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新拌混凝土的泌水

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摘要:本文系统分析了新拌混凝土泌水的机理、泌水对混凝土性能的影响、影响新拌混凝土泌水的因素,总结提出了解决新拌混凝土泌水的措施方法。

新拌混凝土的性能主要包括和易性、坍落度损失、含气量、泌水率等。如果混凝土的配合比设计合理,原材料合格,则和易性、坍落度损失、含气量等都可以通过混凝土外加剂进行调整,而泌水率则没有可以进行直接调整的方法。长期以来,新拌混凝土的泌水一直是一个难题,原因在于泌水受到很多因素的影响,但是没有哪个因素能起关键作用,不能通过该因素直接解决泌水问题。

1.泌水的机理
混凝土由水、胶凝材料、细骨料、粗骨料、外加剂等拌合硬化而成,质量好新拌混凝土应该是所有组分及气泡分布均匀稳定。产生不均匀的情况有三种,一是骨料沉底、浆体上浮,二是浆体沉底、骨料上浮,这两种情况即经常遇到的混凝土离析,三是泌水即水分上浮逸出。产生不均匀的直接原因是各组分密度不同导致沉降或上浮。前两种情况直接导致混凝土的宏观不均匀性。泌水后的混凝土在宏观上仍然是均匀的,但是会导致混凝土上表面不均匀和内部局部不均匀。
根据水分在混凝土中的存在状态,新拌混凝土中的水分可以划分为结合水、润湿水与自由水*。水泥中反应速度快的部分在加水以后可能会发生水化反应,消耗部分水,这部分水定义为新拌混凝土中的结合水,这部分水不能被邻近部位的水分置换,也无法逸出拌和物;水遇到干燥状态的胶凝材料、骨料等以后,胶凝材料和骨料表面会吸附一定量的水,使干燥的材料湿润,这部分水受到固体材料表面的吸附,不能逸出拌和物,但是可以被邻近部位的水分置换,定义这部分水为润湿水;新拌混凝土中其余的水分为自由水,在新拌混凝土中起润滑的作用,混凝土坍落度在很大程度上取决于自由水量的多少和其润滑效果,这部分水与固体材料的联系较少,可以逸出混凝土,所有原材料中水的密度最小,逸出以后上浮,形成泌水,这部分水也称为可泌水分。
水分要从混凝土内部泌出到表面,需要经过较长的距离,犹如经过弯弯曲曲的微细水管,最后到达表面。如果各种颗粒级配好,堆积密实,孔隙微细,则水分泌出需要经过的距离很长,则会使泌水量减小。或者如果水分泌出的通道被阻断,泌水量也会减小。

2.泌水对混凝土性能的影响
泌水对混凝土性能影响认识已经比较清楚,但也有工程人员对此尚有误解,如有人认为泌水以后混凝土中的实际水量下降,水灰比会有所降低,会使混凝土强度提高,对混凝土有益。显然这种认识是不正确的,泌水以后会使混凝土不均匀,并且泌水本身在混凝土中是不均匀的,肯定对混凝土是不利的。泌水部位的混凝土中会产生缺陷,泌水部位水灰比下降的同时,在该部位留下缺陷,导致该部位强度降低而不是增加。另一方面,试验测试得到混凝土强度取决于测试试件的最薄弱部位,泌水以后即使混凝土水灰比降低也是局部的,混凝土中还是存在水灰比不变甚至由于泌水而使水灰比增加的部位,这部分强度的下降会导致混凝土整体强度降低。所以,泌水并不能使混凝土强度提高。
其实,泌水对混凝土强度的影响很有限,而对混凝土耐久性的影响至关重要。从泌水的机理可知,水分从混凝土内部泌出到表面以后,在混凝土中形成了从内到外的通道。这些通道首先降低混凝土的抗渗透能力,虽然这些通道很难直接或通过仪器观察到,但对于混凝土的抗渗透性能影响很大,这一点对于有抗渗透性能要求的混凝土,如水工混凝土、海工混凝土工程等非常重要。其次,泌水对混凝土的抗腐蚀能力、抗冻性能影响很大,原因同样与泌水以后留下的通道有关,腐蚀性介质通过泌水通道很容易进入混凝土内部,到达钢筋表面产生钢筋锈蚀,或者直接与水化产物发生腐蚀反应;同样通过泌水通道使得混凝土内部很容易达到水饱和状态,高度饱和的混凝土在冻融循环作用下劣化的速度很快,产生冻融破坏。

3.影响混凝土泌水的因素
混凝土的泌水几乎与混凝土生产的所有环节有关,如胶凝材料、配合比、含气量、外加剂、振捣过程等。
3.1胶凝材料对混凝土泌水的影响
胶凝材料影响混凝土泌水主要与其反应活性、细度、颗粒形貌等有关。胶凝材料细度越高,比表面积越大,则湿润胶凝材料表面所需的水量越多,即润湿水量较多;同时如果胶凝材料较细,其反应活性增加,初期反应所需要的结合水也会增加。这两部分水的增加会使可以逸出形成泌水的自由水量减少,从而对降低泌水有利。另外,较细的胶凝材料会细化混凝土中的孔隙,降低孔隙连通性,导致泌水通道数量减少和泌水通道距离增大,使得泌水量减少。
胶凝材料形貌不同,其比表面积也不同,所以需要的润湿水不同,最终影响混凝土的泌水。
3.2粉煤灰对泌水的影响
粉煤灰对混凝土泌水的影响具有两面性。掺加粉煤灰减少混凝土泌水可以从三个方面理解:一是粉煤灰的颗粒小于水泥颗粒,比表面积较水泥大很多,因此对水分的吸附作用加强,因而可泌自由水减少;二是粉煤灰颗粒细小,混凝土中固相堆积密实度提高,混凝土中的孔隙细化,泌水通道减小,通道距离增加,也阻碍了水分泌出;三是粉煤灰的密度较小,相对于水泥颗粒而言,不易产生浆体沉降离析,拌和物经时均匀性较好,有利于减少泌水。当然,粉煤灰对改善泌水的有利作用是在粉煤灰品质较好的前提下。如果粉煤灰品质较差,需水量增大,会使混凝土中可泌水量增大。掺加混凝土使混凝土泌水增加的原因有:一是粉煤灰的反应活性远低于水泥,会使混凝土中的结合水量显著减少,导致可泌水分增加;二是粉煤灰颗粒的形貌一般是球形玻璃体,这种形貌不利于吸附混凝土的水分,也可能使混凝土中的可泌水分增加,当然这种形貌对于改善混凝土和易性非常有利。粉煤灰对新拌混凝土泌水的影响取决于具体的粉煤灰品质。
3.3配合比对混凝土泌水的影响
影响混凝土泌水的配合比因素主要有胶凝材料用量和砂率。胶凝材料用量增加或者砂率增加,会使拌和物颗粒的总比表面积增加,润湿水分量增加,使可泌水量减少。同时,细颗粒用量增加,会使泌水通道长度增加,对减小混凝土泌水有利。胶凝材料用量增加,会使混凝土的粘聚性增加、保水性改善,对减少泌水有利。混凝土中的单位用水量与泌水有直接的关系,如果其他材料比例关系保持不变,用水量增加,会使新拌混凝土中的可泌自由水量增加,泌水增大。
3.4含气量对泌水的影响
含气量对新拌混凝土泌水有显著影响。新拌混凝土中的气泡由水分包裹形成,如果气泡能稳定存在,则包裹该气泡的水分被固定在气泡周围。如果气泡很细小、数量足够多,则有相当多量的水分被固定,可泌的水分大大减少,使泌水率显著降低。同时,如果泌水通道中有气泡存在,气泡犹如一个塞子,可以阻断通道,使自由水分不能泌出。即使不能完全阻断通道,也使通道有效面积显著降低,导致泌水量减少。图1的试验数据也证明了新拌混凝土含气量对泌水的影响。


图1 新拌混凝土含气量与泌水的关系

可见,含气量对泌水的影响非常重要,当然必须使用优质引气剂,混凝土中的气泡能稳定存在,而且气泡足够细小。众所周知,由于气泡的润滑作用可以有效减小颗粒间的摩擦阻力,引气同时改善混凝土的和易性。
3.5减水剂对泌水的影响
根据减水剂的作用机理,极性分子吸附在水泥颗粒周围,使得颗粒之间相互排斥,减少絮凝作用,释放被水泥颗粒包裹的水分,同时使水泥颗粒表面的吸附水层变薄,所需的润湿水量大大减少。以此机理,减水剂会使新拌混凝土中的可泌自由水量增加,使泌水增大。但是另一方面,由于减水剂的减水作用,同样坍落度的混凝土所需的拌和水量大大减水,使混凝土中的可泌自由水量减水。最终的泌水情况取决于哪种作用起主导作用。
外加剂与水泥的适应性也影响混凝土的泌水,关于适应性机理,目前还没有公认的研究成果。
3.6施工对混凝土泌水的影响
施工过程中影响混凝土泌水的主要因素是振捣,振捣过程中,混凝土拌和物处于液化状态,此时其中的自由水在压力作用下,很容易在拌和物中形成通道泌出。另外,如果是泵送混凝土,泵送过程中的压力作用会使混凝土中气泡受到破坏,导致泌水增大。

4.解决混凝土泌水的途径
根据混凝土泌水的原理和各因素影响泌水的机理,解决混凝土泌水主要方法有以下几种。
混凝土配合比方面,适当增加胶凝材料用量,适当提高混凝土的砂率,在不满足其他性能的前提下,使混凝土适量引气。在保证施工性能的前提下,尽量减少单位用水量。
原材料方面,选用较细的胶凝材料和高品质的引气剂。
减水剂方面,选用泌水较小的减水剂。如果配合比固定,在满足标准和使用要求的情况下,选用减水率合适的减水剂掺量,避免减水率过高造成泌水。
施工方面,严格控制混凝土振捣时间,避免过振。另外,对于新拌混凝土的性能控制,选取适当的控制点,使得控制有利于减小混凝土泌水。假如要控制最大含气量,控制点可选在入仓口,将混凝土输送过程中含气量损失对泌水的影响降到最低。

5.通过外加剂改善混凝土的泌水
混凝土外加剂一般是有机高分子物质。有机高分子的分子量、或者分子链长度直接影响其性能。如果减水剂的分子量较大、分子链较长,会使混凝土的泌水减少,但是同时减水剂的减水率较低;如果分子量较小、分子链较短,则使减水率增加,同时使混凝土的泌水率增大。有些减水剂在主分子链上存在支链,无论主链支链,较长时会使混凝土泌水减水,但减水率也相应降低,如果主链短而支链长,则会使泌水减少的同时,对减水率影响不大。一般情况下,减水剂不是由单一分子量的分子组成,而是各种分子量的分子混合组成。在既要减少泌水又要保证减水率的情况下,需要优化减水剂的分子量级配,使得小分子和大分子物质达到最佳搭配关系。
目前的混凝土外加剂一般是复合型外加剂,生产一般分为两个过程,即合成过程和复配过程,合成过程中的改进如上所述,主要是优化有机高分子减水剂的分子量级配。复配过程中,可以复合对改善泌水有利的组份,如适量的引气剂或其他能减水泌水的物质。

6.小结
由于缺乏直接的减少混凝土泌水的方法,解决混凝土的泌水必须从各个环节共同改进,使得各因素的作用得到综合发挥,才能使新拌混凝土的泌水得到彻底解决。

 
原作者: 刘加平,慕 儒,冉千平,黄允宝

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发布:2007-08-12 11:44    编辑:泛普软件 · xiaona    [打印此页]    [关闭]

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