新拌混凝土工作性调整.ppt

新拌混凝土工作性的调整新拌混凝土工作性的调整陈建奎陈建奎北京工业大学北京工业大学 教授教授前言现代混凝土的基本要求是“高性能、高早强增强和高耐久性”。其中，工作性放在首位是因为新拌混凝土的工作性好坏决定混凝土能否进行施工感应。而硬化混凝土出现质量问题绝大部分是由于新拌混凝土存在缺陷造成的。现代混凝土施工工艺应包括集中搅拌、远距离运输、泵送、振捣或不振捣。自密实自流平或水下浇筑等。混凝土的工作性必须满足施工工艺要求才能实现高效施工、保证工程质量。工作性是一个综合性指标并且可通过复合超塑化剂配方设计和配合比全计算法设计进行计算和调整得到工作性好的混凝土，遗憾的是目前大部分“专家”并不掌握这“两个设计”。一一.新拌混凝土工作性的涵义新拌混凝土工作性的涵义二二.坍落度及坍落度损失坍落度及坍落度损失 三三.泌水、离析和泌水、离析和“滞后泌水滞后泌水”四四.新拌混凝土的填充性能新拌混凝土的填充性能五五.水泥适应性水泥适应性 一、新拌混凝土工作性的涵义一、新拌混凝土工作性的涵义新拌混凝土的质量取决于和易性和匀质性，它应满足混合，输送，浇筑的要求。工作性能定义为得到完全密实产物所需的功。混凝土的流变学行为可以用流变学术语：水泥浆的塑性和粘弹性描述。工作性的情况决定混凝土能否使用。混凝土必需满足所需的工作性要求，工作性好的混凝土不应该产生过度的泌水或离析。工作性应包括：流动性，填充性，黏聚性和振实性。影响工作性的因素包括：用水量、浆体和集料用量，水泥浆的塑性，集料的最大尺寸和他们的形状和表面特性。掺外加剂，如塑化剂和引气剂可以改善工作性。工作性的测量方法(1)稠度(2)坍落度和坍落扩散度(3)密实因数试验(4)球体贯入试验(5)Vebe试验(6)流动度测定仪(7)漏斗试验所有这些工作性试验，他们之间没有可比性。到目前为止没有理想的试验工作性的方法。新拌混凝土工作性要素的分析FLC和HPC的工作性应满足现代混凝土施工工艺的要求，即：(1)大坍落度及坍落度损失小；(2)泌水小，抗离析，均匀性好；(3)可泵性好；(4)填充性好。只有将混凝土配合比设计与CPS配方设计结合才能取得最佳技术效果。HPC和FLC新拌混凝土工作性要素的分析可以认为复合超塑化剂（CSP）的配方设计时应解决三个主要矛盾：(1)大坍落度与坍落度损失的矛盾；(2)变形能力与抗离析性的矛盾；(3)流动性与粘聚性的矛盾。二、新拌混凝土坍落度损失二、新拌混凝土坍落度损失在配制流态混凝土、商品混凝土、泵送混凝土和高性能混凝土时，为了满足施工工艺要求必须控制新拌混凝土的坍落度损失。主要控制初始坍落度和入泵前的坍落度，这二者之间是运输时间或工艺过程的要求。坍落度损失快时不能满足施工工艺的要求。如果初始坍落度较大(20cm)，同时要求坍落度不损失，这样会使混凝土凝结较慢、拌合物长时间保持大流动状态容易造成泌水和离析或使表面产生干缩裂缝。因此对于流态混凝土是根据施工工艺的要求控制坍落度损失，而不是坍落度不损失或损失越慢越好。因为对于泵送和浇筑工艺的混凝土以坍落度为15cm18cm更有利。现将不同类型的混凝土所要求的初始坍落度列入表1。表表-1 各种混凝土所要的坍落度各种混凝土所要的坍落度混凝土类型大流动砼泵送砼流态砼高性能砼自密实砼初始坍落度（cm）12151518182218222224影响流态混凝土坍落度损失的因素包括：(1)水泥的矿物组成；(2)游离水分的含量；(3)混合材和矿物细掺料的品种和掺量；(4)混凝土的配合比和强度等级；(5)环境因素的影响。1.水泥的成分对坍落度损失的影响水泥矿物组成、特别是C3A和C3S的含量，含碱量，混合材品种和掺量，石膏的形式和掺量，以及水泥粒子的形貌、颗粒分布和比表面积等都会影响坍落度损失的速度。其基本规律是：(1)含C3A高(8%)、碱含量高(1%)、比表面高的水泥使坍落度损失速度加快。(2)掺硬石膏作调凝剂的水泥、或在水泥粉磨过程中使部分二水石膏转变成半水石膏或无水石膏以及三氧化硫含量不足时，使坍落度损失难以控制或损失较快。(3)水泥中含活性大或需水量比大的混合材使坍落度损失较快，反之则损失较小(如石灰石粉、矿渣及粉煤灰等)。(4)水泥的形貌、颗粒组成及分布不合理(指磨机类型和粉磨工艺)使坍落度损失较快。(5)出厂温度较高的水泥(指散装水泥)使坍落度损失较快。2 游离水分的含量水泥浆体中存在结合水、吸附水和游离水，游离水的存在使浆体具有一定的流动性。这三种水分的比例在水泥水化过程中是变化的。水泥加水后、C3A开始水化、消耗大量水分产生化学结合水。随着初期水化进行产生大量凝胶，使分散体的比表面积大大增加，由于表面吸附作用产生大量吸附水(凝胶水)。结合水和吸附水的产生使游离水减少、浆体的流动性逐渐降低产生流动性经时损失。通过掺复合超塑化剂产生分散作用和控制水化过程可以使结合水和吸附水量减少、而游离水相应增多，因此能减小流动度损失。3矿物细掺料的影响 矿物细掺料对流态混凝土坍落度损失的影响主要在三个方面：(1)矿物细掺料的需水量比应小于100%，否则坍落度损失较快；(2)矿物细掺料的活性适中，活性大时使坍落度损失较快；(3)矿物细掺料的细度应适中，比表面积太大使混凝土用水量增大、坍落度损失加快。4混凝土配合比及砂率的影响在配制流态混凝土时合适的砂率能保证好的工作性和强度，必须按公式计算得到最佳砂率。而传统配合比设计方法认为砂率越低强度越高，显然不能满足流态混凝土对工作性的要求。另外、实验证明砂率低时流态混凝土保水性差，容易产生泌水、离析和板结。砂率高时坍落度损失较快，不能满足工作性要求。砂率公式为：式中：Ves干砂浆体积(l/m3)Ves=Vc+Vf+Va+Vs Vc.Vf.Va.Vs 分别表示水泥、细掺料、空气、砂子的体积(l/m)Ve 浆体体积(l/m3);Ve=W+Vc+Vf+Va;W用水量(l/m3)砂率的因素影响由此式可以看到各种因素对砂率的影响：(1)砂率随着用水量增加而增大;(2)砂率随着浆体体积增加而减小;(3)砂率随着石子最大粒径的增大而减小。武汉 中铁七局C20W C FA S G SP 170 266 56 735 1199 38%W/C=0。53容重：2426调整：W C FA S G SP178 276 60 775 1071 42%W/B=0。535.环境温度的影响温度影响水泥水化和硬化速度，随着温度增高水泥水化和硬化速度加快。因此环境影响流态混凝土的坍落度损失速度。其表现为：(1)气温低于10时流态混凝土坍落度损失较慢或几乎不损失；(2)气温在1525时，由于气温变化大使坍落度损失难以控制；(3)气温在30以上时，水泥的凝结时间并不进一步加快，同时气温变化范围小，因此坍落度损失反而容易控制。6.复合超塑化剂的作用 上述各种因素都会影响流态混凝土的坍落度损失速度，但是最终通过掺复合超塑化剂使坍落度损失得到控制。为了满足这一要求必须针对影响坍落度损失的因素，根据混凝土的组成和配比，以及施工工艺要求实现复合超塑化剂的配方设计。其基本原则是：(1)CSP的相对减水系数(Mt)应满足流态混凝土的初始坍落度要求；(2)CSP的掺量决定流态混凝土初始坍落度的大小；(3)CSP等效缓凝系数(Nt)决定坍落度损失控制程度。(4)凝结时间差(t=t 2-t1 )决定流态混凝土的硬化速度。7.延缓坍落度损失的方法(1)增加超塑化剂掺量、提高初始坍落度;(2)调整CSP中缓凝组分的组成和剂量;(3)采用木钙配制泵送剂时其掺量不得超过0.15%，并且同时掺稳泡剂;(4)采用高效缓凝引气减水时应同时掺稳泡剂;(5)发现欠硫化现象时应补充可溶性SO3;(6)能延迟水化诱导期的早强剂也能控制坍落度损失;(7)适当降低砂率可延缓坍落度损失。以上延缓坍落度损失的方法可单独使用或复合使用，但是首先是CSP的等效减水系数和等效缓凝系数必须满足流态混凝土的工作性要求。三、泌水、离析和三、泌水、离析和“滞后泌水滞后泌水”在新拌混凝土放置时，固相的塑性沉降使水泥浆上浮,非耐久性材料所形成的薄弱层包括冲淡的水泥浆和一些细集料。如果泌水是由于水的渗透引起的,不会产生不好的效果,如此“正常泌水”是无害的。因为水分蒸发使有效的水和水灰比减小,最终使水移向表面层。这即是泌水。在贫水泥的混合物中,水的迁移将一些小粒子带到表面层。泌水可能引起强度增加。增加水泥用量和添加外加剂，如火山灰或引气剂可使泌水的总量适当减少。可用测量泌水率和泌水量表示泌水特性，在混凝土的表面产生泌水时会引起“塑性收缩”。在混合物运送时候可能使一些粗集料从混合物中分离出来，造成混凝土质量不均匀，这即是离析。在一些例证中发现，离析可能导致产品的缺陷和蜂巢状开放孔产生。离析可能产生在输送、振捣或浇筑操作过程中。离析的主要因素是混合物中颗粒尺度和比重不同。用提高坍落度、减少水泥用量或增加集料的最大粒径和数量将增加离析的趋向。组成物正确的级配和操作可以使这一问题得到控制。泌水、离析和板结 混凝土是多相聚集体，新拌混凝土的工作性很大程度上取决于混合物的均匀性和稳定性。如果混合物产生相分离，就会使材料组成不均匀，最终导致材料结构缺陷或结构破坏。如果新拌混凝土的保水性、粘聚性和稳定性不足以抵抗重力和其它外力(如振动、泵压等)的作用，就会产生泌水、离析和板结。图-1 混合物产生离析状态图（一）流态混凝土的泌水和离析1.流态混凝土产生离析的主要原因 配制流态混凝土时流动性与粘聚性失去平衡，当粘聚性低时混合物在重力或其它外力作用下产生相分离，破坏了材料组成的均匀性和稳定性，因而导致离析。通常泌水是离析的前奏，离析必然导致分层(板结)，在此情况下存在堵泵的危险性。但是少量泌水对防止混凝土表面裂缝产生有利，特别是夏季施工时。流态混凝土产生离析的主要原因：(1)砂率偏低使混合物保水性降低，或砂中含5mm豆石使实际砂率降低;(2)水泥用量少于250kg/m3，或 0.25mm的粉料少于350kg/m3使浆体体积少 于310L/m3;(3)石子级配不好，或采用单一粒级石子;(4)用水量偏大使混合物粘聚性降低;(5)CSP减水率高，并含易泌水组分。查明混凝土产生泌水和离析的原因后，通过调整混凝土配合比和CSP的掺量和成分完全可以解决这一问题。2.FLC的Ve、Ves和SP与抗离析性的关系以石子最大粒经25mm为例：(1)Ve 330L ，Ves430L 时，拌合物具有好的工作性;(2)Ve 330L，Ves430L 时，不泌水、但粘聚性小、和易性较差;(3)Ve=330L，Ves 430L时，保水性差、易泌水;(4)Ve 330L，Ves 430L 时，严重泌水、离析、分层(板结)。3.“泌水-离析-分层”现象的产生和解决方法(见下图-2)4.胶凝材料、砂、石的体积与抗离析性的关系 由表-1和表-2中的数据可以看出，这种C30防渗混凝土的配合比不合理，由于用水量太少，使浆体体积不够，因此拌合物和易性差，容易产生泌水和离析。表-1 C30 防渗混凝土 从表-2的体积分析可以看出：编号No 1：Ve=295330L；Ves=398430L ,因此必然产生泌水。编号No 4：Ve=295330L Ves=437430L，因此不泌水。但实际是泌水。其原因是采用了单一粒级的碎石，在此情况下必须提高砂率。对于4：考虑采用单一粒级的因素，其砂率至少为42%(No 3)。5.防止泌水和离析的措施(1)石子级配合理，单一粒级的石子应提高砂率3%5%。(2)引气可减小泌水，特别是用卵石配制低标号混凝土时。(3)掺增稠剂可提高拌合物的粘聚性和保水性，防止泌水和离析。(4)合理的砂率能保证好的工作性和强度，流态混凝土的砂率应在40%50%。产生泌水的主要原因是砂率偏低。(5)掺FA，特别是配制低标号FLC时FA掺量可大于20%,从而提高其保水性。(6)减少用水量或CSP的掺量，从而减小游离水量，提高拌合物的粘聚性。以上措施应针对具体情况分析产生泌水的原因，采取一种或综合方法。（二）“滞后泌水”现象流态混凝土试配试验时混合物工作性没问题，即初始坍落度、坍落度损失的控制、泌水率比和抗离析性等都符合要求。但是，在施工时混凝土浇筑后，当时不泌水，而经过1h2h后产生大面积泌水。这是目前资料中没有发现和论述过的问题，因此称这种现象为“滞后泌水”，并进行了深入研究。产生滞后泌水的原因可能与矿物细掺料的吸水平衡有关(图-3)：W2=W W1 式中：W细掺料的初始吸水量 W1细掺料的平衡吸水量 W2吸水平衡后放出的水量通常矿物细掺料为多孔性粒子(吸水率高)，混合物加水搅拌时粒子开始大量吸水(过饱和吸水w)，放置一定时间(1h2h)逐渐达到吸水平衡(W1)，同时释放出自由水(W2)。图-3 粒子吸水平衡示意图在此情况下W2的作用：(1)若拌合物的保水性差，释放出的自由水w2将导致混凝土滞后泌水；(2)若拌合物的保水性好，释放出的自由水w2将使拌合物的坍落度提高1cm2cm。当粉煤灰掺量大于18%配制流态混凝土时，有时发生经时(60分钟)坍落度大于初始坍落度(1cm2cm)的情况。流态混凝土滞后泌水并不是普遍现象，是在一定条件下产生的。除了上述吸水平衡的原因之外，由于CSP缓凝作用过强使拌合物长时间保持大流动状态也是造成滞后泌水的原因。如果产生了滞后泌水，其解决方法是适当提高砂率和减小粉煤灰掺量。实例1.C30流态混凝土泌水问题(一建搅拌站)P389实例2.C25流态混凝土产生“滞后泌水”的原因分析(天津电建搅拌站)P390产生滞后泌水的原因和对策 产生滞后泌水不是普遍现象，只是以上不利因素凑在一起时才有可能出现。出现滞后泌水时，首先用配比全计算设计法进行配合比验证，找出其原因，针对具体情况加以解决。四四.新拌混凝土的填充性能新拌混凝土的填充性能 新拌混凝土的填充能力是评价混凝土工作性的一项指标。它不仅评价流动中混凝土的变形能力，而且也是评价抗离析性的重要依据。通常变形能力与抗离析性是相互矛盾的。变形能力的提高导致抗离析能力减小。近年来外加剂的研究带来了新型混凝土。如HPC、自密实混凝土和水下混凝土，它们具有与普通混凝土不同的特性，即具有很好的填充能力。新拌混凝土在流动中没有障碍物的条件下，可以用坍落度和坍落流动值表示混凝土的工作度，但是在模板中有复杂钢筋的条件下浇注混凝土(要求不振捣自流平)时，坍落度和流动值就不能直接表示工作度。这样，必须用填充性这一指标来定量评价混凝土的工作性。新拌混凝土的填充能力取决于其变形能力和抗离析性。在低坍落度时，新拌混凝土的填充能力主要由变形能力控制；而高坍落度时主要由抗离析性控制，图11-7表示坍落度与工作度之间的关系，说明变形能力与抗离析性是相互矛盾的，特别在大坍落度时更是如此。外加剂的作用：掺高效减水剂和缓凝剂复合的外加剂虽然能提高变形能力，解决大流动性混凝土坍落度损失问题，但是抗离析性没有改善，无法解决变形能力与抗离析性之间的矛盾。要解决这一矛盾，提高工作性，必须掺用增稠剂(或称稳定剂)。图11-7说明了坍落度与工作度之间的关系。增稠剂是一类能显著增加水的粘度的物质，它们是天然和合成的水溶性高分子化合物，如纤维素衍生物、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、藻朊酸钠等。例如，只要有3的甲基纤维素就可以将水的粘度增加1万倍。使用增稠剂的目的在于提高分散介质的粘度，增加分散体系的稳定性，减少分层和离析。增稠剂的作用增稠剂作为外加剂掺人混凝土中，提高了水的粘度，从而影响新拌混凝土的流变性质。通过矿渣浆剪切实验，研究抗剪力与纤维素增稠剂掺量之间的关系表明，少量增稠剂能减小抗剪力，但掺量大时抗剪力反而提高(见图11-8)。增稠剂的掺量为矿渣粉重量0.2时，抗剪力为最小。自密实高性能混凝土在配制自密实高性能混凝土时，由于无需振捣，因此要拌合物具有好的填充性能。只有拌合物的流动性(或变形能力)与抗离析性处于平衡时填充性能最好。图11-9表示，混凝土拌合物的流动性和抗离析与配合比因素之间的关系。当用水量、外加剂掺量增大时，流动性增大，而抗离析性降低。通过调整用水量、砂率以及CSP的组成和掺量使流动性与抗离析性达到平衡，在此情况下拌合物的填充性最佳(曲线3的斜线范围)。新拌混凝土填充性的调整新拌混凝土的填充性是采用增粘剂和高效减水剂的掺量调整的，图11-9中的斜线区是具有好的填充性范围。它们主要用于下几个方面。1.改善集料在水泥浆中的悬浮性，提高建筑物整体的填充能力。产生稳定和均匀的力学性能，减少在嵌入钢筋下的结构缺陷，增加对钢筋握裹力，减少深层建筑的顶筋效应。加强水化水泥浆和集料的结合，以提高混凝土的抗渗性。2.得到具有抗冲蚀性的流动性混凝土。增加水下混凝土的施工能力，降低混浊度，确保施工要求的力学性能。3.用于喷射混凝土，修补被破坏的建筑物，增加混凝土的抗下沉能力，便于厚楼层施工。这种特殊水泥灌浆料的流变性能适合于水下封堵大坝、海岸建筑物、大的基础或岩石的裂缝。可用于浇注后张力管，这种构件要求具有高抵抗沉降和泌水，确保钢筋应力。五五.高效减水剂对水泥的适应性高效减水剂对水泥的适应性1.高效减水剂对水泥的适应性 高效减水剂对水泥的适应性是通过坍落度损失程度判断的。高效减水剂在低水灰比的混凝土中一个突出的问题是不同程度上存在坍落度损失快：而在另一些情况下，水泥和水接触后，在开始6090分钟内，大坍落度仍能保持，没有离析和泌水现象。前者，外加剂和水泥是不适应的，后者是适应的。适应性取决于水泥矿物组成(主要是C3A、C3S)、可溶SO3和碱含量。(1)适应性好(充分兼容)：高可溶SO3和高碱量水泥;(2)适应性稍差(兼容稍差)：中等可溶性硫酸盐和碱含量的水泥;(3)不适应(不兼容)：可溶性硫酸盐少和低碱水泥。最佳可溶性碱量为0.4%0.6 2.外加剂对水泥早期水化放热过程的影响 掺外加剂能控制水泥早期水化过程(预诱导期和诱导期)，使诱导期延长，这样就能减小坍落度损失。根据这一观点能延长水化诱导期的不仅是缓凝剂，而且可以是早强剂和特殊高分子化合物。3.坍落度损失与“欠硫化”现象的关系某些硅酸盐水泥配制流态混凝土时，用调整复合超塑化剂中缓凝剂的掺量和品种的方法不能控制坍落度损失，即使缓凝组分超剂量掺用坍落度损失仍然较快，我们将此种情况称为“欠硫化”现象。产生“欠硫化”现象的原因是由于水泥中可溶性SO3的含量不足，或外部因素使石膏溶解度降低，破坏了SO3与C3A和碱含量的平衡，使水泥凝结较快,浆体很快失去流动性。产生这种“欠硫化”现象的原因是：(1)CSP降低了石膏的溶解度，使SO3不足;(2)最佳石膏量是在W/C=0.50时经强度和干缩试验确定的，而掺CSP配制FLC时水胶比一般小于0.50，因此使SO3总量减小;(3)掺含碱量高的外加剂改变了石膏与C3A的平衡。采用高浓萘系高效减水剂配制CSP，使坍落度损失加快，而改用低浓萘系高效减水剂配制的CSP，坍落度损失减小。因为低浓萘系高效减水剂中硫酸钠含量高(20左右)，补充SO3的不足。另外，CSP中含增加石膏溶解度或代替石膏作用的辅助剂，也可以减小坍落度损失。因此为了避免欠硫化现象的产生，CSP应由高效减水剂、缓凝剂和辅助剂组成。结论：1.新拌混凝土的工作性不仅决定混凝土能否使用，而且直影响硬化混凝土的性能。2.工作性不好造成的混凝土的某些缺陷：(1)表面干缩裂缝：夏天施工表面失水。(2)塑性收缩裂缝：缓凝时间长、长期保持大流动性状态。(3)顶筋现象：离析使横向钢筋握裹力下降造成横向裂缝。(4)强度分布不均匀：泌水、离析。(5)蜂窝麻面：入泵落度太大、离析、填充性差。(6)离散冲毁：流动性与粘聚性不平衡，增加粘聚性。3.将混凝土配合比全计算法设计与CSP配方设计相结合能使新拌混凝土保持良好工作性,满足现代 混凝土施工工艺的要求。