单宁酸掺杂水泥基胶凝材料性能的研究进展.pdf
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1、单宁酸掺杂水泥基胶凝材料性能的研究进展尹杨特(广东和协建设工程检测有限公司广东 东莞)收稿日期:作者简介:尹杨特()男湖南邵东人本科高级工程师主要从事桩基与地基、主体结构、室内环境、钢结构、市政道路与管网、建筑节能、工程检测与测量等各个领域的检测及项目管理工作摘 要:随着城市化进程加快水泥作为主要的建筑材料被广泛使用但水泥生产属于环境污染型、资源密集型产业为了实现碳达峰、碳中和目标使用外加剂或掺合料提高水泥性能是重要措施 其中有机化学外加剂为提高水泥浆体工作性能发挥了重要作用但活泼的化学特性使其与未水化的水泥颗粒相互作用严重延缓水泥水化大幅降低水泥石强度难以广泛应用 结合国内外有机外加剂掺杂水
2、泥基胶凝材料性能及缓凝剂作用机理的研究现状指出了天然有机物尤其是单宁酸用于水泥基胶凝材料在目前研究中存在的问题以及未来研究方向关键词:单宁酸天然有机物水泥基胶凝材料缓凝剂作用机理中图分类号:文献标志码:文章编号:():/(.):.:引 言随着城市化进程加快建筑行业有序发展 水泥作为主要的建筑材料因价格低廉、性能优异被广泛使用 但水泥生产属于环境污染型、资源密集型产业全球每年由水泥生产排放的 达 亿 约占人类碳排放总量的 为了实现碳达峰、碳中和目标提高水泥和混凝土的生态效益联合国环境规划署可持续建筑和气候促进会提出了三种方法:增加水泥补充性胶凝材料的使用量开发可持续替代性胶凝材料提高水泥效率 但
3、是由于补充性胶凝材料的加入会对复合水泥的服役性能造成影响尤其是降低早期强度替代性胶凝材料生产成本过高无法大规模使用使得提高水泥效率迫在眉睫 使用外加剂或掺合料提高水泥性能是提高水泥效率的重要措施 其中有机化学外加剂为提高水泥浆体工作性能、早期强度等发挥了重要作用 大多数天然有机物广泛存在于各种植物中具有经济、绿色、可再生的特点含有活泼基团如羟基、羧基等能够与各种界面进行良好粘结 若将其用于水泥混凝土通过活泼基团实现桥接水化产物进而改善水泥混凝土性能将会大大提高混凝土的经济性和环保性 但是另一方面活泼的化学特性使天然有机物与未水化的水泥颗粒相互作用严重延缓水泥水化大幅降低水泥石强度因而难以推进其
4、在混凝土中广泛应用基于此为推动天然有机物在水泥基胶凝材料中的应用本文通过对国内外有机外加剂掺杂水泥基胶凝材料性能及缓凝剂作用机理进行总结整理介绍了各种有机化学外加剂掺杂水泥基胶凝材料性能研究现状和四种普遍认可的缓凝剂作用机理理论同时指出了天然有机物尤其是单宁酸用于水泥基胶凝材料在目前研究中存在的问题在此基础上展望了单宁酸掺杂水泥基胶凝材料发展方向以期为探究其缓凝机理并寻求其增强水泥基胶凝材料强度的方法和机理提供理论参考 有机外加剂掺杂水泥基胶凝材料性能研究现状为满足混凝土各方面的性能要求和对外界环境的适应性在拌和过程中加入各种外加剂已经成为必不可少的一环 其中有机外加剂发挥了重要作用主要包括可
5、以改善浆体流动性的减水剂、保持浆体可塑性的缓凝剂、提高浆体早期强度的早强剂等 按照有机化学外加剂的分子尺度不同将其分为有机小分子()、聚合物()和水分散聚合物乳液()并分别阐述其掺杂水泥基胶凝材料性能研究现状 有机小分子目前混凝土中所应用的有机小分子多为天然有机物主要作为缓凝剂 此外还有人工合成的有机小分子主要作为早强剂 等对比研究了 种有机小分子对硅酸三钙()水化的作用测试了掺加不同种类不同掺量的有机小分子水泥净浆的水化放热情况发现这些小分子均会延缓水泥水化且其缓凝作用与主链及其所带官能团有关缓凝强烈程度为:碳氢链 多元醇链 磺酸基羧基 磷酸基羟基 羟基羧酸 由此将有机小分子对水泥基胶凝材料
6、性能的影响按主要特征官能团分类简述如下)羧基官能团 含有羧基官能团的有机小分子多为有机酸及其盐如葡萄糖酸钠、酒石酸等 马保国等研究了葡萄糖酸钠对水泥水化微观结构的影响 结果表明葡萄糖酸钠能有效抑制水化放热延缓结构形成水化初期葡萄糖酸钠能在一定程度上加速铝酸三钙()的溶解和钙钒石()的生成但同时抑制了 的水化和氢氧化钙()的生成因此存在临界掺量使水泥净浆的终凝时间在小于临界掺量时缓慢增加在大于临界掺量时迅速增加 等研究了酒石酸对含有不同普通硅酸盐水泥、铝酸钙水泥、石膏掺量的复合水泥早期水化的影响 结果表明酒石酸会延长复合水泥的凝结时间提高复合水泥净浆的流动度降低复合水泥试件的早期强度这是由于酒石
7、酸延缓了早期 生成同时抑制了硅酸盐水化 由于酒石酸具有缓凝作用且可消除掺杂部分缓凝剂浆体在 环境下凝结时间比常温凝结时间长的异常现象因此常与其他缓凝剂复掺用于油井水泥与酒石酸类似柠檬酸也是一种常用的水泥混凝土缓凝剂 等指出加入适量的柠檬酸钠可以改善新拌净浆的初始黏度和分散性从而改善其孔隙结构提高其抗压强度 实验结果表明加入 柠檬酸钠会提高自密实混凝土的抗压强度但随着掺量的增加抗压强度下降 当柠檬酸钠掺量小于 时样品的总孔隙率和有害孔隙率低于纯水泥组当柠檬酸钠用量超过 时样品的总孔隙率和有害孔隙率高于对照样品)羟基官能团 含有羟基官能团的有机小分子主要为糖类如蔗糖 蔗糖既能使水泥缓凝也能促进水泥
8、水化被称为“缓凝早强剂”等测试了蔗糖对矿渣硅酸盐水泥凝结时间的影响结果表明:蔗糖在低掺量时起缓凝剂的作用阈值掺量为 在高掺量时起增强作用阈值掺量为 通过蔗糖掺杂水泥基胶凝材料的力学性能可知当蔗糖掺量为 时水泥净浆的 抗压强低于纯水泥此后强度发展趋势与纯水泥相似当蔗糖掺量超过 时砂浆的强度发展明显受阻 时抗压强度也显著低于纯水泥试件 通过分析 和 时的反应产物可知蔗糖促进 水化的同时抑制了 和硅酸二钙()水化 因此在蔗糖掺量较大时早期易生成较多的 形成水化产物骨架凝结时间缩短而随着反应进行后期水化硅酸钙()生成受阻强度降低 此外尽管在水化早期大掺量蔗糖可实现减水、增强效果但对后期强度不利所以使用
9、时也应注意掺量研究人员也尝试将多种其他小分子糖类及其衍生物掺加到水泥基材料中进行对比 等研究了淀粉基外加剂对水泥水化的影响 结果表明:在相同掺量下小分子葡萄糖、葡萄糖酸钠、葡萄糖五乙酸酯等使诱导期延长时间最长其次是可溶性糊精温升抑制剂影响最小而上述外加剂抑制主要水化放热峰值的能力则相反 当掺量为 时缓凝作用随掺量增加而增大)醇胺 含有羟基和氨基的有机小分子为醇胺类物质如三乙醇胺()等在混凝土中多作为早强剂、阻锈剂使用 潘俊辉对比研究了四种醇胺类物质对水泥水化及强度性能影响结果表明三乙醇胺促进了水泥 龄期的水化速率三异丙醇胺降低了水泥、时的水化速率显著提高了 水化速率二乙一异丙醇胺、一乙二异丙醇
10、胺对早期水化速率影响不大可显著提高 龄期的水化速率三异丙醇胺、一乙二异丙醇胺、二乙一异丙醇胺增加了完全水化时的化学结合水量降低了水化产物中 的比例改变了水泥水化产物的组成 因此三乙醇胺主要增加早期胶砂强度且对 含量少、早期强度相对较低的水泥增幅更显著三异丙醇胺主要提高水泥的后期胶砂强度但对 含量少、早期强度相对较低的水泥会进一步降低早期胶砂强度二乙一异丙醇胺对早后期强度均有一定的增强作用且对铁铝酸四钙()含量较高的水泥增幅更显著一乙二异丙醇胺能显著提高水泥的后期胶砂强度)其他官能团 在混凝土材料中常用的有机小分子除了带有羟基、羧基、胺基外还有磷酸基、磺酸基等吕兴栋等总结了含有磷酸基的有机膦酸类
11、化合物混凝土工程中的应用及缓凝机理研究进展 有机膦酸类化合物包括乙二胺 四甲基膦酸、羟基乙叉二膦酸、氨基三亚甲基膦酸等主要应用在油田固井混凝土工程中近年来在越来越多的工民建混凝土工程中也有所应用但是其应用范围仍然十分有限 有机膦酸类化合物能够在一定掺量范围内可大幅降低硅酸盐水泥的水化放热速率和放热量改善硅酸盐水泥水化放热过程与硅酸盐水泥、聚羧酸减水剂和萘系减水剂均具有较好的适应性在一定掺量范围内可改善混凝土拌合物性能提高混凝土长期力学性能且具有很强的高温稳定性应用于水泥中含磺酸基的小分子比较少且大多同时具有其他官能团 等向水泥中掺入二乙磺基羟胺二钠盐通过水化热测试可知二乙磺基羟胺二钠盐的加入会
12、延长诱导期水化峰延迟出现且随掺量增大延缓作用越强烈 水溶性聚合物水溶性聚合物又称水溶性树脂或水溶性高分子是亲水性的高分子材料在水中能溶解或溶胀而形成溶液或分散液 有机水溶性聚合物有天然形成的如淀粉类、海藻类、植物胶类等还有人工合成的如改性纤维、改性淀粉等目前在混凝土材料领域应用最广泛的水溶性聚合物是减水剂 减水剂是一种在维持混凝土坍落度不变的条件下能减少拌用水量的混凝土外加剂大大推动了混凝土的广泛使用被称为混凝土技术革命之一 年美国的.将亚硫酸纸浆废液发酵除去糖分再加入其他化学成分制得了木质素系减水剂但是其减水率小于 并且对混凝土力学性能提高不明显因此只被当作普通减水剂使用 之后出现了萘系减水
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