前言
水泥的泌水性是表示水泥加水後至水泥漿體形成穩定的凝聚結構前，過剩的水分從水泥漿體中析出的難易程度。使用泌水性大的水泥所配製的混凝土，孔隙率提高，尤其是連通的毛細孔增多，混凝土的質量不均，導致混凝土的抗滲、抗凍、耐蝕等性能較差，且由於泌水造成的混凝土薄弱層，使混凝土整體強度降低。外觀上觀察，混凝土干硬後，表面易露出砂石，孔洞多，粗糙，製作預製件時，經常達不到用戶預定的要求。隨著拌制混凝土技術的不斷發展，水泥用戶不僅重視對GB175-92水泥的各項技術要求，而且較多用戶提出了水泥的泌水率要小，抗滲性好等要求。因此，研究和改善水泥的泌水性，對改善水泥的使用性能至關重要。
A水泥配料特點為少熟料儘可能利用公司內自產的副產物，其優點為水泥配料成本較低，水化放熱量低。但由於熟料含量低，混合材含量高，水泥的水化反應較為緩慢，水化誘導期延長，水泥凝結時間較B水泥延長約30～60min，這會導致配製的混凝土在澆筑後的1～2h內出現較為明顯的泌水現象，不滿足客戶的使用要求，客戶抱怨增多，同時限制了A水泥在結構工程等大型工程的使用。
為改善A水泥泌水大的問題，研究了粉煤灰、鋼渣、石灰石對水泥泌水性能的影響。
01
實驗
1.1 原料
A產P·O42.5水泥，比表面積350m²/kg，3天抗壓強度24～25MPa，標準稠度需水量29.5％，初凝時間195min，終凝時間240min。AS95級礦渣粉比表面積410m²/kg，7天活性指數80％，28天活性指數108％。A電廠產三級粉煤灰，45μm篩余約為18％。A產二級鋼渣粉，比表面積405m²/kg，7天活性指數67％，28天活性指數75％。所用石灰石均為A統一採購，燒失量為40％，將其粉磨至比表400m²/kg。對標實物為日照B產P·O42.5水泥。
1.2 樣品表徵
1.2.1水泥泌水的模型的建立
水泥漿體的穩定性可以描述為它隨時間保持均勻的能力，Fitch通過對比與Kynch理論思路的相關性，解釋了懸浮和沉澱的界面是如何隨著時間不斷上升，次序見圖1所示。
從圖1中可以看出，在水泥整個沉降過程中，水泥漿沉澱的類型是隨著時間和位置的不同而變化的，決定其沉澱類型的主要是對應的時間和位置的固體濃度和顆粒凝絮情況。
圖1 Fitch的表示不同類型沉澱的共生次序圖
圖2 水泥沉降泌水的概念模型
通過觀察和分析水泥泌水下的擴散邊界的泌水情況和新制水泥漿中濾餅的形成過程，提出水泥的沉降泌水模型，見圖2。
水泥漿體在殉階段是完全的均勻分散的懸浮液，當阻尼沉降開始之後，水泥顆粒開始下沉，水開始向上流動。在凝固之前，水泥漿的沉澱過程可以分成四個不同的階段。在第一階段(T1)，在懸浮液當中有四個不同的區域：泌水區上清液、均勻區、濃度可變區和沉澱區。在泌水區假設固體體積分數為零，雖然上清液看起來很渾濁可能在液體中存在少量微小顆粒。在第二階段(T2)，由於不同顆粒的沉降速率不一樣，均勻區消失，只有泌水區上清液、濃度可變區和沉澱區留下來，在上清液和均勻區之間存在一個模糊區域。在第三階段(T3)，所有顆粒都已經沉澱，懸浮液由上清液和沉澱區兩個部分組成。第四階段(T4)，沉澱達到平衡之後，沉澱區繼續壓縮，上清液不斷增加，直到沉澱物的堆積和壓縮達到最大值。
1.2.2泌水率的測定方法
參考相關文獻，制定出A水泥泌水模型及實驗方法如下：使用水泥淨漿測驗水泥泌水性能，在250g水泥中加入500g水，統一水灰比為0.5，調整水泥配比時，需測標準稠度。淨漿攪拌機正常制度攪拌，取250g水泥淨漿倒入小燒杯內，放人標養，前30min觀測一次，吸取上清液稱重，記錄重量變化，以後每20min觀測一次，觀測總時間為180min，記錄期間內水泥的泌水速率變化，泌水率計算公式為，水泥泌水率=泌水量／水泥淨漿加水量×100％。
02
結果與討論
2.1 混合材對水泥泌水速率和累積泌水率的影響
按照上述水泥泌水模型及實驗方法，測定目前公司水泥和對標實物水泥的泌水性能，研究粉煤灰、鋼渣粉、石灰石這三種混合材摻量變化對水泥泌水的影響。主要調整方向為調整水泥中的粉煤灰和礦渣粉比例，加入鋼渣粉、石灰石粉進行調整，測定180min內水泥初凝(水泥初凝約200min)前的泌水速率及泌水總量變化曲線，見圖3和圖4，可知：
圖3 調整配比和B水泥的泌水速率曲線
圖4 調整配比和B水泥的累積泌水率曲線
(1)對比B水泥，從泌水速率曲線來看，現行的水泥配比在80min出現泌水速率的最大峰值3.31％，而B水泥基本呈線性下降趨勢，表明A水泥前期泌水量大。從累積泌水率曲線來看，180min後，A的水泥累積泌水率高達13.82％，而B水泥的僅為12.17％，相差表明A水泥泌水量大。
(2)使用5％和6％的鋼渣粉替代粉煤灰，泌水速率降低，在70min之後低於現行配比水泥和B水泥。180min後的累積泌水率分別為10.3％和11.68％，較現行配比水泥的低3.52％和2.14％，較B水泥低1.87％和0.49％，表明粉煤灰的加入不利於水泥泌水量的降低，使用鋼渣粉替代粉煤灰可以有效的改善水泥的泌水性能，但鋼渣粉為60元／t，導致水泥成本上升約2.13元／t和2.89元／t。
(3)加入2％石灰石粉，替代1％礦渣粉和1％粉煤灰，可降低泌水總量絕對值為0.57％，但可以顯著降低50min以內的泌水總量的絕對值1.69％，初期石灰石粉的保水性較好，可顯著降低50min內水泥的泌水量，水泥泌水曲線呈單峰式，在50min達到最大值，隨著時間延長逐漸降低，50min之後的泌水速率曲線基本上與B水泥的泌水速率曲線重合，表明加入2％石灰石粉可以調整A水泥的泌水性能與B水泥的泌水性能相近，符合水泥市場的需求。
同時石灰石的調整，使水泥成本降低0.96元／t (見表1)，按照年產220萬t水泥核算，年降本可達220×0.96=211.2萬元。
表1 多種混合材配製的水泥直接材料成本的變化
2.2 多種混合材對水泥泌水性影響的機理分析
圖5為P·O42.5水泥的水化熱曲線，可知水化經歷5個階段，分別是I誘導前期、Ⅱ誘導期、Ⅲ水化加速期、Ⅳ水化減速期和V水化穩定期，其中在第二階段水化誘導期是由成核所控制的，溶液中的Ca²+達到成核濃度臨界值所需時間，矽酸鹽凝膠(C-S-H)和Ca(OH)₂(C-H)晶核才能出現並成長為水化產物，進入水化加速期後，大量的絮凝和網狀的水化產物產生，導致水泥凝結，並鎖住水分，降低水泥的泌水量。
圖5 P·O42.5水泥的水化熱曲線
因此從水泥水化的本質上講，要降低水泥的泌水量，本質上是要縮短水泥的水化的誘導期，即第一要縮短凝結時間，第二促進水泥中C₃S的水化。因此從水泥水化角度，分析鋼渣粉、粉煤灰和石灰石對泌水的作用機理如下：
(1)5％～6％的鋼渣粉的加入促進了水泥整體的保水效果，使水泥漿體「增稠」，避免了180min前的水分的泌出。
(2)粉煤灰因其密度低，且多為球狀形貌，在水泥漿體靜置的過程中，隨著時間的推移，水分從其表面析出，因此粉煤灰的加入不利於水泥泌水性能，但其價格低，有利於水泥成本的降低。
(3)石灰石粉的加入，作為「晶核效應」，促進Ca²+的釋放和C-S-H的成核長大，縮短了水化誘導期，宏觀表現為水泥泌水速率和泌水總量降低。通過2％石灰石的調整，可與市面主流的B水泥性能接近，水泥泌水性能改善，得到客戶的認可，同時可降低水泥直接材料成本。
03
結論
(1)A水泥的泌水性能較B水泥的差，泌水速率高，累積泌水率較B水泥的高1.65％。
(2)5％～6％的鋼渣粉的加入促進了水泥整體的保水效果，泌水速率和累積泌水率較現行水泥配比和B水泥的低，但水泥成本上升2.13元／t和2.89元／t。
(3)粉煤灰因其密度低，且多為球狀形貌，不利於水泥泌水性能。
(4)2％石灰石粉的加入，可降低水泥的泌水率和累積泌水率，其性能曲線與B水泥的相近，同時水泥成本降低0.96元／t，年降本效益達211.2萬元，實現水泥質量和成本雙贏。
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