水化调节剂的制备及在报废新鲜预拌混凝土的应用研究

水化调节剂的制备及在报废新鲜预拌混凝土的应用研究

陈国庆1，陈波2,3，陈尚伟2,3，何信周2,3，廖昶2,3

（1，贵州大远混凝土有限公司；2，贵州中建建筑科研设计院有限公司；3，中国建筑土木工程材料重点实验室）

摘要：本文通过研究不同缓凝剂和聚羧酸减水剂在混凝土的作用，制备了一种新型水化状态调节外加剂，并探究了其对报废新鲜预拌混凝土工作性能、凝结时间和抗压强度的影响。研究表明，加入少量的水化状态调节外加剂，经搅拌均匀，可以有效控制和调节水泥的水化状态，延迟混凝土的水化，从而为报废新鲜预拌混凝土再利用创造条件。

关键词：报废新鲜预拌混凝土；水化调节剂；缓凝剂；聚羧酸减水剂；合成；混凝土性能

1引言

在预拌混凝土在生产过程中，产生的不合格混凝土或其他原因产生的不能再次使用的预拌混凝土称为报废新鲜预拌混凝土。报废新鲜预拌混凝土中含有Ca、Si、Al等元素，是一种优质建材资源，如果经过技术处理，能够再利用，形成相应的闭环处理，必然促进预拌混凝土的绿色生产技术的发展与提升。常规的处理方式有三种：一是通过砂石分离机对混凝土进行分离回收利用混凝土中的砂石、废水、废浆；二是利用尚未初凝的混凝土制作路沿石、砖等预制构件；三是在部分报废新鲜预拌混凝土中加入新鲜预拌混凝土经搅拌均匀，再次送到施工现场去。对于上述技术手段，只能在预拌混凝土工厂进行，若在工地现场或工地现场距离过远，容易造成预拌混凝土“凝罐”的事故，从而造成巨大的经济损失。

缓凝剂能够延迟水泥水化反应，延长混凝土的凝结时间，使新拌混凝土较长时间保持塑性，方便浇注，提高施工效率，且对混凝土后期各项性能不会造成不良影响[1,2]。常见的缓凝剂有葡萄糖酸钠、白糖、羟基乙叉二磷酸、三聚磷酸钠等。聚羧酸减水剂对水泥颗粒具有超高的分散性，可以使混凝土具有较好的保塑性和流动性，常被用于减少水的用量和增加混凝土的工作性[3]。所以本文基于缓凝剂和聚羧酸减水剂的特性，按照一定的比例制备了一种水化调节剂，并探究了其对报废新鲜预拌混凝土的性能影响，旨在为报废新鲜预拌混凝土的处理提供一种新的、绿色的、可实施的技术方案。

2水化状态调节剂的制备

2.1原材料

水化调节剂由减水剂和缓凝剂混合制备而成，用到的原材料有聚羧酸减水剂（固含量10~20%，减水率≥25%），葡萄糖酸钠、白糖、羟基乙叉二磷酸、三聚磷酸钠等缓凝剂，以及氢氧化钠。

2.2制备步骤

水化调节剂的制备按以下步骤进行：（1）将称取聚羧酸减水剂投入反应釜中，控制溶液温度在20~30℃；（2）在搅拌状态下将称取缓凝剂投入到反应釜中；（3）继续搅拌5min左右；（4）搅拌结束后静置0.5h~1h，用氢氧化钠调节溶液pH为7~8；（5）得到水化状态调节剂。

本文主要制备了葡萄糖酸钠-聚羧酸减水剂水化调节剂（GPR）、白糖-聚羧酸减水剂水化调节剂（WPR）、羟基乙叉二磷酸-聚羧酸减水剂水化调节剂（HPR）和三聚磷酸钠-聚羧酸减水剂水化调节剂（SPR）。

3实验原材料和测试方法

3.1原材料

水泥采用西南水泥公司生产的P·O42.5水泥；粉煤灰为F类Ⅱ级，来自贵州黔西环保开发有限公司；细骨料为中砂，粗骨料粒径为5~31.5mm，均来自于贵州省日达矿业有限公司；减水剂为贵州星宇宏业物资有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂；拌合水为自来水。

3.2测试方法

按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346-2011）中测定混凝土的初凝时间和终凝时间。

按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》对混凝土进行初始坍落度、扩展度与经时坍落度、扩展度测试。

成型尺寸为100mm×100mm×100mm的试件，按照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中的规定测试混凝土7d、28d抗压强度。

3.3新鲜预拌混凝土的配合比和性能测试

以搅拌站生产的C30混凝土为新鲜预拌混凝土，配合比如表1所示。相关性能检测结果如表2所示。

表1 新鲜预拌混凝土配合比（kg/m3）

表2 新鲜预拌混凝土性能检测结果

可见，按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，该新鲜预拌混凝土的配合比工作性能、凝结时间和抗压强度均满足设计要求。

3.4报废新鲜预拌混凝土的处理步骤

当新鲜预拌混凝土的坍落度小于120mm时视为报废新鲜预拌混凝土。为测定水化调节剂对报废新鲜预拌混凝土的影响，按以下步骤进行操作：（1）先将报废新鲜预拌混凝土倒入全自动混凝土搅拌机中，开启搅拌；（2）向搅拌机中加入称量好的水化状态调节剂；（3）继续搅拌，直到报废新鲜预拌混凝土的状态发生明显变化；（4）停止搅拌，对处理后的混凝土进行工作性能、凝结时间测试；（5）成型2组试件，用于7d、28d抗压强度测试。

3.5水化调节剂处理报废新鲜预拌混凝土配合比

本试验主要探究了不同种类水化调节剂、以及不同掺量的水化调节剂对报废新鲜预拌混凝土的影响，设计的具体配合比如表3~表6。其中，水化调节剂的掺量为占水泥质量的比例。

表3 不同掺量WPR对报废新鲜预拌混凝土的影响（kg/m3）

表4 不同掺量HPR剂对报废新鲜预拌混凝土的影响（kg/m3）

表5 不同掺量SPR对报废新鲜预拌混凝土的影响（kg/m3）

表6 不同掺量GPR对报废新鲜预拌混凝土的影响（kg/m3）

4结果与讨论

4.1不同掺量WPR对报废新鲜预拌混凝土的影响

表7为掺入不同掺量的WPR后，报废新鲜预拌混凝土的工作性能和凝结时间的变化。由表可知，随着WPR掺量增加报废新鲜预拌混凝土的初始工作性能和经时工作性能均变好，凝结时间均为12~14h。与基准混凝土相比，加入WPR后可以延长凝结时间5h左右。这是因为白糖的羟基可以通过氢键作用在水泥颗粒表面形成水膜，阻碍水泥水化，起到缓凝作用[4]。所以掺入WPR后，可以延长报废新鲜混凝土的凝结时间，使其满足再次运输和泵送要求。图1为不同掺量的WPR对报废新鲜预拌混凝土抗压强度的影响。由图可知，掺入WPR后，报废新鲜预拌混凝土的7d、28d强度较基准混凝土有所提高。

表7不同掺量的WPR对报废新鲜预拌混凝土工作性能和凝结时间的影响

4.2不同掺量HPR对报废新鲜预拌混凝土的影响

表8为不同HPR掺量下，报废新鲜预拌混凝土工作性能和凝结时间。由表可知，随着HPR掺量增加，报废新鲜预拌混凝土的工作性能先下降后上升，掺量为1.6wt%时最低；凝结时间随着掺量的增加而降低，其中掺量为1.1wt%时，初凝时间＞72h，终凝时间＞120h，不满足施工要求。这是因为当水泥吸附羟基乙叉二磷酸之后，水泥颗粒表面电荷降低，导致水泥颗粒之间的距离增大；此外，羟基乙叉二磷酸会与水中的Ca2+结合，形成难溶性磷酸盐，覆盖在水泥颗粒表面或水化产物晶核上，形成包裹层，延缓或阻碍了水泥颗粒的水化反应[5]。与基准混凝土，掺入HPR后，报废新鲜预拌混凝土的抗压强度均较低，仅大于30.0MPa（如图2所示）。

表8不同掺量的HPR对报废新鲜预拌混凝土工作性能和凝结时间的影响

4.3不同掺量SPR对报废新鲜预拌混凝土的影响

表9为在不同SPR掺量下，报废新鲜预拌混凝土工作性能和凝结时间。可见，随着掺量增加报废新鲜预拌混凝土的坍落度、扩展度均增加，这说明掺入SPR后可使报废新鲜预拌混凝土的工作性能满足施工要求。初、凝凝结时间均为11h和13h，相对于基准混凝土推迟了3.5h左右。这是因为三聚磷酸钠中磷酸盐与Ca(OH)2反应，降低溶液中Ca2+离子浓度，形成“不溶性”磷酸钙或络合物吸附在水泥颗粒表面上，阻碍了水泥的水化进程，延长了混凝土的凝结时间[6]。此外，抗压强度测试结果显示（图3），掺入SPR后报废新鲜预拌混凝土的抗压强度均低于基准混凝土，但是仍大于30MPa，满足C30混凝土的强度要求。

表9不同掺量的SPR对报废新鲜预拌混凝土工作性能和凝结时间的影响

4.4不同掺量GPR对报废新鲜预拌混凝土的影响

葡萄糖酸钠的缓凝由两种作用造成：（1）葡萄糖酸钠的羧基会与液相溶液中游离Ca2+发生反应生成不稳定的络合物，在水化初期降低了Ca2+的浓度，降低水泥的反应速率；（2）葡萄糖酸钠的OH-与水分子的氢键以及水分子之间的氢键发生缔合发应，在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜，阻止水泥颗粒间的接触，延缓水泥水化反应的进程[7]。所以本文掺入GPR后，报废新鲜预拌混凝土的工作性能较好，但是初凝时间＞72h，终凝时间＞120h。抗压强度数据表明（如图4所示），由于报废新鲜预拌混凝土的终凝时间太长，无法检测7d抗压强度，28d抗压强度也明显低于基准组混凝土。

表10不同掺量的GPR对报废新鲜预拌混凝土工作性能和凝结时间的影响

5结论

（1）葡萄糖酸钠、白糖、羟基乙叉二磷酸、三聚磷酸钠分别与聚羧酸减水剂制备的水化调节剂均能恢复报废新鲜预拌混凝土的工作性和延长凝结时间。

（2）WPR、HPR、SPR均能使报废新鲜预拌混凝土的凝结时间较基准混凝土延长4~5h，满足再次运输与泵送需求。而掺入GPR使报废新鲜预拌混凝土凝结时间＞72h，不满足实际施工要求。

（3）掺入WPR和SPR后，报废新鲜预拌混凝土抗压强度与基准混凝土相当，满足C30混凝土抗压强度要求。

（4）掺入HPR和GPR的报废新鲜预拌混凝土28d抗压强度较低，不满足C30的抗压强度要求。此外，掺入GPR的报废新鲜预拌混凝土由于凝结时间太长，7d强度无法检测，不宜用于处理报废新鲜预拌混凝土。

参考文献

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[2]林宗寿.无机非金属材料工学[M].武汉:武汉理工大学出版社.2016.

[3]白武东.聚羧酸系高性能减水剂合成工艺与性能研究[D].中北大学,2021.

[4]刘世成,曹开伟,徐升才等.白糖和葡萄糖酸钠二元复合对长螺旋咬合桩用超缓凝混凝土性能的影响[J].硅酸盐通报,2022,41(12):4214-4224.

[5]郭鹏飞,余燕华,黄永毅.不同缓凝剂的缓凝效果及其对水泥水化的影响[J].新型建筑材料,2022,49(04):22-25.

[6]杨平.三聚磷酸钠在水泥颗粒表面的吸附行为及缓凝剂机理[J].硅酸盐通报,2013,32(06):1212-1216.

[7]段瑞斌,谢勇剑,林湘生等.不同缓凝剂对预拌砂浆性能影响试验研究[J].广东建材,2015,31(01):16-18.