預(yù)拌混凝土坍落度損失的機理分析及解決措施
[摘要]文章從水泥成分、環(huán)境條件、混凝土外加劑等多方面分析混凝土坍落度損失的機理，并提出相應(yīng)的解決措施。
[關(guān)鍵詞]混凝土；坍落度損失；水泥；外加劑
水泥混凝土材料是當(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及水利建設(shè)中。隨著建設(shè)工程技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代混凝土工藝要求流態(tài)混凝土(FLC)和高性能混凝土(HPC)具有良好的性能，以滿足集中攪拌、遠距離運輸、泵送、不振搗、自流平、自密實等過程的要求。目前商品混凝土的使用越來越多，坍落度損失過大的問題嚴重影響施工進度及工程質(zhì)量。特別是泵送預(yù)拌混凝土，在高溫炎熱天氣條件下，此問題更加突出。因此，有必要對泵送預(yù)拌混凝土坍落度損失的機理作深入分析并提出可行的解決措施。
一、混凝土坍落度損失的原因分析
影響混凝土坍落度損失的原因是多方面的，且這些因素相互關(guān)聯(lián)。主要包括四個方面：一是水泥方面，如水泥中的礦物成分種類、SO3含量與C3A和堿含量的匹配、細度等；二是高效減水劑的化學(xué)成分、分子量、交聯(lián)度、磺化程度、平衡離子濃度以及緩凝劑的種類、用量等；三是環(huán)境條件，如溫度、濕度、運輸時間等；四是混凝土的水灰比大小、減水劑摻入時間次序、摻和料的品種及摻加比例。
(一)水泥中礦物成分的種類及其含量的影響
水泥中的主要礦物成分是C3A，C4AF，C3S，C2S。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。
(二)水泥中調(diào)凝劑的形態(tài)及摻加量的影響
水泥生產(chǎn)中，石膏的摻量與C3A含量比和表面積有關(guān)，為了使石膏與C3A反應(yīng)生成足夠的鈣礬石，沉淀在C3A土延緩C3A的水化。石膏加入硅酸鹽水泥，不僅是為了調(diào)凝，更重要的還是加速阿里特的水化。其加量影響強度發(fā)展的速率和體積穩(wěn)定性，因此許多國家的水泥標(biāo)準(zhǔn)中介紹了“最佳石膏量”，并且用三氧化硫(SO3)含量表示。水泥中最佳石膏量是在水灰比0.50時通過膠砂強度試驗確定的。正常的凝結(jié)是由于C3S的水化形成C-S-H的結(jié)果。這時液相中鋁酸鹽、硫酸鹽、Ca2+離子比例適宜，可能形成細粒的鈣礬石而且它能使系統(tǒng)在整個誘導(dǎo)期保持流動性，隨著C3S的水化和C-S-H的形成，系統(tǒng)將逐漸失去流動性。當(dāng)C3O不足時，C3A水化較快，會產(chǎn)生異常凝結(jié)，因此流動度損失很快，直接表現(xiàn)為坍落度損失過快，所以應(yīng)尋求最佳的石膏摻量。水泥中C3A含量越大堿含量越大，水泥顆粒越細石膏的最佳摻量越大。石膏的最佳摻量還和水泥的早期水化溫度有關(guān)。摻入不同形態(tài)的石膏對水泥水化過程的影響也是不同的。選擇最佳的石膏摻量，且摻入的石膏形態(tài)搭配合理，可有效地避免坍損，從而配制出流動性好、坍落度損失小的混凝土。
(三)水泥的細度大小，顆粒級配的影響
在水泥水化過程中，3～30mm的熟料顆粒主要起強度增長作用，而大于60um的顆粒則對強度不起作用，小于10um的顆粒主要起早強作用，3um以下的顆粒只起早強作用。小于10um的顆粒需水量大。流變性好的水泥10um以下顆粒應(yīng)少于10％。顆粒越細，細顆粒越多，增大早期水化放熱，這必將加劇坍損。
(四)環(huán)境條件及化學(xué)外加劑和摻和料的影響
一般來講，環(huán)境溫度越高，水泥水化速度越快，導(dǎo)致混凝土的坍落度損失越大。濕度越大，混凝土對外失水相對較少，有利于抑制坍落度損失。相同條件下，強度越高、水灰比越小的混凝土坍落度損失越大。同時，摻加適量需水量小的優(yōu)質(zhì)粉煤灰或微細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)外加劑對混凝土的坍損有著不同的影響。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。
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二、抑制混凝土坍落度損失的措施
通過以土分析，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。
(一)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。主要是因為水泥遇水后，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C3s、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，使用土有一定局限性。
(二)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。緩凝作用機理的另一種觀點認為，緩凝劑吸附在Ca(OH)2：土，抑制了其繼續(xù)生長，在達到一定過飽和度之前，ca(OH)2：的生長將停止。這個理論重點放在緩凝劑在ca(OH)2土的吸附，而不是在水化產(chǎn)物土吸附。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土的吸附。有機緩凝劑使水泥中的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。
(三)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，達到抑制坍損的目的。也可選擇適當(dāng)?shù)暮袠O性基團的活性成分，與減水劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不斷地向水一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，從而達到抑制坍損的目的。
(四)降低出機混凝土溫度
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，坍損越快；溫度越低，坍損越慢。一般來講，溫度每上升10℃，坍落度損失增大10％～40％。因此應(yīng)采取降低各種原材料的溫度達到抑制坍損的目的。
三、結(jié)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，C4AF含量高的水泥易出現(xiàn)坍損大的問題。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坍損效果明顯?；炷撂涠葥p失是現(xiàn)代商品混凝土所面臨的一個非常重要而又實際的問題，應(yīng)在實際工作中不斷結(jié)合生產(chǎn)及材料的具體情況，總結(jié)經(jīng)驗并選擇合適的解決措施。
（中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉(zhuǎn)載請注明出處）
[關(guān)鍵詞]混凝土；坍落度損失；水泥；外加劑
水泥混凝土材料是當(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及水利建設(shè)中。隨著建設(shè)工程技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代混凝土工藝要求流態(tài)混凝土(FLC)和高性能混凝土(HPC)具有良好的性能，以滿足集中攪拌、遠距離運輸、泵送、不振搗、自流平、自密實等過程的要求。目前商品混凝土的使用越來越多，坍落度損失過大的問題嚴重影響施工進度及工程質(zhì)量。特別是泵送預(yù)拌混凝土，在高溫炎熱天氣條件下，此問題更加突出。因此，有必要對泵送預(yù)拌混凝土坍落度損失的機理作深入分析并提出可行的解決措施。
一、混凝土坍落度損失的原因分析
影響混凝土坍落度損失的原因是多方面的，且這些因素相互關(guān)聯(lián)。主要包括四個方面：一是水泥方面，如水泥中的礦物成分種類、SO3含量與C3A和堿含量的匹配、細度等；二是高效減水劑的化學(xué)成分、分子量、交聯(lián)度、磺化程度、平衡離子濃度以及緩凝劑的種類、用量等；三是環(huán)境條件，如溫度、濕度、運輸時間等；四是混凝土的水灰比大小、減水劑摻入時間次序、摻和料的品種及摻加比例。
(一)水泥中礦物成分的種類及其含量的影響
水泥中的主要礦物成分是C3A，C4AF，C3S，C2S。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。
(二)水泥中調(diào)凝劑的形態(tài)及摻加量的影響
水泥生產(chǎn)中，石膏的摻量與C3A含量比和表面積有關(guān)，為了使石膏與C3A反應(yīng)生成足夠的鈣礬石，沉淀在C3A土延緩C3A的水化。石膏加入硅酸鹽水泥，不僅是為了調(diào)凝，更重要的還是加速阿里特的水化。其加量影響強度發(fā)展的速率和體積穩(wěn)定性，因此許多國家的水泥標(biāo)準(zhǔn)中介紹了“最佳石膏量”，并且用三氧化硫(SO3)含量表示。水泥中最佳石膏量是在水灰比0.50時通過膠砂強度試驗確定的。正常的凝結(jié)是由于C3S的水化形成C-S-H的結(jié)果。這時液相中鋁酸鹽、硫酸鹽、Ca2+離子比例適宜，可能形成細粒的鈣礬石而且它能使系統(tǒng)在整個誘導(dǎo)期保持流動性，隨著C3S的水化和C-S-H的形成，系統(tǒng)將逐漸失去流動性。當(dāng)C3O不足時，C3A水化較快，會產(chǎn)生異常凝結(jié)，因此流動度損失很快，直接表現(xiàn)為坍落度損失過快，所以應(yīng)尋求最佳的石膏摻量。水泥中C3A含量越大堿含量越大，水泥顆粒越細石膏的最佳摻量越大。石膏的最佳摻量還和水泥的早期水化溫度有關(guān)。摻入不同形態(tài)的石膏對水泥水化過程的影響也是不同的。選擇最佳的石膏摻量，且摻入的石膏形態(tài)搭配合理，可有效地避免坍損，從而配制出流動性好、坍落度損失小的混凝土。
(三)水泥的細度大小，顆粒級配的影響
在水泥水化過程中，3～30mm的熟料顆粒主要起強度增長作用，而大于60um的顆粒則對強度不起作用，小于10um的顆粒主要起早強作用，3um以下的顆粒只起早強作用。小于10um的顆粒需水量大。流變性好的水泥10um以下顆粒應(yīng)少于10％。顆粒越細，細顆粒越多，增大早期水化放熱，這必將加劇坍損。
(四)環(huán)境條件及化學(xué)外加劑和摻和料的影響
一般來講，環(huán)境溫度越高，水泥水化速度越快，導(dǎo)致混凝土的坍落度損失越大。濕度越大，混凝土對外失水相對較少，有利于抑制坍落度損失。相同條件下，強度越高、水灰比越小的混凝土坍落度損失越大。同時，摻加適量需水量小的優(yōu)質(zhì)粉煤灰或微細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)外加劑對混凝土的坍損有著不同的影響。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。
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二、抑制混凝土坍落度損失的措施
通過以土分析，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。
(一)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。主要是因為水泥遇水后，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C3s、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，使用土有一定局限性。
(二)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。緩凝作用機理的另一種觀點認為，緩凝劑吸附在Ca(OH)2：土，抑制了其繼續(xù)生長，在達到一定過飽和度之前，ca(OH)2：的生長將停止。這個理論重點放在緩凝劑在ca(OH)2土的吸附，而不是在水化產(chǎn)物土吸附。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土的吸附。有機緩凝劑使水泥中的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。
(三)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，達到抑制坍損的目的。也可選擇適當(dāng)?shù)暮袠O性基團的活性成分，與減水劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不斷地向水一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，從而達到抑制坍損的目的。
(四)降低出機混凝土溫度
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，坍損越快；溫度越低，坍損越慢。一般來講，溫度每上升10℃，坍落度損失增大10％～40％。因此應(yīng)采取降低各種原材料的溫度達到抑制坍損的目的。
三、結(jié)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，C4AF含量高的水泥易出現(xiàn)坍損大的問題。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坍損效果明顯?；炷撂涠葥p失是現(xiàn)代商品混凝土所面臨的一個非常重要而又實際的問題，應(yīng)在實際工作中不斷結(jié)合生產(chǎn)及材料的具體情況，總結(jié)經(jīng)驗并選擇合適的解決措施。
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