[摘要] 初齡期混凝土猶如剛出生的嬰兒一樣,需要給予細心的呵護。然而,初齡期混凝土呈現(xiàn)明顯的 泌水、塑性沉降與收縮開裂現(xiàn)象,在近年國內混凝土工程施工中很常見,嚴重影響混凝土的勻質性,影響結構的使用性能和耐久性能,迫切需要給予充分地關注。本文著重討論這些現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因、造成的影響和防治措施等。
[關鍵詞] 泌水 沉降 塑性收縮與開裂 水泥與外加劑的相容性
1 引言
隨著混凝土工程在基礎設施建設中日益廣泛的應用,尤其是在城市交通設施中的廣泛應用,混凝土外觀品質日益受到人們的關注,而與此同時,混凝土表面的花斑、氣孔、裂紋卻像令人討厭的蒼蠅一樣揮之不去,有時嚴重到業(yè)主不得不要求工程停工,甚至造成推倒重來的事故,延誤工期,損失慘重,使施工單位和混凝土公司的技術人員傷透了腦筋。其實,初齡期混凝土的泌水、沉降與收縮問題早已有之,但是如今產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因并不相同,因此要克服它就不能照搬以往的經(jīng)驗,人們需要不斷更新觀念、更新知識,才能認識和處理新問題,也就是說不能周而復始地重復,而需要螺旋形地上升、提高與升華。
2 泌水、塑性沉降與收縮現(xiàn)象
混凝土拌合物澆筑后至初凝期間約幾個小時里,拌合物呈塑性和半流動態(tài),各組分間由于密度不同,在重力作用下相對運動,集料與水泥下沉、水上浮,出現(xiàn)三種現(xiàn)象:泌水、塑性沉降和塑性收縮。
2.1 泌水
泌水易于發(fā)生在非干硬性拌合物中。這種拌合物在澆筑與搗實以后、凝結(不再發(fā)生沉降) 之前,表面會出現(xiàn)一層水分或浮漿,可達混凝土澆筑高度的2～3 % 或更大,這些水或向外蒸發(fā),或因水泥繼續(xù)水化被吸回,伴隨發(fā)生混凝土體積減小;此外,部分上升的泌水積存在集料下方形成水囊。泌水對混凝土性能帶來兩方面影響:首先,頂部或靠近頂部的混凝土因含水多,形成疏松的水化物結構,對表層的耐磨性等十分有害;形成水囊則會顯著削弱水泥漿與集料間的界面粘結作用,影響硬化混凝土的強度和耐久性(圖1 (a) ) 。
2. 2 塑性沉降
拌合物由于泌水產(chǎn)生整體沉降,澆筑深度大時靠近頂部的拌合物運動距離更長;沉降受到鋼筋、預埋件等阻礙,則從表面向下直至其上方產(chǎn)生塑性沉降裂縫(圖1 (b) ) 。
2.3 塑性收縮
在干燥環(huán)境中混凝土澆注后,向上運動到達頂部的泌出水要逐漸蒸發(fā)。如果泌出水速度低于蒸發(fā)速度,表面混凝土將由于失水,由于干縮在塑性狀態(tài)下開裂。這是由于混凝土表面區(qū)域受約束產(chǎn)生拉應變,而這時它的抗拉強度幾乎為0 ,所以形成塑性收縮裂縫,這種裂縫與塑性沉降裂縫明顯不同,與環(huán)境條件有密切關系:當混凝土受環(huán)境溫度高、相對濕度小、風大、太陽輻射強烈,以及以上幾種因素的組合作用,更容易出現(xiàn)開裂(圖1 (c) ) 。
圖1 新澆注混凝土的行為
(a) 泌水 (b) 塑性沉降裂縫 (c) 塑性收縮裂縫
3 初齡期混凝土發(fā)生上述現(xiàn)象的原因
3.1 早期的混凝土
早期的混凝土中水泥粉磨細度較小,高活性礦物(硅酸三鈣) 含量較少,水泥中常摻有礦渣等混合材(在混凝土里摻有的同樣材料被稱為礦物摻和料,或礦物外加劑) ,而且當時的水泥生產(chǎn)時,熟料是和礦渣等同時粉磨的,由于礦渣比較難于磨細,因此在這種水泥里礦渣常以比熟料粗得多的顆粒存在。早期的混凝土的另一特點是水灰比(在有摻和料的情況下是水膠比) 較大,通常沒有摻外加劑,這樣的混凝土拌合物盡管工作度不大,例如坍落度在20～40mm ,但從澆注到凝固之間的時間間隔比較長,尤其在冷天時更為突出。在此過程中發(fā)生上述泌水、沉降離析等現(xiàn)象的原因也就不難理解了。但是,當時我國北方的混凝土還有另一個突出的問題,就是所用水泥的含堿量高(據(jù)了解,北方水泥廠生產(chǎn)的水泥含堿量全都在1 %以上) 。含堿量高增大混凝土的干縮,使混凝土易于開裂,并會由此引發(fā)一系列混凝土耐久性問題。然而,含堿量高的水泥水化硬化快,又會減小泌水、離析造成的負面影響。這體現(xiàn)了事物的多樣性和復雜性———有弊必有利,反之亦然。
圖2 泌水、沉降工程實例之1
———對混凝土路面的耐磨性能影響顯著 
圖3 泌水、沉降工程實例之2
———對混凝土樁施工質量影響顯著 
圖4 泌水、沉降工程實例之3
———對后張預應力梁孔道灌漿質量影響顯著
3.2 現(xiàn)今的混凝土
現(xiàn)今的混凝土所用水泥與以往大相徑庭,水泥的粉磨細度明顯增大,高活性礦物含量增多,由于推廣散裝運輸?shù)姆绞?使水泥在儲運過程中反復均化,改善了水泥的勻質性,使用時無需拆袋也帶來方便,但是產(chǎn)生一個新問題,便是水泥的溫度高居不下,尤其是夏天,水泥進入攪拌機的溫度有時高達90 ℃,這使得實際結構里混凝土強度的發(fā)展速率,與實驗室使用已經(jīng)涼下來的水泥做試驗得出的結果相差甚遠,不僅造成工程中大量材料的浪費,還帶來結構開裂現(xiàn)象普遍,修補、加固則進一步造成更大的浪費?，F(xiàn)今的混凝土中普遍摻有減水劑等外加劑,以及粉煤灰、礦粉等摻和料,水灰比(水膠比) 一般都比早期混凝土明顯降低;拌合物工作度,主要指泵送混凝土的坍落度大都在180mm 以上。盡管工作度明顯增大,由于水泥和水灰比等發(fā)生變化,在很長一段時間里出現(xiàn)上述初齡期混凝土的泌水與沉降離析現(xiàn)象并不常見。
但是,在堿2集料反應可能會給混凝土的耐久性帶來嚴重后果的宣傳影響下,不少水泥廠生產(chǎn)的水泥含堿量大幅度降低了,在帶來減小干縮好處的同時,也遇到了新問題。如AÇtcin 所指出[1 ] :“從流變性的角度考慮,水泥存在一個最佳的可溶堿含量?，F(xiàn)今一些水泥中的可溶堿含量達不到該最佳值,原一些水泥公司為滿足某些機構規(guī)定使用低堿水泥的要求(以避免可能發(fā)生的,或通常只是想象中的堿2集料反應) ,銷售出去的水泥中可溶堿含量不必要地過分低。
目前國內最普遍使用的高效減水劑是萘系減水劑,而控制萘系減水劑- 水泥相容性良好有幾個關鍵因素。2000 年在法國召開的第六屆國際化學外加劑會議上,我國留學生姜施平博士等發(fā)表的文章指出[2 ] :水泥的可溶堿含量(事實上,SO2 -4 就來自可溶堿) 、細度、C3A 含量和石膏類型,是控制摻萘系減水劑水泥漿和混凝土流變性能的關鍵參數(shù)。最佳可溶堿含量在014 %～016 %當量Na2O。萘系減水劑在水泥顆粒上的吸附率和水泥水化速率受這些參數(shù)影響,它們控制混凝土流動度的損失速率。使用可溶堿含量低的水泥時,不僅當減水劑劑量不足時坍落度損失會較快,且當劑量稍高于飽和點時,又會出現(xiàn)嚴重的離析與泌水。
由于工程使用低堿水泥,給選用減水劑造成困難的不乏實例,如江蘇的潤陽大橋工程在選用高效減水劑時就費了很多周折,后來放棄了使用萘系高效減水劑,才滿足了工程施工的需要[ 3 ] 。
除了萘系高效減水劑,以及性能與其接近的密胺類高效減水劑之外,國內在20 世紀90 年代開發(fā)出來,現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛應用的氨基磺酸鹽減水劑,特別是近年來開發(fā)的聚羧酸系減水劑,用于配制的拌合物工作度損失明顯減小,比較適于在工作度要求高,例如自密實混凝土、水下不分散混凝土的配制用。但是從本質上說來,高效減水劑之所以可以大幅度減小用水量,機理就在于可以有效地破壞水泥漿體的絮凝結構,釋放出內里的自由水,也就是削弱了水泥顆粒與水之間的作用,從這種角度來說,它加劇了泌水現(xiàn)象。聚羧酸系減水劑雖然依靠其他基團,例如引氣基團的作用,可以改善漿體的穩(wěn)定性,但是在表面密實性和外觀要求很高的工程中,還必須復合使用保水性良好的組分,例如羧甲基纖維素,羥乙基或羥丙基纖維素等。
當然由于單價較低,目前國內工程主要還使用萘系高效減水劑,為了改善拌合物坍落度損失較大的不足,常復合緩凝劑使用。尤其羥基羧酸類緩凝劑延緩坍落度損失的效果十分顯著,早已在國內外普遍使用。但是這類產(chǎn)品的劑量對其緩凝作用大小十分敏感,很難掌握適量,因此常會出現(xiàn)凝結過度延緩,并造成泌水、沉降嚴重的后果。反之,當混凝土摻用膨脹劑時,由于它的水化要將大量自由水轉變成結合水,可顯著改善泌水、沉降問題,可是引起坍落度損失劇烈又成為令人難以解決的問題。以上事實說明:現(xiàn)今混凝土中普遍摻有外加劑,水泥- 外加劑的相容性如何,對混凝土的許多性能起至關重要的影響,需要給予充分的重視。除此之外,還有許多因素影響初齡期混凝土的上述性能。
集料級配對于拌合物的泌水、沉降離析起十分關鍵的作用。歐盟一些國家在預制混凝土業(yè)已獲得較廣泛應用的自密實混凝土,其水泥等膠凝材料用量僅400～450kg/ m3 ,其組分材料的重要特點,就是其砂率大(超過60 %) 且砂子的級配良好(各篩的篩余接近) 。這種自密實混凝土的塑性粘度與普通混凝土接近,因此易于泵送、澆注速度快、不會形成冷縫。由于膠凝材料用量沒有多大差異,也就不會出 現(xiàn)收縮變形增大造成的不利影響。與此相反,國內集料的級配不良,會使配制工作度更小一些的拌合物也容易出現(xiàn)泌水和沉降離析。
礦物摻和料的應用中存在的誤區(qū),也是加劇拌合物泌水、沉降離析的一個原因。事實上,需水量越小的摻和料,例如Ⅰ級粉煤灰、磨細礦渣等用于配制的拌合物,就越容易出現(xiàn)泌水、沉降離析。換句話說,需水量小的礦物摻和料只適用于配制低水膠比,即強度級別較高的混凝土,而現(xiàn)今在配制C30 這類用量最大的普通級別的拌合物時,一些規(guī)范中限定采用Ⅰ級粉煤灰的做法,實際上是一種誤導,筆者前不久就聽北京一家混凝土公司抱怨上述規(guī)范條款給他們造成很大的困難。
除了技術原因以外,近年國家出臺限制現(xiàn)場攪拌,推行預拌混凝土的政策,使得施工單位和預拌混凝土公司出于雙方各自的利益,不必要地過度增大拌合物的坍落度,也是加劇拌合物產(chǎn)生泌水、沉降離析的重要原因。為了使到達現(xiàn)場交付時的拌合物工 作度滿足用戶的要求,混凝土公司即使在氣溫不高的季節(jié)也不得不摻用緩凝劑,以延緩拌合物的坍落度損失,而這樣一來,混凝土澆注后的泌水和離析就會明顯地加劇。
4 泌水、沉降可能產(chǎn)生的影響
如上所述,初齡期混凝土拌合物產(chǎn)生的泌水、沉降離析,以及表面失水相關的塑性收縮現(xiàn)象,不僅會損傷硬化后表面的耐磨性能,還會使混凝土內部的集料與漿體界面、鋼筋與混凝土界面形成薄弱的過渡區(qū)。實際上,過渡區(qū)就是混凝土體內的原生裂縫,在隨后混凝土的溫度收縮、自生收縮以及干燥收縮受到約束作用時,產(chǎn)生的應力不斷積累、疊加,當混凝土的抗力(抗拉強度,或者更確切地說,是斷裂能)被應力超過時,就出現(xiàn)可見的宏觀表面裂縫,或貫穿裂縫。
圖2～4 分別表示泌水、沉降對混凝土路面、樁和預應力梁造成的影響。圖3 所示的混凝土樁上半截由于嚴重的泌水、沉降,使鋼筋外側的混凝土已經(jīng)不復存在,只有鑿掉后重新澆注。圖4 所示后張預應力梁孔道灌漿由于泌水、沉降,泌出水聚集在波紋管上方,經(jīng)歷冬季水分結冰體積膨脹,引起沿波紋管方向出現(xiàn)裂縫,這種現(xiàn)象在國內外許多后張預應力橋梁上很常見。為此,有的國家(如英國) 曾一度禁止使用后張法生產(chǎn)預應力橋梁。
5 混凝土出現(xiàn)泌水、沉降的防治
根據(jù)上述對初齡期混凝土出現(xiàn)泌水、沉降,以及由此而產(chǎn)生的塑性收縮及開裂現(xiàn)象的分析,筆者提出以下防治措施供混凝土生產(chǎn)供應和施工企業(yè)參考。
1) 當水泥可溶堿含量偏低,與萘系減水劑相容性不好,因此出現(xiàn)泌水、沉降離析現(xiàn)象時,除上述改換減水劑品種外,還可以考慮少量摻用硫酸鹽(如芒硝等) ,當然在摻量需要較大時,須注意可能帶來其他不利后果。
2) 粗集料最大粒徑控制不嚴,有時甚至明顯超過鋼筋間距或箍筋與模板的距離;粗集料級配不良,中間斷檔,例如在常用的5～30mm 或5～40mm 石子中很少甚至根本沒有5～10mm 顆粒(這種現(xiàn)象非常普遍,嚴重的時候甚至只有15 或20mm 以上的顆粒) ;細集料———砂子(通常更不注意,例如明顯缺少215～5mm 顆粒) ,這些都是引起初齡期混凝土產(chǎn)生泌水、沉降離析的重要原因。
3) 施工時控制拌合物的坍落度盡量小一些為好,尤其是摻有粉煤灰時,120mm 左右的坍落度就可以很好地泵送。然而很多施工單位盲目地提出加大坍落度要求,有時還采取在現(xiàn)場加水隨意增大坍落度的錯誤做法。顯然坍落度越大,越容易泌水、沉降離析,也因此更容易出現(xiàn)堵泵現(xiàn)象,延誤施工。
4) 施工時的振搗操作不當,對出現(xiàn)泌水、沉降離析現(xiàn)象也有重要影響。目前國內振搗棒的頻率一般都超過12000 次/ 分(稱高頻振搗棒) ,且操作工普遍缺乏技術培訓,使得振搗工序的質量嚴重失控,如漏振(沒有振到) 、過振(振搗時間過長) 、拖振(在拌合物表面連續(xù)拖動振搗棒) 等現(xiàn)象十分常見,從這個角度看來,在質量要求非常高的工程中,采用免振自密實混凝土十分必要。
5) 改變混凝土配合比只和設計強度等級相關的現(xiàn)狀,在環(huán)境(例如施工過程遇到小寒流降溫等) ,或施工條件(例如泵送高度) 等發(fā)生變化時,都需要及時調整配合比(例如高效減水劑、緩凝劑、引氣劑以及礦物摻和料的摻量等) 。現(xiàn)今普遍實行一個強度等級固定一個配合比,不加任何調整的做法是很不利于控制的。
參考文獻
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Concrete of tomorrow. Cement and Concrete Research. pp .
1349～1359. Sept 2000.
[2 ] Shiping Jiang , Byung - Gi Kim , Pierre - Claude AÇtcin. Some key cement factors that cont rol the compatibility be2 tween
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Supplementary Proceeding of 6th
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[3 ] 劉秉京1 高效減水劑與水泥的適應性1 第九屆全國外加劑學術交流會論文集, pp. 29～40. 2002 年1
