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【小强视界】预拌混凝土坍落度损失分析

2020-01-02 23:17 作者:明升体育 点击:

 

  混凝土是当今使用量最大、使用面积最广的建筑材料,己普遍应用于各类建筑工程中。随着建筑技术的不断进步,对混凝土的要求也越来越高。混凝土坍落度损失是商品混凝土使用过程中经常遇到的一个问题,特别是泵送混凝土问题更加突出,已严重影响施工质量。因此,有必要对预拌混凝土坍落度的损失进行深入分析。

  造成混凝土坍落度损失的原因是多方面的,且这些因素相互关联。主要包括五个方面:一是水泥方面,如水泥中的矿物组分种类、不同矿物成分的含量、碱含量、细度、颗粒级配等;二是掺合料方面,如烧失量等;三是集料方面,如级配、含泥量、吸水率等;四是化学外加剂方面,如高效减水剂的化学成分、分子量、硫化程度、平衡离子浓度以及用量等;五是环境条件,如温度、湿度、运输时间等。

  硅酸盐水泥熟料主要由四种氧化物组成。这四种最基本的氧化物为氧化钙(CaO)、氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化铁(Fe2O3)。经过高温煅烧,形成硅酸三钙(3CaO·SiO2)简称为C3S;硅酸二钙(2CaO·SiO2)简称为C2S;铝酸三钙(3CaO·Al2O3)简称为C3A;铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)简称为C4AF。

  近年来,由于煅烧条件大大改善,在硅酸盐水泥熟料中的C3S含量明显提高,含量大约为32%~64%。C3S的水化速度比C2S快,但比C3A和C4AF慢些。它是决定硅酸盐水泥强度的最主要矿物之一,它不仅影响水泥的早期强度,也影响水泥的后期强度,是决定水泥水化热的最主要矿物。C3S与水作用时,生成水化硅酸钙及氢氧化钙。其反应式为:2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2,生成的水化硅酸钙几乎不溶于水,而立即以胶体微粒析出,并逐渐聚而成为凝胶。水化硅酸钙凝胶又称托勃莫来石凝胶或称C—S—H凝胶。由它构成的网状结构具有很高的强度。在硅酸盐水泥熟料中,C2S含量大约14%~28%。它是水泥熟料中水化速度最慢,水化热最小的一种矿物,它影响水泥的后期强度,其早期强度较低。

  C2S与水作用时,其水化产物与C3S相同,但数量不同。其反应式为:2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2。在硅酸盐水泥熟料中,C3A含量大约为2.5%~15%。这是水泥熟料矿物中水化速度最快,水化热最大的一种矿物。由于其具有水化速度很快这一特点,因此对水泥的凝结特性起着决定性作用,它对水泥强度的贡献主要在早期,对后期强度的贡献不大。

  C3A与水作用时,生成水化铝酸三钙。其反应式为:3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O,水化铝酸三钙为晶体,易溶于水,它在石灰饱和溶液中,能与氢氧化钙Ca(OH2)进一步反应。生成水化铝酸四钙(4CaO·Al2O3·12H2O),两者的强度都低,且耐硫酸盐腐蚀性很差。

  C3A对新拌浆体性能的影响表现在两个方面。一是C3A具有较好的保水性;二是C3A含量对水泥的凝结时间有较显著的影响。由于C3A水化较快,当有足够的石膏存在时,能在较短时间内生成一定数量的水化产物,形成凝聚结构(此结构称为钙钒石)。这一反应一方面结合了大量的水,使新拌浆体失去流动性,特别是当水泥中石膏含量不合适时,C3A含量高的水泥凝结更快,另一方面由于钙钒石为一种针状晶体,在外力作用下较难运动,而且易于其他颗粒交叉搭接,因此,对新拌混凝土的坍落度损失影响较大。

  在硅酸盐水泥熟料中,C4AF含量大约为10%~19%。它的水化速度较快,仅次于C3A。因此,对水泥强度的贡献也主要在早期,一般来说,C4AF含量增加,水泥的水化放热量变化不大,甚至可能略有降低。但放热速率可能加快。

  除了上述四组分以外,水泥熟料中还存在着其它一些成分。主要有游离CaO、MgO、SO3和碱。虽然这些组分含量很少,但对水泥和混凝土的性能有着不可忽视的影响。

  在水泥熟料中,游离CaO是在水泥生产过程中产生,这种游离状态的CaO可以与水反应,形成Ca(OH)2。但速度较慢,在水泥凝结硬化后产生膨胀,导致水泥体积安定性不良。

  在水泥熟料中,大部分MgO以固溶形态存在于熟料矿物中。但熟料矿物固溶MgO的数量是有限的。当熟料中的MgO含量较高时,部分MgO则以游离态存在于熟料矿物中,当水泥凝结后,MgO与水反应生成Mg(OH)2,也会产生膨胀,导致水泥体积安定性不良。

  在水泥熟料中,SO3主要来自水泥粉磨时掺入的石膏。SO3含量极少,水泥中SO3的含量影响着水泥与外加剂的适应性。

  石膏是一种传统的胶凝材料,它是以硫酸钙为主要化学成分的气硬性胶凝材料,它也是一种缓凝剂。可以调节水泥的凝结时间延长,但当石膏掺量达到一定程度后,凝结时间不仅不延长,甚至还可能缩短。尽管对石膏的缓凝作用机理说法不一,但一般认为石膏的缓凝作用是与C3A作用的结果。当C3A含量与石膏掺量都较低时,水泥浆体需要较长时间才能凝结。当C3A含量与石膏掺量都较高时,水泥浆体也能有一个正常的凝结时间。当C3A含量较高而石膏掺量较低或C3A含量较低而石膏掺量较多时水泥浆体则表现出较快的凝结。一般来说水泥凝结速度越快越容易引起混凝土较快的坍落度损失。

  需要注意的是石膏对水泥凝结时间的影响与石膏的状态有关,通常用二水石膏(或称生石膏)其化学式为CaSO4·2H2O作为水泥的调凝剂。也有些水泥厂采用硬石膏,其化学式为CaSO4。在水泥粉磨过程中,如果磨机温度在110℃~170℃时,二水石膏将部分脱水形成半水石膏,其反应式为:CaSO4·2H2O,110℃~170℃CaSO4·1/2H2O,由于半水石膏水化很快,水泥与水拌和后很快形成强度不高的二水石膏网状结构,使浆体很快变硬或失去流动性,造成假凝。

  石膏又是矿渣等活性混合材的激发剂。在普通硅酸盐水泥中,通常掺入一些活性或非活性的混合材,如矿渣,石灰石等,但是,这些混合材的活性通常都是潜在的,需要在一定的条件下才能发挥出来,石膏恰恰可以激发混合材的这种潜在的活性,使其充分发挥出来。

  石膏是引起水泥石膨胀的重要组成部分。在水泥的水化过程中,石膏可以与水泥熟料中铝酸盐和铁铝酸盐的水化产物反应,形成钙矾石。这一反应将会产生体积膨胀。石膏掺量也是影响水泥与外加剂适应性的重要因素。

  在水泥熟料中,碱固溶在熟料矿物中,碱含量较高的水泥,通常水化较快。也正是这一特性,使得用高碱水泥配制的混凝土坍落度损失可能较快,水泥熟料水化时放出的碱可以与集料中的一些活性组分发生反应,产生膨胀,严重时可能导致混凝土的开裂,甚至破坏游离状态的碱,还可能与一些外加剂作用影响水泥与外加剂的适应性。

  水泥的细度也将影响混凝土坍落度的损失,在相同条件下,水泥越细,水化速度越快,造成坍落度损失也就越大。另一方面,水泥越细,水泥颗粒数量越多,在相同水灰比时水泥颗粒之间的距离也就越小,当水泥水化时,所形成的水化产物很容易将这些较小的颗粒连接起来,故而造成混凝土坍落度的损失较大。试验研究中在水泥水化过程中,3~30μm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,而小于l0μm的颗粒需水量大。流动性好的水泥l0μm以下颗粒应少于10%。颗粒越细,需水量越大,早期强度越高,这必将加剧混凝土坍落度损失。

  矿物掺合料对新拌混凝土的坍落度损失有着三方面的影响。一是影响胶凝材料的水化速度;二是影响水泥浆体的保水性能;三是影响水泥浆体的粘度如矿物掺合料对水有缓慢的吸附作用,缓慢吸附过程本身就是一个使液态水减少的过程,掺入这种矿物掺合料可使混凝土的坍落度损失增大。

  如一些烧失量较大的粉煤灰,如果是原状灰的话,所含的炭主要是在颗粒的内部,未燃尽的炭虽具有较强的吸水性,但水分从颗粒表面到达炭粒表面需要一定的时间。固此,可能表现出持续吸水现象,引起混凝土坍落度的损失。

  在细集料方面:一方面含泥量的增加,使其集料的比表面积随之增加,另一方面,含泥中粘土类矿物通常有较强的吸水性。固此,当混凝土用水量不变时,含泥量增加,混凝土坍落度损失将增加。在泥土包裹其集料的表面的情况下,当含泥量为1%~3%时对新拌混凝土坍落度的影响不明显。但当含泥量超过4%时,对新拌混凝土坍落度的影响明显增加。

  在粗集料方面:石粉含量对混凝土的坍落度影响相对小些。如果保持混凝土用水量不变时,石粉含量每增加2%,坍落度损失1cm。另一方面针状、片状集料对混凝土的流动性及坍落度有着十分显著的影响。针状、片状集料越多,混凝土的流动性越差。在相同混凝土用水量时流动性也就越小。针片状集料对混凝土流动性的影响可以归结为三方面原因:(1)含针状片状颗粒的集料一般孔隙率较大,使得集料的堆积密度降低。

  (2)针状片状集料的比表面积较大,必然增加与水泥浆体的接触面积及表面需水量。

  (3)针状片状集料在新拌浆体的运动阻力较大,在新拌浆体中由于针状片状集料相互支撑作用,阻碍其它集料颗粒的运动。同时,常常受到其他集料颗粒的阻碍。

  混凝土在拌制时如采用干集料,而且集料的吸水率较大的话,它可以从混凝土中吸取大量水分,使混凝土中的自由水分减少,导致混凝土坍落度减小。例如:在普通混凝土中,细集料用量大约为700kg/m3,粗集料用量大约为1100kg/m3。如集料的吸水率为1%,则细集料可吸取7kg水,粗集料可吸取11kg的水。若这一吸水过程在1h内完成,细集料就有可能使混凝土的坍落度在1h内损失20~30mm,对于粗集料也可作同样的考虑,他的吸水作用可使混凝土的坍落度损失达到40~50mm。若拌制混凝土时,粗细集料均为干料,可使混凝土的坍落度损失达到60~80mm甚至更多。由此可见,集料的吸水作用对混凝土的坍落度损失有不可忽略的影响。

  如果集料吸水速度很快,吸水过程在搅拌阶段就已经基本完成,混凝土制成后,集料不表现出明显的吸水作用,因而也就不表现出明显的坍落度损失。此现象影响到的是混凝土单位用水量。如果集料的吸水速度很慢,在遇水后的短时间内仅吸附很少的水,大量的水分是在以后的一个较长时间内逐渐吸附的。此现象不仅影响到混凝土单位用水量,对混凝土坍落度损失也有影响,如集料的吸水主要集中在拌水后的1~2小时内,则会显著地影响混凝土坍落度的损失。

  在通常情况下,集料不与水反应,但它也可以由液体性质转变为固体性质。这就是集料颗粒对水的吸附性。由于集料表面吸附了一定数量的水,这部分水转变为固体性质,使具有液体性质的水减少,混凝土的流动性也就随之减小。因此,集料颗粒对水的吸附作用也导致混凝土坍落度损失。

  化学外加剂对混凝土坍落度损失的影响主要表现为与胶凝材料的适应性方面。如有些化学外加剂用于某种水泥时混凝土坍落度损失较大,用于其他水泥时混凝土坍落度损失则较小。因此化学外加剂与胶凝材料之间有一个相互适应的问题。

  ①选择性:水泥与化学外加剂配合时是否出现不适应现象是有选择的。也就是说,对于某一种水泥,并非是与所有的化学外加剂配合时都会出现相同的现象。或对于某一种化学外加剂并非与所有品种水泥配合时都会出现相同的现象,正因为表现出这种选择性才表明水泥与化学外加剂之间有一个相互适应的问题

  ②独立性:水泥与化学外加剂不适应所表现出来的各种现象是相互独立的。也就是说,某一现象的出现不能决定其他现象的出现与否。在各种现象之间,目前还没有发现内在的联系。

  ③相互性:水泥与化学外加剂的适应性是相互的。当表现出不适应的现象时不能单纯的将问题归于某一方,而应从两个方面考虑,另一方面,双方所追求地应该是尽可能宽的适应范围,而不是某一个具体的产品。

  (2)目前,对水泥与化学外加剂不适应而影响混凝土坍落度损失的原因并不是十分清楚的,但也有了一些研究。

  ①认为混凝土坍落度损失与水泥对减水剂的吸附有关,不同水泥矿物对减水剂的吸附能力是不同的,研究表明水泥中主要矿物对减水剂吸附能力的顺序是:C3A>C4AF>C3S>C2S。如果吸附能力较强,加水拌和时,较多的减水剂的浓度显著下降,导致对水泥起分散作用的减水剂量渐显不足,因而,引起混凝土坍落度损失,在研究中也曾发现,使用掺有烧失量较大的粉煤灰时,混凝土的坍落度损失较大。

  ②认为水泥中的碱和SO3含量是影响化学外加剂适应性的重要参数。根据试验研究表明:

  也有人用熟料的硫化度来反应熟料中SO3与碱的关系。试验结果表明,水泥的硫化度高时,混凝土坍落度的经时性损失小,水泥的硫化度低时,混凝土坍落度的经时性损失大。

  (3)水泥的细度与级配也会影响与化学外加剂的适应性。水泥越细时化学外加剂的吸附也就越大,从而使化学外加剂的作用效果减弱。同时,较细的水泥水化速度较快,因此,混凝土坍落度损失较大。

  ①大分子量的高效减水剂对C3S水化的延迟作用较强,因此对C3S含量较高的水泥有较好的适应性。

  ②SO3含量较高的减水剂适应SO3含量较低的水泥,SO3含量较低的减水剂适应SO3含量较高的水泥。原因是SO3含量对凝结时间有着较大的影响。随着SO3含量的增加,凝结时间延长。但当SO3含量超过一定值后,凝结时间则随SO3含量的最佳而缩短。也就是说,当SO3含量较少时,体系中的SO3起缓凝作用;当SO3含量超过一定值后,体系中的SO3则起促凝作用。当水泥中的SO3含量较少时,减水剂带入的SO3是对水泥中SO3不足的一个补充,可以使水泥的水化反应进一步地延缓。因此,可以减小混凝土坍落度的损失。当水泥中的SO3含量较多时,减水剂带入的SO3使SO3总量超过临界值,从而由缓凝转变为促凝。因此,使混凝土坍落度的损失最大。

  ③对于正常水泥来说,石膏的掺入量是合适的,不会出现SO3不足的欠硫化现象。但对于掺入大量混合材的水泥,特别是掺入大量矿渣的水泥,由于矿渣中铝酸盐矿物较多,需要更多的石膏,因而可能出现欠硫化现象,而运用中的化学外加剂不能给予补充,从而导致缓凝不足,造成混凝土坍落度损失较大。

  一般来讲,环境温度越高,水泥水化速度越快;湿度越小,混凝土对外失水相对较多;天气干燥,水分蒸发;搅拌过程中气泡的外溢等,均导致混凝土坍落度的损失。相同条件下,强度越高,水灰比越小的混凝土坍落度损失越大。

  众所周知,商品混凝土本身是一种半成品,混凝土质量的优劣,首先从混凝土坍落度表现出来。在通常情况下用坍落度评定商品混凝土的流动性,因此,对影响混凝土坍落度损失的分析尤为重要。以上分析了影响混凝土坍落度损失的各种因素,但实际情况是复杂的,混凝土坍落度损失可能是某一种原因引起的,也可能是几种原因综合作用的结果。只有掌握了引起坍落度损失的原因,才能有的放矢地采取相应的技术措施,取得好的效果。

  (1)对症下药,引起混凝土坍落度损失的原因很多,必须结合具体情况,认真地分析产生原因,采取相应的措施。

  (2)注意适度,控制减少混凝土坍落度损失的许多措施可能带来一些负面的影响,因此,必须把握好度,这样才能很好地控制硅坍落度的损失,降低负面影响。

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