[摘要] 初龄期混凝土犹如刚出生的婴儿一样,需要给予细心的呵护。然而,初龄期混凝土呈现明显的泌水、塑性沉降与收缩开裂现象,在近年国内混凝土工程施工中很常见,严重影响混凝土的匀质性,影响结构的使用性能和耐久性能,迫切需要给予充分地关注。本文着重讨论这些现象及其产生原因、造成的影响和防治措施等。
[关键词] 泌水 沉降 塑性收缩与开裂 水泥与外加剂的相容性
1 引言
随着混凝土工程在基础设施建设中日益广泛的应用,尤其是在城市交通设施中的广泛应用,混凝土外观品质日益受到人们的关注,而与此同时,混凝土表面的花斑、气孔、裂纹却像令人讨厌的苍蝇一样挥之不去,有时严重到业主不得不要求工程停工,甚至造成推倒重来的事故,延误工期,损失惨重,使施工单位和混凝土公司的技术人员伤透了脑筋。其实,初龄期混凝土的泌水、沉降与收缩问题早已有之,但是如今产生这些现象的原因并不相同,因此要克服它就不能照搬以往的经验,人们需要不断更新观念、更新知识,才能认识和处理新问题,也就是说不能周而复始地重复,而需要螺旋形地上升、提高与升华。
2 泌水、塑性沉降与收缩现象
混凝土拌合物浇筑后至初凝期间约几个小时里,拌合物呈塑性和半流动态,各组分间由于密度不同,在重力作用下相对运动,集料与水泥下沉、水上浮,出现三种现象:泌水、塑性沉降和塑性收缩。
2.1 泌水
泌水易于发生在非干硬性拌合物中。这种拌合物在浇筑与捣实以后、凝结(不再发生沉降)之前,表面会出现一层水分或浮浆,可达混凝土浇筑高度的2～3%或更大,这些水或向外蒸发,或因水泥继续水化被吸回,伴随发生混凝土体积减小;此外,部分上升的泌水积存在集料下方形成水囊。泌水对混凝土性能带来两方面影响:首先,顶部或靠近顶部的混凝土因含水多,形成疏松的水化物结构,对表层的耐磨性等十分有害;形成水囊则会显著削弱水泥浆与集料间的界面粘结作用,影响硬化混凝土的强度和耐久性(图1(a))。 2.2 塑性沉降
拌合物由于泌水产生整体沉降,浇筑深度大时靠近顶部的拌合物运动距离更长;沉降受到钢筋、预埋件等阻碍,则从表面向下直至其上方产生塑性沉降裂缝(图1(b))。
2.3 塑性收缩
在干燥环境中混凝土浇注后,向上运动到达顶部的泌出水要逐渐蒸发。如果泌出水速度低于蒸发速度,表面混凝土将由于失水,由于干缩在塑性状态下开裂。这是由于混凝土表面区域受约束产生拉应变,而这时它的抗拉强度几乎为0,所以形成塑性收缩裂缝,这种裂缝与塑性沉降裂缝明显不同,与环境条件有密切关系:当混凝土受环境温度高、相对湿度小、风大、太阳辐射强烈,以及以上几种因素的组合作用,更容易出现开裂(图1(c))。 图1 新浇注混凝土的行为
(a)泌水 (b)塑性沉降裂缝 (c)塑性收缩裂缝
3 初龄期混凝土发生上述现象的原因
3.1 早期的混凝土
早期的混凝土中水泥粉磨细度较小,高活性矿物(硅酸三钙)含量较少,水泥中常掺有矿渣等混合材(在混凝土里掺有的同样材料被称为矿物掺和料,或矿物外加剂),而且当时的水泥生产时,熟料是和矿渣等同时粉磨的,由于矿渣比较难于磨细,因此在这种水泥里矿渣常以比熟料粗得多的颗粒存在。早期的混凝土的另一特点是水灰比(在有掺和料的情况下是水胶比)较大,通常没有掺外加剂,这样的混凝土拌合物尽管工作度不大,例如坍落度在20～40mm,但从浇注到凝固之间的时间间隔比较长,尤其在冷天时更为突出。在此过程中发生上述泌水、沉降离析等现象的原因也就不难理解了。但是,当时我国北方的混凝土还有另一个突出的问题,就是所用水泥的含碱量高(据了解,北方水泥厂生产的水泥含碱量全都在1%以上)。含碱量高增大混凝土的干缩,使混凝土易于开裂,并会由此引发一系列混凝土耐久性问题。然而,含碱量高的水泥水化硬化快,又会减小泌水、离析造成的负面影响。这体现了事物的多样性和复杂性———有弊必有利,反之亦然。
图2 泌水、沉降工程实例之1
———对混凝土路面的耐磨性能影响显著
图3 泌水、沉降工程实例之2
———对混凝土桩施工质量影响显著
图4 泌水、沉降工程实例之3
———对后张预应力梁孔道灌浆质量影响显著
3.2 现今的混凝土
现今的混凝土所用水泥与以往大相径庭,水泥的粉磨细度明显增大,高活性矿物含量增多,由于推广散装运输的方式,使水泥在储运过程中反复均化,改善了水泥的匀质性,使用时无需拆袋也带来方便,但是产生一个新问题,便是水泥的温度高居不下,尤其是夏天,水泥进入搅拌机的温度有时高达90℃,这使得实际结构里混凝土强度的发展速率,与实验室使用已经凉下来的水泥做试验得出的结果相差甚远,不仅造成工程中大量材料的浪费,还带来结构开裂现象普遍,修补、加固则进一步造成更大的浪费。现今的混凝土中普遍掺有减水剂等外加剂,以及粉煤灰、矿粉等掺和料,水灰比(水胶比)一般都比早期混凝土明显降低;拌合物工作度,主要指泵送混凝土的坍落度大都在180mm以上。尽管工作度明显增大,由于水泥和水灰比等发生变化,在很长一段时间里出现上述初龄期混凝土的泌水与沉降离析现象并不常见。
但是,在碱2集料反应可能会给混凝土的耐久性带来严重后果的宣传影响下,不少水泥厂生产的水泥含碱量大幅度降低了,在带来减小干缩好处的同时,也遇到了新问题。如AÇtcin所指出[1]:“从流变性的角度考虑,水泥存在一个最佳的可溶碱含量。现今一些水泥中的可溶碱含量达不到该最佳值,原一些水泥公司为满足某些机构规定使用低碱水泥的要求(以避免可能发生的,或通常只是想象中的碱2集料反应),销售出去的水泥中可溶碱含量不必要地过分低。
目前国内最普遍使用的高效减水剂是萘系减水剂,而控制萘系减水剂-水泥相容性良好有几个关键因素。2000年在法国召开的第六届国际化学外加剂会议上,我国留学生姜施平博士等发表的文章指出[2]:水泥的可溶碱含量(事实上,SO2-4就来自可溶碱)、细度、C3A含量和石膏类型,是控制掺萘系减水剂水泥浆和混凝土流变性能的关键参数。最佳可溶碱含量在014%～016%当量Na2O。萘系减水剂在水泥颗粒上的吸附率和水泥水化速率受这些参数影响,它们控制混凝土流动度的损失速率。使用可溶碱含量低的水泥时,不仅当减水剂剂量不足时坍落度损失会较快,且当剂量稍高于饱和点时,又会出现严重的离析与泌水。
由于工程使用低碱水泥,给选用减水剂造成困难的不乏实例,如江苏的润阳大桥工程在选用高效减水剂时就费了很多周折,后来放弃了使用萘系高效减水剂,才满足了工程施工的需要[3]。
除了萘系高效减水剂,以及性能与其接近的密胺类高效减水剂之外,国内在20世纪90年代开发出来,现在已经得到广泛应用的氨基磺酸盐减水剂,特别是近年来开发的聚羧酸系减水剂,用于配制的拌合物工作度损失明显减小,比较适于在工作度要求高,例如自密实混凝土、水下不分散混凝土的配制用。但是从本质上说来,高效减水剂之所以可以大幅度减小用水量,机理就在于可以有效地破坏水泥浆体的絮凝结构,释放出内里的自由水,也就是削弱了水泥颗粒与水之间的作用,从这种角度来说,它加剧了泌水现象。聚羧酸系减水剂虽然依靠其他基团,例如引气基团的作用,可以改善浆体的稳定性,但是在表面密实性和外观要求很高的工程中,还必须复合使用保水性良好的组分,例如羧甲基纤维素,羟乙基或羟丙基纤维素等。
当然由于单价较低,目前国内工程主要还使用萘系高效减水剂,为了改善拌合物坍落度损失较大的不足,常复合缓凝剂使用。尤其羟基羧酸类缓凝剂延缓坍落度损失的效果十分显著,早已在国内外普遍使用。但是这类产品的剂量对其缓凝作用大小十分敏感,很难掌握适量,因此常会出现凝结过度延缓,并造成泌水、沉降严重的后果。反之,当混凝土掺用膨胀剂时,由于它的水化要将大量自由水转变成结合水,可显著改善泌水、沉降问题,可是引起坍落度损失剧烈又成为令人难以解决的问题。以上事实说明:现今混凝土中普遍掺有外加剂,水泥-外加剂的相容性如何,对混凝土的许多性能起至关重要的影响,需要给予充分的重视。除此之外,还有许多因素影响初龄期混凝土的上述性能。
集料级配对于拌合物的泌水、沉降离析起十分关键的作用。欧盟一些国家在预制混凝土业已获得较广泛应用的自密实混凝土,其水泥等胶凝材料用量仅400～450kg/m3,其组分材料的重要特点,就是其砂率大(超过60%)且砂子的级配良好(各筛的筛余接近)。这种自密实混凝土的塑性粘度与普通混凝土接近,因此易于泵送、浇注速度快、不会形成冷缝。由于胶凝材料用量没有多大差异,也就不会出现收缩变形增大造成的不利影响。与此相反,国内集料的级配不良,会使配制工作度更小一些的拌合物也容易出现泌水和沉降离析。
矿物掺和料的应用中存在的误区,也是加剧拌合物泌水、沉降离析的一个原因。事实上,需水量越小的掺和料,例如Ⅰ级粉煤灰、磨细矿渣等用于配制的拌合物,就越容易出现泌水、沉降离析。换句话说,需水量小的矿物掺和料只适用于配制低水胶比,即强度级别较高的混凝土,而现今在配制C30这类用量最大的普通级别的拌合物时,一些规范中限定采用Ⅰ级粉煤灰的做法,实际上是一种误导,笔者前不久就听北京一家混凝土公司抱怨上述规范条款给他们造成很大的困难。
除了技术原因以外,近年国家出台限制现场搅拌,推行预拌混凝土的政策,使得施工单位和预拌混凝土公司出于双方各自的利益,不必要地过度增大拌合物的坍落度,也是加剧拌合物产生泌水、沉降离析的重要原因。为了使到达现场交付时的拌合物工作度满足用户的要求,混凝土公司即使在气温不高的季节也不得不掺用缓凝剂,以延缓拌合物的坍落度损失,而这样一来,混凝土浇注后的泌水和离析就会明显地加剧。
4 泌水、沉降可能产生的影响
如上所述,初龄期混凝土拌合物产生的泌水、沉降离析,以及表面失水相关的塑性收缩现象,不仅会损伤硬化后表面的耐磨性能,还会使混凝土内部的集料与浆体界面、钢筋与混凝土界面形成薄弱的过渡区。实际上,过渡区就是混凝土体内的原生裂缝,在随后混凝土的温度收缩、自生收缩以及干燥收缩受到约束作用时,产生的应力不断积累、叠加,当混凝土的抗力(抗拉强度,或者更确切地说,是断裂能)被应力超过时,就出现可见的宏观表面裂缝,或贯穿裂缝。
图2～4分别表示泌水、沉降对混凝土路面、桩和预应力梁造成的影响。图3所示的混凝土桩上半截由于严重的泌水、沉降,使钢筋外侧的混凝土已经不复存在,只有凿掉后重新浇注。图4所示后张预应力梁孔道灌浆由于泌水、沉降,泌出水聚集在波纹管上方,经历冬季水分结冰体积膨胀,引起沿波纹管方向出现裂缝,这种现象在国内外许多后张预应力桥梁上很常见。为此,有的国家(如英国)曾一度禁止使用后张法生产预应力桥梁。
5 混凝土出现泌水、沉降的防治
根据上述对初龄期混凝土出现泌水、沉降,以及由此而产生的塑性收缩及开裂现象的分析,笔者提出以下防治措施供混凝土生产供应和施工企业参考。
1)当水泥可溶碱含量偏低,与萘系减水剂相容性不好,因此出现泌水、沉降离析现象时,除上述改换减水剂品种外,还可以考虑少量掺用硫酸盐(如芒硝等),当然在掺量需要较大时,须注意可能带来其他不利后果。
2)粗集料最大粒径控制不严,有时甚至明显超过钢筋间距或箍筋与模板的距离;粗集料级配不良,中间断档,例如在常用的5～30mm或5～40mm石子中很少甚至根本没有5～10mm颗粒(这种现象非常普遍,严重的时候甚至只有15或20mm以上的颗粒);细集料———砂子(通常更不注意,例如明显缺少215～5mm颗粒),这些都是引起初龄期混凝土产生泌水、沉降离析的重要原因。
3)施工时控制拌合物的坍落度尽量小一些为好,尤其是掺有粉煤灰时,120mm左右的坍落度就可以很好地泵送。然而很多施工单位盲目地提出加大坍落度要求,有时还采取在现场加水随意增大坍落度的错误做法。显然坍落度越大,越容易泌水、沉降离析,也因此更容易出现堵泵现象,延误施工。
4)施工时的振捣操作不当,对出现泌水、沉降离析现象也有重要影响。目前国内振捣棒的频率一般都超过12000次/分(称高频振捣棒),且操作工普遍缺乏技术培训,使得振捣工序的质量严重失控,如漏振(没有振到)、过振(振捣时间过长)、拖振(在拌合物表面连续拖动振捣棒)等现象十分常见,从这个角度看来,在质量要求非常高的工程中,采用免振自密实混凝土十分必要。
5)改变混凝土配合比只和设计强度等级相关的现状,在环境(例如施工过程遇到小寒流降温等),或施工条件(例如泵送高度)等发生变化时,都需要及时调整配合比(例如高效减水剂、缓凝剂、引气剂以及矿物掺和料的掺量等)。现今普遍实行一个强度等级固定一个配合比,不加任何调整的做法是很不利于控制的。
参考文献
[1]Pierre-ClaudeAÇtcin.Cementsofyesterdayandtoday:
Concreteoftomorrow.CementandConcreteResearch.pp.
1349～1359.Sept2000.
[2]ShipingJiang,Byung-GiKim,Pierre-ClaudeAÇtcin.Somekeycementfactorsthatcontrolthecompatibilitybe2tween
naphthalene_basedsuperplasticizersandordinaryportlandcement.
SupplementaryProceedingof6th
Interna2tionalConferenceonSuperplasticizersandOtherConcrete
Admixtures.2000,pp.33～54.
[3]刘秉京1高效减水剂与水泥的适应性1第九届全国外加剂学术交流会论文集,pp.29～40.2002年1
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