淺談混凝土坍落度損失與控制 |
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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(shù)人員的一項(xiàng)難題。隨著工程建設(shè)技術(shù)的不斷提高,現(xiàn)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(qiáng)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(biāo),坍落度損失過大的問題嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及工程質(zhì)量,保持和減小混凝土坍落度損失是控制混凝土的質(zhì)量的重要保證。
【關(guān)鍵詞】:混凝土 坍落度 損失 控制
1、前言
水泥混凝土是當(dāng)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(yīng)用于各類土木建筑工程、公路工程建設(shè)中。隨著建設(shè)工程技術(shù)的不斷提高,現(xiàn)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(yuǎn)距離運(yùn)輸、泵送、不振搗、自流平、自密實(shí)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(chǎn)生強(qiáng)度,這就是混凝土的凝結(jié)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(shè)中普遍遇到的一個技術(shù)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(jié)束時的坍落度,而是指到達(dá)工地后澆筑時的坍落度。坍落度損失過大的問題嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及工程質(zhì)量。
2、混凝土塌落度損失機(jī)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(xué)分散,液相中的粒子增多;分散的粒子由于布朗運(yùn)動、重力、機(jī)械攪拌三種力的作用,粒子產(chǎn)生凝聚,以降低整個系統(tǒng)的能量。
假設(shè)系統(tǒng)中最初的水泥顆粒數(shù)為n(個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(rèn)為是混凝土塌落度減少一半的時間。
式中:K-實(shí)驗(yàn)常數(shù);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(jīng)時變化的一般規(guī)律??梢姡嘣郊?xì),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(yàn)條件,要控制塌落度損失,關(guān)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(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài);其次是增大靜電斥力位能曲線,使 曲線在某一時間范圍內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖1 水泥粒子間相互作用位能曲線(分散狀態(tài))
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(jìn)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(xiàn)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(guān)聯(lián)。
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(zhì)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(xì)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(bǔ)了由于高溫蒸發(fā)而失去的水分,使其在一定時間內(nèi)坍落度值變化較小。但水灰比的增大要以保證強(qiáng)度為前提。
3.2 水泥
水泥中的主要礦物成分是C3S、C2S、C3A、C4AF。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(wěn)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C3A>C4AF>C3S>C2S。若水泥中C3A、C4AF含量較大,則大量減水劑被其吸附,占水泥成分較多的C3S和C2S就顯得吸附量不足,動電電位顯下降,導(dǎo)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C3A、C4AF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,3mm~30mm 的熟料顆粒主要起強(qiáng)度增長作用,而大于60μm的顆粒則對強(qiáng)度不起作用,小于10μm的顆粒主要起早強(qiáng)作用,3μm以下的顆粒只起早強(qiáng)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(yīng)少于10%。顆粒越淺談混凝土坍落度損失的原因分析及其預(yù)控措施細(xì),細(xì)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(yán)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(xiàn)潰散等不良現(xiàn)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(yōu)質(zhì)粉煤灰或微細(xì)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(xué)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?xí)r,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(qiáng),加上大幅度減水使水灰比有較大的降低,同樣蒸發(fā)量會使坍落度降低比基準(zhǔn)混凝土大。
3.5 環(huán)境影響
引起混凝土坍落度損失的環(huán)境因素,主要有時間、溫度、濕度和風(fēng)速。對于給定組成材料性質(zhì)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(fā)速率所支配。水泥的水化,一方面消耗了水分;另一方面,產(chǎn)生的水化產(chǎn)物起到了膠粘作用,進(jìn)一步阻礙了顆粒間的滑動。而水分的揮發(fā)將直接減少單位混凝土中水的含量。同樣,風(fēng)速和濕度因素會影響拌合物水分的蒸發(fā)速率,進(jìn)而影響坍落度。在不同環(huán)境條件下,要保證拌合物具有一定的工作性,必須采取相應(yīng)的改善工作性的措施。在較短的時間內(nèi),攪拌得越完全越徹底,混凝土拌合物的和易性越好。適當(dāng)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(jié)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(fā),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(jù)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?yàn)樗嘤鏊?,在有石膏的環(huán)境中水泥中的C3A、C4AF能迅速生成鈣礬石,C3A、C4AF在體系中明顯減少,這時再加入減水劑,被C3A、C4AF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C2S、C3S吸附,水泥顆粒的動電電位明顯提高,并在一定時間內(nèi)保持相對穩(wěn)定,直接表現(xiàn)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(yīng)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(luò)鹽理論、沉淀理論和控制氫氧化物結(jié)晶生長理論。多數(shù)有機(jī)緩凝劑有表面活性,它們在固—液界面產(chǎn)生吸附,改變固體粒子表面性質(zhì),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(jié)構(gòu)形成過程。緩凝作用機(jī)理的另一種觀點(diǎn)認(rèn)為,緩凝劑吸附在Ca(OH)2上,抑制了其繼續(xù)生長,在達(dá)到一定過飽和度之前,Ca(OH)2的生長將停止。這個理論重點(diǎn)放在緩凝劑在Ca(OH)2上的吸附,而不是在水化產(chǎn)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(tài)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(jī)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(jìn)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C3A、C2S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(diào)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(bǔ)充由于C3A、C4AF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(tài),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(dá)到抑制坍損的目的。也可選擇適當(dāng)?shù)暮袠O性基團(tuán)的活性成分,與減水劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),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(dá)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(yùn)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?yōu)榻Y(jié)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(dāng)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(yùn)輸車澆水降溫,避免混凝土在等待進(jìn)場前暴曬,都達(dá)到抑制塌落度損失的目的。
5、結(jié)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。C3A和C4AF含量高的水泥易出現(xiàn)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(shí)際的混凝土生產(chǎn)、施工中,我們只有根據(jù)不同的施工條件、環(huán)境,不同的原材料等因素,不斷的進(jìn)行及實(shí)踐,總結(jié)經(jīng)驗(yàn)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(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
[1] 丘衛(wèi)昌,商品混凝土經(jīng)時損失及控制[J],《福建建材》,2008年04期
[2] 張登祥 楊偉軍,預(yù)拌混凝土坍落度損失機(jī)理及控制技術(shù)研究[J],《中外公路》,2009年01期
[3] 黃云涌 肖少華 韓春來,路用水泥混凝土坍落度經(jīng)時損失試驗(yàn)研究[J],《公路工程》,2011年05期
[4] 梁永富 孫瑜 張俊,混凝土坍落度損失分析與控制措施[J],《西部交通科技》,2012年06期
摘自——《濕拌砂漿》
作者:姬曉鵬