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淺談混凝土坍落度損失與控制

2017-05-04 16:36:30

【摘 要】:混凝土坍落度損失是混凝土施工中困撓工程技術人員的一項難題。隨著工程建設技術的不斷提高,現代混凝土工藝對混凝土工作性能的要求越來越高,不僅有高強度、高耐久性等要求,而且要求具有較高的工作性。在混凝土施工中,混凝土坍落度是混凝土拌合物工作性的一個重要指標,坍落度損失過大的問題嚴重影響施工進度及工程質量,保持和減小混凝土坍落度損失是控制混凝土的質量的重要保證。

【關鍵詞】:混凝土 坍落度 損失 控制

1、前言

水泥混凝土是當今世界上使用量最大、使用范圍最廣的建筑材料之一,已普遍應用于各類土木建筑工程、公路工程建設中。隨著建設工程技術的不斷提高,現代混凝土工藝要求混凝土在流動性、和易性等方面具有良好的性能,以滿足集中攪拌、遠距離運輸、泵送、不振搗、自流平、自密實等過程的要求。

新拌制的混凝土,隨著時間的推移會逐漸變稠、變硬,并產生強度,這就是混凝土的凝結硬化過程。而反映在坍落度的變化上,就是坍落度逐漸損失,混凝土坍落度損失是目前混凝土攪拌站以及公路工程建設中普遍遇到的一個技術難題。混凝土的施工必須要求有足夠的坍落度,這一坍落度不是指新拌混凝土攪拌結束時的坍落度,而是指到達工地后澆筑時的坍落度。坍落度損失過大的問題嚴重影響施工進度及工程質量。

2、混凝土塌落度損失機理

混凝土塌落度損失是一個普遍存在的問題。水泥水化過程中,由于物理分散與化學分散,液相中的粒子增多;分散的粒子由于布朗運動、重力、機械攪拌三種力的作用,粒子產生凝聚,以降低整個系統的能量。

假設系統中最初的水泥顆粒數為n(ml),由于碰撞而使顆粒減少一半的時間為t/2,稱之位半衰期,可以認為是混凝土塌落度減少一半的時間。

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式中:K-實驗常數;α-水泥粒子半徑; -水泥密度;W/C-水灰比;T-絕對溫度; -兩個水泥粒子相互作用位能曲線上的最大值,或稱為阻止水泥粒子凝聚的勢壘。

上式表征了混凝土拌合物塌落度經時變化的一般規律。可見,水泥越細,也即α越小,塌落度損失越大。溫度越高,塌落度損失也越大。但是,這些都屬于試驗條件,要控制塌落度損失,關鍵是控制勢壘 的大小。

兩個水泥粒子間相互作用曲線如圖1所示。可見,控制混凝土塌落度損失可以從兩方面入手,一是降低水泥粒子的分散與凝聚,也即能控制水泥粒子之間作用范圍在某一程度,使 曲線在某一時間范圍內處于穩定狀態;其次是增大靜電斥力位能曲線,使 曲線在某一時間范圍內處于穩定狀態。

 

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1 水泥粒子間相互作用位能曲線(分散狀態)

3、引起混凝土坍落度損失的原因

坍落度主要是指混凝土的塑化性能和可泵性能,即和易性,具體來說就是保證施工的正常進行,其中包括混凝土的流動性、粘聚性和保水性。所謂混凝土坍落度損失是指隨著時間的推移,新拌的混凝土由于硬化而失去和易性的現象。影響混凝土塌落度的主要有用水量、水灰比、砂率以及包括水泥品種、骨料條件、時間和溫度、外加劑等幾個方面影響,且這些因素相互關聯。

3.1 單位體積用水量和水灰比

單位體積用水量是指在單位體積水泥混凝土中,所加入水的質量,它是影響水泥混凝土工作性能的最主要因素。新拌混凝土的流動性主要是依靠集料及水泥顆粒表面吸附一層水膜,從而使顆粒間比較潤滑。而粘聚性也主要是依靠水的表面張力作用,如用水量過少,則水膜較薄,潤滑效果較差;而用水量過多,毛細孔被水分填滿,表面張力的作用減小,混凝土的粘聚性變差,易泌水。在相同條件下,增大水灰比可有效減小坍落度損失率,其主要原因是用水量的增大,部分彌補了由于高溫蒸發而失去的水分,使其在一定時間內坍落度值變化較小。但水灰比的增大要以保證強度為前提。

3.2 水泥

水泥中的主要礦物成分是C3SC2SC3AC4AF。不同礦物成分對減水劑的吸附作用大小不同。減水劑的主要作用是吸附在水泥礦物的表面,降低分散體系中兩相問的界面自由能,提高分散體系的穩定性。在相同條件下,水泥成分中對減水劑的吸附性大小依次為C3AC4AFC3SC2S。若水泥中C3AC4AF含量較大,則大量減水劑被其吸附,占水泥成分較多的C3SC2S就顯得吸附量不足,動電電位顯下降,導致混凝土坍落度損失,這是造成摻減

水劑的混凝土坍損的根本原因。所以,水泥中C3AC4AF含量較高的混凝土坍落度損失較大,反之較小。在水泥水化過程中,3mm30mm 的熟料顆粒主要起強度增長作用,而大于60μm的顆粒則對強度不起作用,小于10μm的顆粒主要起早強作用,3μm以下的顆粒只起早強作用。小于10μm的顆粒需水量大。流變性好的水泥,10μm以下顆粒應少于10%。顆粒越淺談混凝土坍落度損失的原因分析及其預控措施細,細顆粒越多,增大早期水化放熱,這必將加劇塌落度損失。

3.3 集料

集料的特性包括集料的最大粒徑、形狀、表面紋理(卵石或碎石)、級配和吸水性等,這些特性將不同程度地影響新拌混凝土的和易性。其中最為明顯的是,卵石拌制的混凝土拌合物的流動性較碎石的好。集料的最大粒徑增大,可使集料的總表面積減小,拌合物的工作性能也隨之改善。集料的級配對混凝土的保水性和粘聚性影響很大,嚴重時會使拌合物顯得粗澀、粗集料離析、水泥漿流失,甚至出現潰散等不良現象。良好的集料級配可有效地減少坍損,從而配制出流動性好、坍落度損失小的混凝土。

3.4 外加劑和摻和料的影響

摻加適量需水量小的優質粉煤灰或微細礦粉對于提高混凝土的和易性及抑制坍落度損失有利。不同種類的化學外加劑對混凝土的塌落度損失有著不同的影響。在拌制混凝土時,加入外加劑的時間選擇也影響混凝土坍落度損失的大小。加入減水劑后,混凝土坍落度值對單位用水量的敏感性增強,加上大幅度減水使水灰比有較大的降低,同樣蒸發量會使坍落度降低比基準混凝土大。

3.5 環境影響

引起混凝土坍落度損失的環境因素,主要有時間、溫度、濕度和風速。對于給定組成材料性質和配合比例的混凝土拌合物,其工作性能的變化,主要受水泥的水化速率和水分的蒸發速率所支配。水泥的水化,一方面消耗了水分;另一方面,產生的水化產物起到了膠粘作用,進一步阻礙了顆粒間的滑動。而水分的揮發將直接減少單位混凝土中水的含量。同樣,風速和濕度因素會影響拌合物水分的蒸發速率,進而影響坍落度。在不同環境條件下,要保證拌合物具有一定的工作性,必須采取相應的改善工作性的措施。在較短的時間內,攪拌得越完全越徹底,混凝土拌合物的和易性越好。適當延長攪拌時間,也可以獲得較好的和易性,但如果攪拌時間過長,由于部分水泥水化將使其流動性降低。溫度升高也會使混凝土坍落度損失加大,這是水化速度加快的結果。因此,夏天施工的混凝土特別需要控制坍落度的損失。天氣干燥,水分容易蒸發,也促使坍落度損失。攪拌過程中氣泡的外溢也會引起坍落度損失。

4、抑制混凝土坍落度損失的措施

通過以上分析,混凝土坍落度損失過大是由多種因素造成的,因此需要根據不同的情況提出不同的解決方法,目前主要有以下方法。

4.1減水劑后摻法

即在砂、石、水泥、水拌合之后再摻減水劑。這種方法對抑制坍落度損失有明顯效果。主要是因為水泥遇水后,在有石膏的環境中水泥中的C3AC4AF能迅速生成鈣礬石,C3AC4AF在體系中明顯減少,這時再加入減水劑,被C3AC4AF吸附消耗的減水劑量顯著減少,大量的減水劑能比較充分地被C2SC3S吸附,水泥顆粒的動電電位明顯提高,并在一定時間內保持相對穩定,直接表現為混凝土的和易性好,坍落度損失較小,這種方法簡單便于應用。但此方法作用有一定限度,使用上有一定局限性。

4.2摻緩凝劑法

緩凝劑對水泥緩凝的作用理論有吸附理論、生成絡鹽理論、沉淀理論和控制氫氧化物結晶生長理論。多數有機緩凝劑有表面活性,它們在固液界面產生吸附,改變固體粒子表面性質,即親水性。由于吸附作用,它們的分子中羥基在水泥粒子表面阻礙水泥水化過程,使晶體相互接觸受到屏蔽,改變了結構形成過程。緩凝作用機理的另一種觀點認為,緩凝劑吸附在Ca(OH)2上,抑制了其繼續生長,在達到一定過飽和度之前,Ca(OH)2的生長將停止。這個理論重點放在緩凝劑在Ca(OH)2上的吸附,而不是在水化產物上吸附。但是研究表明僅僅抑制或改變Ca(OH)2的生長和狀態不足以引起緩凝,而更重要的是緩凝劑在水化的C3S上的吸附。有機緩凝劑使水泥中的C3A水化減慢,選擇性地與Al2O3表面吸附的減水劑進行交換,被交換下來的減水劑顯著提高了溶液中減水劑的濃度,為C3AC2S吸附提供了充足的減水劑,有效地抑制了坍落度損失。

4.3調整混凝土外加劑

使用高分子量的減水劑,并與適量的保水組分配合使用,在不增加用水量的同時增加了混凝土中的游離水的含量,可緩解坍落度損失。但此方法易造成混凝土成本增加。通過物理方法把減水劑制造成不同粒徑、不同溶解速率的顆粒狀物,摻到新拌混凝土中,使其在水泥水化體系中形成不同的水化梯度,隨時補充由于C3AC4AF消耗的減水劑,使體系中的減水劑始終維持在臨界膠束狀態,使坍落度不損失或損失很小。也可在減水劑外表做一層能在堿性溶液中緩慢溶解、溶解速率不同的外殼,從而控制減水劑在水泥漿體中的濃度,達到抑制坍損的目的。也可選擇適當的含有極性基團的活性成分,與減水劑發生化學反應,不斷地向水水泥體系中緩慢釋放分散劑,控制減水劑的溶解速度并保持一定濃度,使水泥顆粒始終維持一定的動電電位,從而達到抑制塌落度損失的目的。

4.4減少混凝土失水及低溫拌合運輸

混凝土的溫度越高,水泥水化速度越快,水泥顆粒維持一定的動電電位時間越短,混凝土中游離水變為結合水的比例就越大。所以,新拌混凝土的溫度越高,塌落度損失越快;溫度越低,塌落度損失越慢。一般來講,溫度每上升10℃,坍落度損失增大10%~40%。在拌制混凝土之前,適當降低砂、石料及拌合水的溫度可有效降低混凝土的溫度,抑制塌損;在裝載混凝土之前,給混凝土攪拌運輸車澆水降溫,避免混凝土在等待進場前暴曬,都達到抑制塌落度損失的目的。

5、結束語

影響混凝土坍落度損失的因素較多,根本原因是水泥中的不同礦物成分對減水劑吸附性大小不同。C3AC4AF含量高的水泥易出現塌落度損失大的問題。后摻法、摻緩凝劑法、降低新拌混凝土溫度等方法對控制混凝土塌落度損失效果明顯。在實際的混凝土生產、施工中,我們只有根據不同的施工條件、環境,不同的原材料等因素,不斷的進行及實踐,總結經驗并選擇合適的解決措施,才能有效地解決混凝土坍落度損失的問題,保證工程質量。

參考文獻

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 摘自——《濕拌砂漿》

作者:姬曉鵬

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