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商品混凝土坍落度损失与对策

商品混凝土坍落度损失与对策

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【摘要】:
  随着建设工程技术的不断提高,现代混凝土工艺对混凝土工作性能要求越来越高。目前,商品混凝土已广泛应用于各类土木建筑工程及水利建设中,为满足运输等条件的限制,故商品混凝土比现场搅拌混凝土坍落度要大。但在施工过程中,常常因坍落度损失过大,从而影响到施工进度及工程质量。特别是泵送混凝土,在高温炎热天气条件下,混凝土坍落度损失更加突出。

  坍落度损失的定义:混凝土拌合物经过一定时间后逐渐变稠而黏聚性增大,流动度逐渐降低的现象。影响混凝土坍落度损失主要有:水泥矿物组成、矿物掺合料、骨料、外加剂、环境温度等几个方面。

  1外加剂与水泥适应性引起的坍落度损失

  1.1矿物成分和石膏掺量

  水泥的主要成分为C3S、C2S、C3A及C4AF,这些矿化成分其吸附活性顺序通常认为应该是C3A>C4AF>C3S>C2S,一般来说,水泥C3A和C4AF的比例越大,则减水剂的分散效果越差。

  水泥中硫酸根离子比磺化的超塑化剂更容易与铝酸盐作用。所以,硫酸根离子与C3A的浓度平衡与否和高效减水剂浆体中高效减水剂浓度急速降低的现象有一定关系。C3A含量过高的水泥,应在高效减水剂中加入适量的阳离子羧甲基或选择合适的缓凝组分。应注意当高效减水剂用木钙或糖钙调凝时,出现异常凝结的水泥中有无水石膏存在或半水石膏存在。

  1.2石膏形态和掺量

  石膏是作为水泥的调凝剂使用的,以二水石膏(CaSO4·2H2O)水溶性最好。在水泥生产时温度过高会使大量二水石膏转变成半水石膏(CaSO4·1/2H2O)或无水石膏(CaSO4)即硬石膏。水泥一开始接触水,液相中硫酸根离子与C3A之间的平衡不仅取决于石膏掺量,还取决于石膏的品种和形态,尤其是以无水石膏作为调凝剂的水泥碰到木钙、糖钙减水剂时,则会产生更严重的不适应性,不仅得不到预期的减水效果,而且往往会引起流动性损失过快,甚至出现异常凝结(假凝)现象。水泥C3A含量较高或石膏与C3A比例太小,由混凝土制备单位采用减水剂后掺法,适当在混凝土中补充硫酸根离子或提高减水剂掺量。

  1.3水泥的碱含量

  水泥中可溶性碱最佳含量一般认为是0.4%~0.6%。适量的可溶性碱有利于促进水泥水化,更有利于混凝土早期强度发展。水泥的碱含量过大不仅会使减水剂塑化效果变差,还会导致混凝土坍落度损失加快和凝结时间缩短。试验表明在与碱含量高的水泥的适应性方面,低浓型萘系高效减水剂优于高浓型萘系高效减水剂。其原因在于低浓型萘系减水剂中,残留的硫酸钠为浆体液相及时提供了一定的硫酸根离子。水泥含碱量过高,由水泥生产厂尽量降低水泥碱含量或适当补充硫酸根离子。

  1.4水泥的细度

  水泥颗粒对减水剂分子具有较强的吸附性,在掺加减水剂的水泥浆体中,水泥颗粒越细,则对减水剂分子的吸附量越大,随着水泥细度的增大,在相同的水灰比和减水剂掺量相同的状况下,外加剂的效果呈线性下降趋势。对于水泥比表面积较大,应提高减水剂掺量。

  1.5水泥的新鲜度和水泥的温度

  水泥越新鲜,减水剂对其塑化效果相应越差。水泥温度越高,减水剂对其塑化效果也越差,混凝土坍落度损失也越大。对水泥比较新鲜或水泥温度过高,应适当增加高效减水剂的掺量或用掺合料替代部分水泥。

  2混凝土矿物掺合料对坍落度损失的影响

  现代混凝土中,矿物掺合料已经是必不可少的成分,矿物掺合料的掺入对混凝土用水量和外加剂吸附量有很大影响。Thomas根据大量的实验给出需水量比Y与粉煤灰细度A1(45μm筛余%)之间的关系如下式:当烧失量3%~4%时

  Y=88.76+0.25A1,相关系数r=0.86;

  当烧失量5%~11%时

  Y=89.32+0.38A1,相关系数r=0.85。

  优质粉煤灰可以减少用水量,提高混凝土拌合物的坍落度、流动性,又能改善混凝土的和易性及可泵性;同时,优质粉煤灰还能降低混凝土泌水率和干缩率,有效地提高了混凝土质量。

  影响粉煤灰质量的另一因素是烧失量,烧失量对粉煤灰质量的影响是由于未燃尽的残碳的存在,这些粗大多孔的碳颗粒不仅使粉煤灰的需水量及外加剂的吸附量增大,进而增大混凝土坍落度损失,也对混凝土引气剂的效果产生不利的影响,因为这些碳粒更容易吸附引气剂。高烧失量粉煤灰通常需要更大剂量的引气剂(掺量要增加0.001%~0.002%)。此外高烧失量的粉煤灰因为含碳组分高的颗粒比较轻,在混凝土搅拌、运输和成型过程中容易浮到表面造成混凝土的离析。

  矿物掺合料对混凝土的凝结时间与不掺矿物掺合料的普通混凝土相比,具有一定缓凝、保坍效果。在温度20℃,当粉煤灰掺量为30%时,混凝土初凝时间增加34.6%,终凝时间增加25.6%,减少混凝土坍落度损失。矿粉掺量为30%时,混凝土初凝时间增加10.9%,终凝时间增加8.2%。在掺量20%~30%,混凝土初终凝时间延长最大。温度每升高10~15℃,矿物掺合料可以增加5%~10%,从而降低水泥用量,减少混凝土坍落度损失。但应注意调整混凝土的凝结时间,特别是日平均温度不足10℃时,应调整混凝土配合比,降低混凝土中矿粉掺量(甚至不掺)或改变外加剂的品种来调整凝结时间。矿物掺合料应选用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰及S95矿粉。

  另外,如果掺合料的细度过细,比表面积大,则会增加对水分的吸收,对混凝土拌合物的坍落度产生不利影响。如硅粉掺量增加1%,用水量增加5~8kg,如果掺合料的细度过细时,应注意混凝土坍落度变化以便控制坍落度损失。

  3骨料对混凝土坍落度损失的影响

  3.1细骨料对混凝土坍落度损失的影响

  细骨料含泥量增加,一方面使细骨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。因此,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。当含泥量为小于3%时,对混凝土坍落度的影响不明显。但当含泥量超过4%时,对混凝土坍落度的影响明显增加。细骨料中的风化物含量较大时,该风化物抗压强度低(用手一捻颗粒便变成粉状)、用水量较大,外加剂基本不起作用,混凝土坍落度损失严重,在混凝土生产中应避免使用。

  砂粒径对坍落度影响也很大,具体为:砂粒径过大,当0.3mm以下细粉过少时,导致砂浆量不足,不能在粗骨料的周围形成足够的砂浆层起润滑作用,因而使混凝土拌合物的流动性降低,混凝土拌合物的黏聚性和保水性差,严重时甚至出现泌水、离析、溃散。当0.3mm以下细粉过多时,混凝土粘稠、需水量大,外加剂和用水量增加,坍落度、流动性变小。因此生产中细骨料宜采用中砂(细度模数2.7~2.9):通过0.315mm筛孔不应小于15%;通过0.150mm筛孔不应小于5%。由于我国砂源日趋紧张,符合级配要求的中砂少之又少,生产中应对不符合级配要求的粗砂与细砂进行混合成中砂,以满足混凝土生产要求。此外,在商品混凝土生产实践中,应根据原材料变化及时调整砂率,砂率过大也是混凝土坍落度损失的原因之一。

  3.2粗骨料混凝土坍落度损失的影响

  粗骨料(碎石)的最大粒径、形状、表面纹理、级配和吸水性等特性将不同程度地影响新拌混凝土的和易性。粗骨料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%,坍落度损失增加1~2cm。另一方面针状、片状骨料对混凝土的流动性及坍落度有着十分显著的影响。针状、片状骨料越多,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。生产实践中粗骨料最大粒径为20mm、25mm、31.5mm的连续级配,且针片状颗粒含量不大于10%时;混凝土的性状较好。

  3.3骨料的吸水率对混凝土坍落度损失的影响

  混凝土在拌制时如采用干骨料,而且骨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,细骨料用量大约700kg/m3,粗骨料用量大约为1100kg/m3。如骨料的吸水率为1%,则细骨料可吸取7kg水,粗骨料可吸取11kg的水。若这一吸水过程在1h内完成,细骨料就有可能使混凝土的坍落度在1h内损失20~30mm,对于粗骨料也可作同样的考虑,它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,粗细骨料均为干料,可使混凝土的坍落度损失达到60~80mm甚至更多。由此可见,骨料的吸水作用对混凝土的坍落度损失有不可忽略的影响。

  骨料在使用前进行预吸水处理,在拌制混凝土的前一天洒水使骨料润湿,将骨料的吸水过程由混凝土拌制以后移至混凝土拌制前。应注意:第一、洒水不要太多;第二、应分次喷洒,每次不宜太多;第三、使用前应将骨料翻匀。

  4环境条件对混凝土坍落度损失的影响

  气温高,水泥水化反应快,外加剂的消耗加快混凝土坍落度损失越大;风越大,混凝土水分蒸发越快,加快了水泥颗粒之间的物理凝聚,混凝土坍落度损失越大。一般而言,温度每上升10℃,坍落度损失率增大10%~40%。根据情况,可采用在混凝土运输车上覆盖隔热材料或采用缓凝型高效减水剂降低水化速度等各种措施以减少坍落度损失,尽量使混凝土的温度保持在10~30℃范围之内,从而在一定时间范围内,控制混凝土坍落度的损失。夏季气温太高时,温度每增加10~15℃,应增加有用水量2%~4%或外加剂掺量增加0.1%~0.2%。运距每增加10~15km,增加用水量5~8kg或外加剂掺量增加0.1%~0.2%,也可采用二次添加外加剂或采取对骨料浇水降温的办法,减小坍落度损失。

  5结束语

  混凝土坍落度损失是现代商品混凝土所面临的一个非常重要而又实际的问题。影响混凝土坍落度损失的因素较多,合理选用水泥、骨料、外加剂和掺合料能有效控制坍落度的损失。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。应在实际工作中不断结合生产及材料的具体情况,总结经验并选择合适的解决措施。

  在控制混凝土坍落度损失时,还需注意两点:第一、必须结合具体情况,认真地分析引起混凝土坍落度损失的原因,采取相应的措施。第二、控制混凝土坍落度损失的许多措施可能会带来一些负面的影响,因此,必须把握好度,降低负面影响。

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  随着建设工程技术的不断提高,现代混凝土工艺对混凝土工作性能要求越来越高。目前,商品混凝土已广泛应用于各类土木建筑工程及水利建设中,为满足运输等条件的限制,故商品混凝土比现场搅拌混凝土坍落度要大。但在施工过程中,常常因坍落度损失过大,从而影响到施工进度及工程质量。特别是泵送混凝土,在高温炎热天气条件下,混凝土坍落度损失更加突出。

  坍落度损失的定义:混凝土拌合物经过一定时间后逐渐变稠而黏聚性增大,流动度逐渐降低的现象。影响混凝土坍落度损失主要有:水泥矿物组成、矿物掺合料、骨料、外加剂、环境温度等几个方面。

  1外加剂与水泥适应性引起的坍落度损失

  1.1矿物成分和石膏掺量

  水泥的主要成分为C3S、C2S、C3A及C4AF,这些矿化成分其吸附活性顺序通常认为应该是C3A>C4AF>C3S>C2S,一般来说,水泥C3A和C4AF的比例越大,则减水剂的分散效果越差。

  水泥中硫酸根离子比磺化的超塑化剂更容易与铝酸盐作用。所以,硫酸根离子与C3A的浓度平衡与否和高效减水剂浆体中高效减水剂浓度急速降低的现象有一定关系。C3A含量过高的水泥,应在高效减水剂中加入适量的阳离子羧甲基或选择合适的缓凝组分。应注意当高效减水剂用木钙或糖钙调凝时,出现异常凝结的水泥中有无水石膏存在或半水石膏存在。

  1.2石膏形态和掺量

  石膏是作为水泥的调凝剂使用的,以二水石膏(CaSO4·2H2O)水溶性最好。在水泥生产时温度过高会使大量二水石膏转变成半水石膏(CaSO4·1/2H2O)或无水石膏(CaSO4)即硬石膏。水泥一开始接触水,液相中硫酸根离子与C3A之间的平衡不仅取决于石膏掺量,还取决于石膏的品种和形态,尤其是以无水石膏作为调凝剂的水泥碰到木钙、糖钙减水剂时,则会产生更严重的不适应性,不仅得不到预期的减水效果,而且往往会引起流动性损失过快,甚至出现异常凝结(假凝)现象。水泥C3A含量较高或石膏与C3A比例太小,由混凝土制备单位采用减水剂后掺法,适当在混凝土中补充硫酸根离子或提高减水剂掺量。

  1.3水泥的碱含量

  水泥中可溶性碱最佳含量一般认为是0.4%~0.6%。适量的可溶性碱有利于促进水泥水化,更有利于混凝土早期强度发展。水泥的碱含量过大不仅会使减水剂塑化效果变差,还会导致混凝土坍落度损失加快和凝结时间缩短。试验表明在与碱含量高的水泥的适应性方面,低浓型萘系高效减水剂优于高浓型萘系高效减水剂。其原因在于低浓型萘系减水剂中,残留的硫酸钠为浆体液相及时提供了一定的硫酸根离子。水泥含碱量过高,由水泥生产厂尽量降低水泥碱含量或适当补充硫酸根离子。

  1.4水泥的细度

  水泥颗粒对减水剂分子具有较强的吸附性,在掺加减水剂的水泥浆体中,水泥颗粒越细,则对减水剂分子的吸附量越大,随着水泥细度的增大,在相同的水灰比和减水剂掺量相同的状况下,外加剂的效果呈线性下降趋势。对于水泥比表面积较大,应提高减水剂掺量。

  1.5水泥的新鲜度和水泥的温度

  水泥越新鲜,减水剂对其塑化效果相应越差。水泥温度越高,减水剂对其塑化效果也越差,混凝土坍落度损失也越大。对水泥比较新鲜或水泥温度过高,应适当增加高效减水剂的掺量或用掺合料替代部分水泥。

  2混凝土矿物掺合料对坍落度损失的影响

  现代混凝土中,矿物掺合料已经是必不可少的成分,矿物掺合料的掺入对混凝土用水量和外加剂吸附量有很大影响。Thomas根据大量的实验给出需水量比Y与粉煤灰细度A1(45μm筛余%)之间的关系如下式:当烧失量3%~4%时

  Y=88.76+0.25A1,相关系数r=0.86;

  当烧失量5%~11%时

  Y=89.32+0.38A1,相关系数r=0.85。

  优质粉煤灰可以减少用水量,提高混凝土拌合物的坍落度、流动性,又能改善混凝土的和易性及可泵性;同时,优质粉煤灰还能降低混凝土泌水率和干缩率,有效地提高了混凝土质量。

  影响粉煤灰质量的另一因素是烧失量,烧失量对粉煤灰质量的影响是由于未燃尽的残碳的存在,这些粗大多孔的碳颗粒不仅使粉煤灰的需水量及外加剂的吸附量增大,进而增大混凝土坍落度损失,也对混凝土引气剂的效果产生不利的影响,因为这些碳粒更容易吸附引气剂。高烧失量粉煤灰通常需要更大剂量的引气剂(掺量要增加0.001%~0.002%)。此外高烧失量的粉煤灰因为含碳组分高的颗粒比较轻,在混凝土搅拌、运输和成型过程中容易浮到表面造成混凝土的离析。

  矿物掺合料对混凝土的凝结时间与不掺矿物掺合料的普通混凝土相比,具有一定缓凝、保坍效果。在温度20℃,当粉煤灰掺量为30%时,混凝土初凝时间增加34.6%,终凝时间增加25.6%,减少混凝土坍落度损失。矿粉掺量为30%时,混凝土初凝时间增加10.9%,终凝时间增加8.2%。在掺量20%~30%,混凝土初终凝时间延长最大。温度每升高10~15℃,矿物掺合料可以增加5%~10%,从而降低水泥用量,减少混凝土坍落度损失。但应注意调整混凝土的凝结时间,特别是日平均温度不足10℃时,应调整混凝土配合比,降低混凝土中矿粉掺量(甚至不掺)或改变外加剂的品种来调整凝结时间。矿物掺合料应选用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰及S95矿粉。

  另外,如果掺合料的细度过细,比表面积大,则会增加对水分的吸收,对混凝土拌合物的坍落度产生不利影响。如硅粉掺量增加1%,用水量增加5~8kg,如果掺合料的细度过细时,应注意混凝土坍落度变化以便控制坍落度损失。

  3骨料对混凝土坍落度损失的影响

  3.1细骨料对混凝土坍落度损失的影响

  细骨料含泥量增加,一方面使细骨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。因此,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。当含泥量为小于3%时,对混凝土坍落度的影响不明显。但当含泥量超过4%时,对混凝土坍落度的影响明显增加。细骨料中的风化物含量较大时,该风化物抗压强度低(用手一捻颗粒便变成粉状)、用水量较大,外加剂基本不起作用,混凝土坍落度损失严重,在混凝土生产中应避免使用。

  砂粒径对坍落度影响也很大,具体为:砂粒径过大,当0.3mm以下细粉过少时,导致砂浆量不足,不能在粗骨料的周围形成足够的砂浆层起润滑作用,因而使混凝土拌合物的流动性降低,混凝土拌合物的黏聚性和保水性差,严重时甚至出现泌水、离析、溃散。当0.3mm以下细粉过多时,混凝土粘稠、需水量大,外加剂和用水量增加,坍落度、流动性变小。因此生产中细骨料宜采用中砂(细度模数2.7~2.9):通过0.315mm筛孔不应小于15%;通过0.150mm筛孔不应小于5%。由于我国砂源日趋紧张,符合级配要求的中砂少之又少,生产中应对不符合级配要求的粗砂与细砂进行混合成中砂,以满足混凝土生产要求。此外,在商品混凝土生产实践中,应根据原材料变化及时调整砂率,砂率过大也是混凝土坍落度损失的原因之一。

  3.2粗骨料混凝土坍落度损失的影响

  粗骨料(碎石)的最大粒径、形状、表面纹理、级配和吸水性等特性将不同程度地影响新拌混凝土的和易性。粗骨料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%,坍落度损失增加1~2cm。另一方面针状、片状骨料对混凝土的流动性及坍落度有着十分显著的影响。针状、片状骨料越多,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。生产实践中粗骨料最大粒径为20mm、25mm、31.5mm的连续级配,且针片状颗粒含量不大于10%时;混凝土的性状较好。

  3.3骨料的吸水率对混凝土坍落度损失的影响

  混凝土在拌制时如采用干骨料,而且骨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,细骨料用量大约700kg/m3,粗骨料用量大约为1100kg/m3。如骨料的吸水率为1%,则细骨料可吸取7kg水,粗骨料可吸取11kg的水。若这一吸水过程在1h内完成,细骨料就有可能使混凝土的坍落度在1h内损失20~30mm,对于粗骨料也可作同样的考虑,它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,粗细骨料均为干料,可使混凝土的坍落度损失达到60~80mm甚至更多。由此可见,骨料的吸水作用对混凝土的坍落度损失有不可忽略的影响。

  骨料在使用前进行预吸水处理,在拌制混凝土的前一天洒水使骨料润湿,将骨料的吸水过程由混凝土拌制以后移至混凝土拌制前。应注意:第一、洒水不要太多;第二、应分次喷洒,每次不宜太多;第三、使用前应将骨料翻匀。

  4环境条件对混凝土坍落度损失的影响

  气温高,水泥水化反应快,外加剂的消耗加快混凝土坍落度损失越大;风越大,混凝土水分蒸发越快,加快了水泥颗粒之间的物理凝聚,混凝土坍落度损失越大。一般而言,温度每上升10℃,坍落度损失率增大10%~40%。根据情况,可采用在混凝土运输车上覆盖隔热材料或采用缓凝型高效减水剂降低水化速度等各种措施以减少坍落度损失,尽量使混凝土的温度保持在10~30℃范围之内,从而在一定时间范围内,控制混凝土坍落度的损失。夏季气温太高时,温度每增加10~15℃,应增加有用水量2%~4%或外加剂掺量增加0.1%~0.2%。运距每增加10~15km,增加用水量5~8kg或外加剂掺量增加0.1%~0.2%,也可采用二次添加外加剂或采取对骨料浇水降温的办法,减小坍落度损失。

  5结束语

  混凝土坍落度损失是现代商品混凝土所面临的一个非常重要而又实际的问题。影响混凝土坍落度损失的因素较多,合理选用水泥、骨料、外加剂和掺合料能有效控制坍落度的损失。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。应在实际工作中不断结合生产及材料的具体情况,总结经验并选择合适的解决措施。

  在控制混凝土坍落度损失时,还需注意两点:第一、必须结合具体情况,认真地分析引起混凝土坍落度损失的原因,采取相应的措施。第二、控制混凝土坍落度损失的许多措施可能会带来一些负面的影响,因此,必须把握好度,降低负面影响。

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