羥基羧酸與聚羧酸高效減水劑復配對水泥的緩凝作用研究

◎菅博文 黃世謀 張 偉

（1.河南科技大學土木建筑學院，河南 洛陽 471000；2.三門峽職業技術學院，河南 三門峽 472000）

在工程施工過程中常用減水劑中摻入緩凝劑得到其復合外加劑從而獲得緩凝與減水雙重作用，之后再應用于工程材料上以達到水泥的工程預期與性能要求，特別是在水泥攪拌運輸車中加入減水緩凝復配外加劑并通過延長混凝土的凝結時間從而使水泥攪拌車行駛更遠距離，為遠距離工程水泥施工的便捷性提供了更大的可能。黃世謀[1]研究了磷酸鹽與減水劑的復配，得出焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉均可作為緩凝劑與聚羧酸復摻使用。劉恩福[2]比較多種緩凝劑在減水劑中的表現，得出緩凝劑與減水劑復配使用可增強砂漿后期強度。何燕[3]研究了多種緩凝劑與萘系減水劑復配，得出多種緩凝劑與萘系減水劑復合效果良好且對水泥凈漿凝結時長均有不同程度的增加。王兵[4]通過自主合成磷酸鹽緩凝劑與聚羧酸減水劑（PCE）復配并研究不同溫度下的減水劑性能，結果顯示低溫下磷酸鹽會降低PCE 的分散性、在常溫及高溫條件下可提高PCE 的分散和保坍性能。張喬生[5]研究了蔗糖和自制緩凝劑HNJ-10 對水泥砂漿流動度影響，結果顯示蔗糖與HNJ-10 隨其摻量不斷增加，水泥砂漿流動度在0～2h 內均不斷增加。雷霆[6]通過水溶液聚合法，研制一種固井用緩凝劑（XCT600）且通過試驗表明該產品有極強的抗溫能力且在160℃條件下仍對水泥有較強的緩凝作用。

筆者研究分析了羥基羧酸類緩凝劑（乳酸、水楊酸、蘋果酸、檸檬酸、酒石酸）與聚羧酸高效減水劑的復摻對水泥凈漿流動性的影響與緩凝時間的延長狀況，為工程實際中選擇羥基羧酸緩凝劑種類提供科學試驗參考。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

乳酸，純度85.0%～90.0%,產地河南??；蘋果酸，純度≥99.5%，產地河南??；檸檬酸，純度≥99.5%，產地河南??；酒石酸，純度≥99.5%，產地河南??；聚羧酸高效減水劑，固含量：7.5%，產地河南??；普通硅酸鹽水泥，強度等級：42.5R，產地河南省。

1.2 試驗方法

其中關于水泥凈漿流動度試驗與標準稠度凝結時間試驗均按照國標GB/T 8077-2012[7]和GB/T 1346-2011[8]中所規定的試驗方法進行測定。

1.3 設計試驗方案

羥基羧酸緩凝劑中乳酸、水楊酸、蘋果酸、檸檬酸、酒石酸為最常用類型，因其來源廣、產量足、價格低等優點被選為本次羥基羧酸緩凝劑試驗的選擇對象，為實際工程中選擇緩凝劑種類提供科學參考與依據。

在有機緩凝劑中，一般摻量均不大于0.1%，因此本試驗羥基羧酸緩凝劑的摻入量梯度為0%、0.01%、0.03%、0.05%、0.07%和0.09%并與聚羧酸高效減水劑復配，此前已做好聚羧酸減水劑對水泥凈漿流動度最佳摻量的確認試驗，試驗表明在含固量為7.5%、減水率為26.2%的商用聚羧酸減水劑的最佳摻量為2.4%時，水泥流動度狀況最好，試驗水灰比0.29。

2 試驗數據與現象分析

2.1 乳酸與聚羧酸高效減水劑復配對水泥凈漿流動度、凝結時間影響程度（見圖1）

圖1 乳酸試驗復配數據圖

由圖1a 各數據變化情況可得，水泥凈漿在乳酸摻量為0.01%時流動度相對最小，在增加乳酸劑量梯度為0.02%時，從0.01%增加到0.05%（加了兩次摻量梯度0.02%）后流動度有小幅度提升且達至最佳，之后乳酸摻量增加至0.07%、0.09%時水泥流動度變化程度較小基本上無任何流動性變化，綜合分析乳酸對水泥的流動性基本無影響且在較小摻量的情況下有小幅度減弱效果。由圖1b 各數據變化情況可得，在乳酸初始摻量0.01%、劑量增加梯度0.02%的基礎上加至0.09%時都無法對水泥的凝結時長產生任何影響。

在進行乳酸相關試驗中發現乳酸隨著摻量的增多會出現類似于泌水的現象，水泥試塊上方水分較多但無氣泡產生。上述試驗表現綜合來看：乳酸不適合作為緩凝劑與聚羧酸減水劑復配使用。

2.2 水楊酸與聚羧酸高效減水劑復配對水泥凈漿流動度、凝結時間影響程度（見圖2）

圖2 水楊酸試驗復配數據圖

由圖2a 各數據變化情況可得，在水楊酸初始摻量0.01%，劑量增加梯度0.02%的基礎上加至0.09%時，水泥漿體流動度以不同速率開始下降且整體呈下坡式，在水楊酸摻量為0.07%時的水泥漿體流動度表現最差。由圖2b 各數據變化情況可得，在水楊酸初始摻量0.01%，劑量增加梯度0.02%的基礎上加至0.09%時都無法對水泥的凝結時長產生任何影響。

在進行水楊酸相關試驗現象中發現水楊酸進行緩凝試驗時，其摻量的不同會導致水泥試塊不同程度上氣泡的析出且無規律性，在水泥試塊完全凝結時，由于有氣泡的析出導致水泥試塊上方會產生蜂窩麻面的不理想現象，這會影響水泥試塊的致密性。從上述試驗表現綜合來看：乳酸不適合作為緩凝劑與聚羧酸減水劑復配使用。

2.3 蘋果酸與聚羧酸高效減水劑復配對水泥凈漿流動度、凝結時間影響程度（見圖3）

圖3 蘋果酸試驗復配數據圖

由圖3a 各數據變化情況可得，在蘋果酸摻量為0.03%時水泥漿體初始流動度最低，在摻量為0.09%時水泥60min 流動度最差，且由數據圖1a 可知，蘋果酸初始摻量為0.01%，摻量梯度為0.02%且增至0.09%時對水泥漿體流動度呈“W”型變化趨勢無規律性影響但從總體效應來說無論蘋果酸摻量大小都無法對水泥漿體流動度產生顯著影響。由圖3b 各數據變化情況可得，在蘋果酸初始摻量為0.01%、劑量增加梯度0.02%的基礎上加至0.09%時，水泥的凝結時長是穩步增加的且各個階段的時長增加速率近似。

在進行蘋果酸相關試驗中未發現有對水泥試塊有任何不良影響，無泌水、無氣泡析出、試塊干燥時無蜂窩麻面。從上述試驗表現綜合來看：蘋果酸可以作為緩凝劑與聚羧酸減水劑復配使用。

2.4 檸檬酸與聚羧酸高效減水劑復配對水泥凈漿流動度、凝結時間影響程度（見圖4）

圖4 檸檬酸試驗復配數據圖

由圖4a 各數據變化情況可得，在摻量為0.01%時，水泥基體流動度有小幅度提高但在檸檬酸摻量增加梯度為0.02%的條件下水泥流動度表現愈來愈差，在檸檬酸摻量0.05%到0.07%這一階段中的流動度下降速率最快且加至0.09%摻量時水泥基體流動度表現最差。由圖4b各數據變化情況可得，在檸檬酸初始摻量為0.01%，摻量梯度為0.02%且增至0.09%時，水泥試塊的緩凝時間都是以不同的增長速率提高且分為3 個階段：第一階段是外加劑摻量從0 加到0.01%時試塊凝結時間保持穩定不變、從0.01%到0.05%和0.07%加到0.09%時凝結時間穩步增加、第三階段是檸檬酸摻量從0.05%加到0.07%時，終凝增加速率最高且與0.09%摻量時的水泥終凝時間相近。

試驗現象為：檸檬酸摻量增加導致漿體過于濃稠掛壁粘連現象嚴重。從上述試驗表現綜合來看：檸檬酸雖可作為緩凝劑復配使用，但因其對水泥流動度有較大的負面影響，因此在使用時要注意其摻量，以免出現檸檬酸摻量過大導致整體材料的工作性能嚴重下降從而導致產品檢驗不合格等負面現象。

2.5 酒石酸與聚羧酸高效減水劑復配對水泥凈漿流動度、凝結時間影響程度（見圖5）

圖5 酒石酸試驗復配數據圖

由圖5a 各數據變化情況可得，在水楊酸初始摻量0.01%，劑量增加梯度0.02%的基礎上加至0.09%時對水泥流動度的影響既有增益效應又有減弱表現，整體亦表現為“W”型變化趨勢無規律性影響且總體來說幾乎無影響。由圖5b 各數據變化情況可得，酒石酸對水泥試塊的緩凝時間與其他4 組不盡相同，其增益效果最佳，其緩凝時長增加速率也是隨著摻量梯度（摻量梯度為0.02%）的增加而穩步加快且在5 組緩凝劑試驗中緩凝時長增加速率也是最快的。

試驗現象為：對水泥試塊沒有產生任何負面影響。從上述試驗表現綜合來看：酒石酸在其5組試驗中表現最好、性能最佳、最適合作為緩凝劑與聚羧酸復配應用于工程實際當中。

3 結語

從5 組羥基羧酸復配對水泥流動度影響程度的試驗數據圖來看，各種類外加劑在其不同摻量的情況之下都會對水泥流動度產生不同程度的影響，但總體而言羥基羧酸對其影響不大，只需注意水楊酸和檸檬酸兩外加劑的摻量即可。

從水泥凝結時長試驗的數據表現來看，因對水泥凝結時間無任何增益效果，水楊酸、乳酸不宜作為緩凝劑使用；檸檬酸雖有增加水泥凝結時長的作用但會對水泥的工作性能產生嚴重影響，因此在使用時低摻量即可；蘋果酸與酒石酸是5組試驗數據當中表現較好、影響最小的外加劑，都可作為緩凝劑使用，尤其酒石酸整體表現性能最佳，因此酒石酸是最適合作為緩凝劑應用的。