應生成的水化鋁酸鈣進一步發生水化反應，生成難溶的水化硫鋁酸鈣，它沉淀在水泥顆粒的表面，阻礙了鋁酸三鈣的進一步水化反應，依次來達到延緩水泥的凝結時間。而水泥水化反應生產的可溶性的堿又促使C3A的析出，因次在水泥水化過程中，C3A、硫和可溶性堿是處于一個平衡過程中。
為了平衡水泥中的，C3A、硫和可溶性堿三者的平衡，合理使用脂肪族、萘系各自的特點來調節水泥的C3A、硫和可溶性堿三者的平衡，獲得良好的凈漿流動度。因脂肪族減水劑價格相對于萘系粉劑較為便宜，從節約成本的方面考慮，設想通過脂肪族和萘系的復配使用，做到效果較好而價格最優。從表1可以判斷出，對于“海螺牌”水泥而言，在復配中，萘系的比例理應占據較高，事實是否如此，復配比例及復配后的實踐效果詳見表2：
從表2可以看出，隨著萘系比例的提高，樣本初始變化不大，但是30分鐘及60分鐘損失變化較為明顯。從6號樣本開始，30分鐘后的水泥凈漿擴展度明顯好于前5個樣本，這說明隨著萘系比例的不斷提高，復配后的外加劑對“海螺牌”水泥是適應性在逐步變好，以復配比例1:1為界。以筆者購買的脂肪族母液樣品2100∕噸，萘系樣品3500元∕噸計算，按1:1的比例復配，價格為｛3500×0.175+〔（17500÷35）÷1000〕×2100｝=1662.5元∕噸。比單純的脂肪族母液價格低437.5元/噸，但是效果遠遠好于單純的脂肪族外加劑。這是按照國標0.29的水灰比實驗得到的數據，在實際使用過程中，實際生產用的水灰比明顯高于0.29，再在設計中摻加部分礦物摻合料，效果理應會比6號樣本更好，進而生產中摻量會降低，很好地控制了生產成本。但是在實際使用過程中仍有很多問題需要進一步解決，外加劑與水泥做凈將流動度比較適應，效果較好，并不能代表外加劑與混凝土的適應性就較好。因為對于外加劑在混凝土中的適應性問題，同粗細骨料的含泥量、泥塊含量，粗骨料的石粉含量，礦物摻合料的種類，粗細程度，實際使用時的環境溫度等都密切相關。另外低濃型的萘系在問題較低時會產生結晶，進而無法使用，這也是在冬季使用時需要解決的問題之一。
本文只是從凈將流動度單一的角度分析脂肪族與萘系復配對海南“海螺牌”水泥的適應性問題，從表2的分析可以看出，脂肪族和萘系的復配對“海螺”水泥而言，效果遠好于單一的脂肪族外加劑，從控制成本的角度考慮，脂肪族和萘系復合后確實比單一的脂肪族外加劑成本有所降低，每噸減低437.5元。由此可見，使用兩種高效減水劑復配使用，可以有效改善水泥與減水劑的相容性，為減水劑復配提供一種新的思路。
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