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浅谈混凝土坍落度损失与控制

2017-05-04 16:36:30

【摘 要】:混凝土坍落度损失是混凝土施工中困挠工程技术人员的一项难题。随着工程建设技术的不断提高,现代混凝土工艺对混凝土工作性能的要求越来越高,不仅有高强度、高耐久性等要求,而且要求具有较高的工作性。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个重要指标,坍落度损失过大的问题严重影响施工进度及工程质量,保持和减小混凝土坍落度损失是控制混凝土的质量的重要保证。

【关键词】:混凝土 坍落度 损失 控制

1、前言

水泥混凝土是当今世界上使用量最大、使用范围最广的建筑材料之一,已普遍应用于各类土木建筑工程、公路工程建设中。随着建设工程技术的不断提高,现代混凝土工艺要求混凝土在流动性、和易性等方面具有良好的性能,以满足集中搅拌、远距离运输、泵送、不振捣、自流平、自密实等过程的要求。

新拌制的混凝土,随着时间的推移会逐渐变稠、变硬,并产生强度,这就是混凝土的凝结硬化过程。而反映在坍落度的变化上,就是坍落度逐渐损失,混凝土坍落度损失是目前混凝土搅拌站以及公路工程建设中普遍遇到的一个技术难题。混凝土的施工必须要求有足够的坍落度,这一坍落度不是指新拌混凝土搅拌结束时的坍落度,而是指到达工地后浇筑时的坍落度。坍落度损失过大的问题严重影响施工进度及工程质量。

2、混凝土塌落度损失机理

混凝土塌落度损失是一个普遍存在的问题。水泥水化过程中,由于物理分散与化学分散,液相中的粒子增多;分散的粒子由于布朗运动、重力、机械搅拌三种力的作用,粒子产生凝聚,以降低整个系统的能量。

假设系统中最初的水泥颗粒数为n(ml),由于碰撞而使颗粒减少一半的时间为t/2,称之位半衰期,可以认为是混凝土塌落度减少一半的时间。

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式中:K-实验常数;α-水泥粒子半径; -水泥密度;W/C-水灰比;T-绝对温度; -两个水泥粒子相互作用位能曲线上的最大值,或称为阻止水泥粒子凝聚的势垒。

上式表征了混凝土拌合物塌落度经时变化的一般规律。可见,水泥越细,也即α越小,塌落度损失越大。温度越高,塌落度损失也越大。但是,这些都属于试验条件,要控制塌落度损失,关键是控制势垒 的大小。

两个水泥粒子间相互作用曲线如图1所示。可见,控制混凝土塌落度损失可以从两方面入手,一是降低水泥粒子的分散与凝聚,也即能控制水泥粒子之间作用范围在某一程度,使 曲线在某一时间范围内处于稳定状态;其次是增大静电斥力位能曲线,使 曲线在某一时间范围内处于稳定状态。

 

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1 水泥粒子间相互作用位能曲线(分散状态)

3、引起混凝土坍落度损失的原因

坍落度主要是指混凝土的塑化性能和可泵性能,即和易性,具体来说就是保证施工的正常进行,其中包括混凝土的流动性、粘聚性和保水性。所谓混凝土坍落度损失是指随着时间的推移,新拌的混凝土由于硬化而失去和易性的现象。影响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种、骨料条件、时间和温度、外加剂等几个方面影响,且这些因素相互关联。

3.1 单位体积用水量和水灰比

单位体积用水量是指在单位体积水泥混凝土中,所加入水的质量,它是影响水泥混凝土工作性能的最主要因素。新拌混凝土的流动性主要是依靠集料及水泥颗粒表面吸附一层水膜,从而使颗粒间比较润滑。而粘聚性也主要是依靠水的表面张力作用,如用水量过少,则水膜较薄,润滑效果较差;而用水量过多,毛细孔被水分填满,表面张力的作用减小,混凝土的粘聚性变差,易泌水。在相同条件下,增大水灰比可有效减小坍落度损失率,其主要原因是用水量的增大,部分弥补了由于高温蒸发而失去的水分,使其在一定时间内坍落度值变化较小。但水灰比的增大要以保证强度为前提。

3.2 水泥

水泥中的主要矿物成分是C3SC2SC3AC4AF。不同矿物成分对减水剂的吸附作用大小不同。减水剂的主要作用是吸附在水泥矿物的表面,降低分散体系中两相问的界面自由能,提高分散体系的稳定性。在相同条件下,水泥成分中对减水剂的吸附性大小依次为C3AC4AFC3SC2S。若水泥中C3AC4AF含量较大,则大量减水剂被其吸附,占水泥成分较多的C3SC2S就显得吸附量不足,动电电位显下降,导致混凝土坍落度损失,这是造成掺减

水剂的混凝土坍损的根本原因。所以,水泥中C3AC4AF含量较高的混凝土坍落度损失较大,反之较小。在水泥水化过程中,3mm30mm 的熟料颗粒主要起强度增长作用,而大于60μm的颗粒则对强度不起作用,小于10μm的颗粒主要起早强作用,3μm以下的颗粒只起早强作用。小于10μm的颗粒需水量大。流变性好的水泥,10μm以下颗粒应少于10%。颗粒越浅谈混凝土坍落度损失的原因分析及其预控措施细,细颗粒越多,增大早期水化放热,这必将加剧塌落度损失。

3.3 集料

集料的特性包括集料的最大粒径、形状、表面纹理(卵石或碎石)、级配和吸水性等,这些特性将不同程度地影响新拌混凝土的和易性。其中最为明显的是,卵石拌制的混凝土拌合物的流动性较碎石的好。集料的最大粒径增大,可使集料的总表面积减小,拌合物的工作性能也随之改善。集料的级配对混凝土的保水性和粘聚性影响很大,严重时会使拌合物显得粗涩、粗集料离析、水泥浆流失,甚至出现溃散等不良现象。良好的集料级配可有效地减少坍损,从而配制出流动性好、坍落度损失小的混凝土。

3.4 外加剂和掺和料的影响

掺加适量需水量小的优质粉煤灰或微细矿粉对于提高混凝土的和易性及抑制坍落度损失有利。不同种类的化学外加剂对混凝土的塌落度损失有着不同的影响。在拌制混凝土时,加入外加剂的时间选择也影响混凝土坍落度损失的大小。加入减水剂后,混凝土坍落度值对单位用水量的敏感性增强,加上大幅度减水使水灰比有较大的降低,同样蒸发量会使坍落度降低比基准混凝土大。

3.5 环境影响

引起混凝土坍落度损失的环境因素,主要有时间、温度、湿度和风速。对于给定组成材料性质和配合比例的混凝土拌合物,其工作性能的变化,主要受水泥的水化速率和水分的蒸发速率所支配。水泥的水化,一方面消耗了水分;另一方面,产生的水化产物起到了胶粘作用,进一步阻碍了颗粒间的滑动。而水分的挥发将直接减少单位混凝土中水的含量。同样,风速和湿度因素会影响拌合物水分的蒸发速率,进而影响坍落度。在不同环境条件下,要保证拌合物具有一定的工作性,必须采取相应的改善工作性的措施。在较短的时间内,搅拌得越完全越彻底,混凝土拌合物的和易性越好。适当延长搅拌时间,也可以获得较好的和易性,但如果搅拌时间过长,由于部分水泥水化将使其流动性降低。温度升高也会使混凝土坍落度损失加大,这是水化速度加快的结果。因此,夏天施工的混凝土特别需要控制坍落度的损失。天气干燥,水分容易蒸发,也促使坍落度损失。搅拌过程中气泡的外溢也会引起坍落度损失。

4、抑制混凝土坍落度损失的措施

通过以上分析,混凝土坍落度损失过大是由多种因素造成的,因此需要根据不同的情况提出不同的解决方法,目前主要有以下方法。

4.1减水剂后掺法

即在砂、石、水泥、水拌合之后再掺减水剂。这种方法对抑制坍落度损失有明显效果。主要是因为水泥遇水后,在有石膏的环境中水泥中的C3AC4AF能迅速生成钙矾石,C3AC4AF在体系中明显减少,这时再加入减水剂,被C3AC4AF吸附消耗的减水剂量显著减少,大量的减水剂能比较充分地被C2SC3S吸附,水泥颗粒的动电电位明显提高,并在一定时间内保持相对稳定,直接表现为混凝土的和易性好,坍落度损失较小,这种方法简单便于应用。但此方法作用有一定限度,使用上有一定局限性。

4.2掺缓凝剂法

缓凝剂对水泥缓凝的作用理论有吸附理论、生成络盐理论、沉淀理论和控制氢氧化物结晶生长理论。多数有机缓凝剂有表面活性,它们在固液界面产生吸附,改变固体粒子表面性质,即亲水性。由于吸附作用,它们的分子中羟基在水泥粒子表面阻碍水泥水化过程,使晶体相互接触受到屏蔽,改变了结构形成过程。缓凝作用机理的另一种观点认为,缓凝剂吸附在Ca(OH)2上,抑制了其继续生长,在达到一定过饱和度之前,Ca(OH)2的生长将停止。这个理论重点放在缓凝剂在Ca(OH)2上的吸附,而不是在水化产物上吸附。但是研究表明仅仅抑制或改变Ca(OH)2的生长和状态不足以引起缓凝,而更重要的是缓凝剂在水化的C3S上的吸附。有机缓凝剂使水泥中的C3A水化减慢,选择性地与Al2O3表面吸附的减水剂进行交换,被交换下来的减水剂显著提高了溶液中减水剂的浓度,为C3AC2S吸附提供了充足的减水剂,有效地抑制了坍落度损失。

4.3调整混凝土外加剂

使用高分子量的减水剂,并与适量的保水组分配合使用,在不增加用水量的同时增加了混凝土中的游离水的含量,可缓解坍落度损失。但此方法易造成混凝土成本增加。通过物理方法把减水剂制造成不同粒径、不同溶解速率的颗粒状物,掺到新拌混凝土中,使其在水泥水化体系中形成不同的水化梯度,随时补充由于C3AC4AF消耗的减水剂,使体系中的减水剂始终维持在临界胶束状态,使坍落度不损失或损失很小。也可在减水剂外表做一层能在碱性溶液中缓慢溶解、溶解速率不同的外壳,从而控制减水剂在水泥浆体中的浓度,达到抑制坍损的目的。也可选择适当的含有极性基团的活性成分,与减水剂发生化学反应,不断地向水水泥体系中缓慢释放分散剂,控制减水剂的溶解速度并保持一定浓度,使水泥颗粒始终维持一定的动电电位,从而达到抑制塌落度损失的目的。

4.4减少混凝土失水及低温拌合运输

混凝土的温度越高,水泥水化速度越快,水泥颗粒维持一定的动电电位时间越短,混凝土中游离水变为结合水的比例就越大。所以,新拌混凝土的温度越高,塌落度损失越快;温度越低,塌落度损失越慢。一般来讲,温度每上升10℃,坍落度损失增大10%~40%。在拌制混凝土之前,适当降低砂、石料及拌合水的温度可有效降低混凝土的温度,抑制塌损;在装载混凝土之前,给混凝土搅拌运输车浇水降温,避免混凝土在等待进场前暴晒,都达到抑制塌落度损失的目的。

5、结束语

影响混凝土坍落度损失的因素较多,根本原因是水泥中的不同矿物成分对减水剂吸附性大小不同。C3AC4AF含量高的水泥易出现塌落度损失大的问题。后掺法、掺缓凝剂法、降低新拌混凝土温度等方法对控制混凝土塌落度损失效果明显。在实际的混凝土生产、施工中,我们只有根据不同的施工条件、环境,不同的原材料等因素,不断的进行及实践,总结经验并选择合适的解决措施,才能有效地解决混凝土坍落度损失的问题,保证工程质量。

参考文献

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[2] 张登祥 杨伟军,预拌混凝土坍落度损失机理及控制技术研究[J],《中外公路》,200901

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[4] 梁永富 孙瑜 张俊,混凝土坍落度损失分析与控制措施[J],《西部交通科技》,201206

 摘自——《湿拌砂浆》

作者:姬晓鹏

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