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摘要：鐵路工程高性能混凝土性能受水泥的制約越來越大，水泥受國家宏觀政策的影響供不應求，部分水泥熟料來源復雜且組分波動太大，水泥與減水劑的適應性較差，造成混凝土的性能不能滿足要求。本文就以某鐵路工程混凝土拌合物出現的滯后泌水為切入點， 通過對水泥的組分化學分析，找出混凝土滯后泌水的關鍵原因，及時在減水劑復配相應的組分或引入功能單體調整減水劑分子結構，改善混凝土拌合物性能。
引 言
高性能混凝土拌合物性能很大部分取決于水泥、骨料、礦物摻合料及減水劑的質量。特別是水泥，以往供應不緊張，熟料的來源相對固定，調整減水劑與水泥的適應性后配方可以保持穩定。但目前水泥供不應求，部分水泥廠家采用東南亞的進口熟料，熟料成分變化，降低了減水劑與水泥的匹配性，導致了部分混凝土拌合物性能無法滿足現場要求。在實際施工中發現某鐵路工程混凝土拌合物流動性、粘聚性、保水性、色澤及柔和度均良好，但是混凝土拌合物放置幾分鐘后出現滯后泌水。探究其原因中發現所有原材料的檢測指標均滿足鐵路混凝土驗標規定，通過對水泥與減水劑的適應性試驗發現，水泥漿體存在滯后泌水現象，對比水泥的化學分析報告，初步判定為水泥缺硫(SO3 含量偏低)、C3A 偏低及堿含量明顯偏高導致與減水劑不適應。
在混凝土所有材料全檢指標滿足混凝土驗標的前提下，除水泥外其它材料、配合比保持不變，選擇四個不同廠家生產的同品種、同標號的水泥，在試驗室拌制混凝土，檢測其坍落度、含氣量、容重、和易性。本文根據不同水泥拌制的混凝土和易性的差異并與水泥的全檢報告、質保書中水泥的化學組分進行比對分析，找出不同水泥化學組分之間的差距，探索水泥本身的組成成分引起混凝土滯后泌水的原因，采取如下措施：①普通聚羧酸高性能減水劑中復配其他組分來調整混凝土性能;②引入功能單體調整減水劑的分子結構合成抗滯后泌水型減水劑解決混凝土滯 后泌水問題。
1 試 驗
1.1 試驗原材料
原材料：四種 P.O.42.5 水泥，具體化學組成見表 1;細度模數為 2.7 河砂，Ⅱ區;粗骨料為 5～16mm、16～31.5mm 二級配;粉煤灰為 F 類Ⅱ級;自來水;普通聚羧酸高性能減水劑成品，摻量1%。甲基烯丙基聚氧乙烯醚(HPEG)，重均分子量 2400，工業級;2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)，工業級;丙烯酸(AA)，工業級;巰基丙酸(MPC)，工業級;雙氧水，分析純;氫氧化鈉，化學純試劑;硫代硫酸鈉，工業級;六偏磷酸鈉，工業級;三聚磷酸鈉，工業級;檸檬酸鈉，工業級;硫酸鋁，工業級。(HP)，分析純;氫氧化鈉，化學純試劑;硫代硫酸鈉，工業級;六偏磷酸鈉，工業級;三聚磷酸鈉，工業級;檸檬酸鈉，工業級;硫酸鋁，工業級。
1.2 混凝土配合比
試驗采用C35 承臺配合比，具體配合比見表 2。
1.3試驗方法
（1） 水泥凈漿流動度測試
根據《混凝土外加劑勻質性試驗方法》(GB/T8077-2012)中規定的方法測定水泥凈漿流動度，水灰比為 0.29，減水劑摻量均按折固摻量計。
（2） 混凝土坍落度/流動度測試
根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080-2016)中的規定進行混凝土坍落度/流動度測試。
（3） 混凝土抗壓強度測試
根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)中的 規定進行混凝土抗壓強度試驗。
（4） 混凝土電通量測定
根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082- 2009)中的規定進行混凝土電通量測定。
2 結果與討論
2.1 四種不同水泥拌合混凝土性能
根據表 2 配合比拌制混凝土，使用施工工地實際使用的普通聚羧酸減水劑，為充分發揮減水劑的作用排除攪拌時間不足的影響，將攪拌時間均設置為 180s，混凝土拌合物性能見表 3。
對混凝土拌合物性能的比較發現：不同廠家的水泥對混凝土拌合物的影響較大，在坍落度、含氣量基本變化不大的情況下，SN1 容重明顯偏低，出現了滯后泌水、保水性差的現象。
根據表 1 對四個廠家的水泥化學組分分析可知：SN1 的 SO3 含量明顯偏低，C3A 含量偏低，堿含量偏高，混合材摻量較高;SN2、SN4 數據基本一致;SN3 介于SN1 和SN2、SN4 之間。SN2、SN4 拌制的混凝土拌合物性能良好，SN3 次之，使用 SN1 拌制的混凝土出現了滯后泌水、保水性差。
由此初步得出水泥缺硫(SO3 含量偏低)、C3A 偏低及堿含量明顯偏高造成水泥與減水劑不適應是導致混凝土拌合物性能滯后泌水、保水性差的主要原因。
2.2 減水劑組分調整及其混凝土性能
2.2.1 減水劑組分調整
聚羧酸減水劑常規添加劑主要有緩凝組分、保水組分、引氣組分、激活組分。通常是由母液添加各種其它組分復配而成，母液基本采用幾個大的品種，在母液固定的前提下，混凝土性能的調整基本是根據材料的 品質而調整其它組分。
常用的幾種組分作用為：硫代硫酸鈉主要起早強的作用，并能補充 水泥中因缺硫引起的拌合物性能及強度的不足。六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉主要起潤滑作用，作為緩凝劑使用，在保持流動度不變的情況下可以 顯著降低其拌和用水量。檸檬酸鈉主要起緩凝作用、保持坍落度，對堿含量較高的水泥有一定作用。硫酸鋁可以補充水泥中較低的C3A 含量， 提高強度，縮短凝結時間，常用于水泥中的激發劑。可溶性淀粉主要用于改善混凝土的保水性能，可以解決滯后泌水、扒底;其它的常用的添加劑有保坍劑、減水劑、消泡劑、分散劑等。
為驗證上述四個廠家的水泥因化學成分差距對混凝土拌合物性能 的影響，對相應水泥中缺少或偏高的組分通過調整減水劑相應組分來實現，采取措施見表 4。
按表 4 對減水劑組分調整后，繼續采用表 2 的試驗配合比拌制混凝土，攪拌時間設置為 180s 不變，調整后的混凝土拌合物性能見表 5。
通過表 5 發現，用調整減水劑組分來解決水泥中缺少或偏高的組分是有效的，經過調整后的混凝土拌合物的容重、流動度、色澤、粘聚性、保水性明顯好轉。
2.2.2 調整減水劑組分后的混凝土性能
按表 4 調整減水劑組分后，分別成型 SN1、SN2、SN3、SN4 水泥的硬化混凝土力學試件及耐久性試件，試驗數據見表 6。
通過表 6 可知，調整減水劑組分后，其硬化混凝土的強度、電通量都滿足要求，56d 齡期的力學及耐久性能均滿足設計要求，證明減水劑的調整是有效的。
2.3 減水劑分子結構調整及其混凝土性能
2.3.1 減水劑分子結構調整
稱取一定質量的 HPEG、HP 分別倒入裝有溫度計和攪拌裝置的500mL 四口燒瓶中，加入一定量的水，攪拌升溫至 30℃后，分別滴加不同比例的AA、AMPS 混合溶液和MPC 溶液，分別滴加 3h 和 3.5h，然后保溫反應 1h，用 32%氫氧化鈉溶液調節pH 為 6~7，即得抗滯后泌水型聚羧酸系減水劑。選擇引發劑雙氧水在適合的反應溫度，考察不同 AA：AMPS：HPEG 對減水劑性能及凈漿流動度的影響。
通過表 7 和圖 1 中可以看出，以 AA：AMPS：HPEG 為 1：1.5：4 時制備的減水劑 B 對水泥漿的分散性及分散保持性更好，這與 GPC 的結果相對應，因為轉化率相對更高，且丙烯酸自聚少，產品中的有效成分更高;以AA：AMPS：HPEG 為 1：1：4 或 1：2：4 時制備的減水劑流動度經時損失大，對水泥漿的分散性及分散保持性一般。
2.3.2 調整減水劑分子結構后混凝土拌合物性能
按表 7 對得到的減水劑 A，B，C 繼續采用表 2 的試驗配合比采用SN1，SN2，SN3，SN4 拌制混凝土，攪拌時間設置為 180s 不變，調整后的混凝土拌合物性能見表 8。
通過表 8 發現，用于減水劑調整分子結構的 AA：AMPS：HPEG 的比例對混凝土性能有較大影響。三種減水劑含氣量及容重數據均相近，但混凝土拌合物和易性相差較大。減水劑 A：SN1、SN3 流動性好，粘聚性、保水性差，無滯后泌水;減水劑 C：SN1、SN3 流動性差，粘聚性、保水性好，無滯后泌水;減水劑 B 解決水泥中缺少或偏高的組分是有效的，經過調整后的混凝土拌合物的容重、流動度、粘聚性、保水性明顯好轉，無滯后泌水。
上面合成的三種減水劑與水泥的適應性問題，都與合成減水劑的分子結構和分子量相對應。調整的減水劑分子結構中引入 AMPS，而 AMPS中含有一定量的S 和N 元素，可以有效解決水泥 SN1 和SN3 中缺硫(SO3 含量偏低)、C3A 偏低及堿含量明顯偏高問題。
2.3.3 調整減水劑分子結構后的混凝土性能
按表 7 調整減水劑分子結構后，分別成型 SN1、SN2、SN3、SN4 水泥的硬化混凝土力學試件及耐久性試件，試驗數據見表 9。
通過表 9 可知，調整減水劑分子結構后，其硬化混凝土的強度、電通量都滿足要求，56d 齡期的力學及耐久性能均滿足設計要求，證明可以通過引入功能單體AMPS 調整減水劑的分子結構解決此類問題。
3 結 論
一般情況下，在混凝土拌合物出現和易性差時，在其它材料滿足要求的前提下，可以對水泥的組分進行化學分析，確定其化學組成，針對性地在減水劑中復配相應組分或引入功能單體調整減水劑結構，以滿足水泥與減水劑的適應性。目前施工單位使用的減水劑一般是廠家提供的成品，在減水劑出廠前通過引入功能單體調整減水劑可以從根本上解決減水劑與水泥的不適應問題，而通過減水劑組分調整只能作為臨時應急的手段。具體可按下述原則調整：
(1) 水泥中 SO3 含量并不是越低越好，而是要控制在一個合理范圍，鐵路混凝土驗標中規定小于 3.5%，一般情況下控制在 2.0%左右是合理的。水泥缺硫即 SO3 含量明顯偏低，可以通過在減水劑中摻加硫代硫酸鈉或分子結構中引入含有S 元素的功能單體AMPS 來解決。
(2) 水泥 C3A 含量至關重要，C3A 含量應處在一個合理范圍，混凝土性能和易性較好的水泥，C3A 一般在 4%～6%，C3A 含量低于 4%時可以在減水劑中摻加硫酸鋁或引入含有 N 元素的功能單體 AMPS，以平衡水泥中C3A 并提高強度或縮短凝結時間。
(3) 水泥堿含量較高，即使符合驗標規定的小于 0.80%，也會導致水泥與減水劑的適應性差。水泥堿含量大于 0.60%時，一般需要在減水劑中復配檸檬酸鈉或引入含有磺酸根的功能單體 AMPS 予以平衡堿含量， 也有利于混凝土的耐久性能。也可使用低堿水泥以改善混凝土性能。
(4) 水泥中石膏的種類對混凝土的影響也較為關鍵，不同種類的石膏對水泥的緩凝作用也不同，目前水泥生產的石膏主要有二水石膏和脫硫石膏。部分水泥廠商對石膏的質量把關不嚴，摻入硬石膏，硬石膏遇水反應生成二水石膏，消耗了部分水，使混凝土流動度損失快。石膏的添加種類化學分析較為困難，可以通過廠家提供的質保書注明的石膏為依據，也可讓廠家單獨用小磨磨細熟料并按照配方添加混合材及二水石膏，拌和混凝土予以驗證。
(5) 水泥中混合材摻量多、品質差對減水劑的適應性也有較大影響 。國標規定普通硅酸鹽水泥混合材的摻量在 5%～20%之間，部分粉磨站生產的掛牌水泥，混合材摻量高達 30%，嚴重影響混凝土的性能，特別是使用鋼渣作為水泥混合材，鋼渣中三氧化二鋁和混凝土中的氫氧化鈣發生反應，導致混凝土冒氣泡且容重不符合要求。選用水泥時盡量選擇不添加助磨劑、鋼渣且混合材摻量較少的水泥。混合材、助磨劑的種類及摻量可以通過廠家提供的質保書為依據。
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