初齡期混凝土的泌水、沉降、塑性收縮與開裂

初齡期混凝土的泌水、沉降、塑性收縮與開裂1引言隨著混凝土工程在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中日益廣泛的應(yīng)用，尤其是在城市交通設(shè)施中的廣泛應(yīng)用，混凝土外觀品質(zhì)日益受到人們的關(guān)注，而與此同時，混凝土表面的花斑、氣孔、裂紋卻像令人討厭的蒼蠅一樣揮之不去，有時嚴(yán)重到業(yè)主不得不要求工程停工，甚至造成推倒重來的事故，延誤工期，損失慘重，使施工單位和混凝土公司的技術(shù)人員傷透了腦筋。其實(shí)，初齡期混凝土的泌水、沉降與收縮問題早已有之，但是如今產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因并不相同，因此要克服它就不能照搬以往的經(jīng)驗(yàn)，人們需要不斷更新觀念、更新知識，才能認(rèn)識和處理新問題，也就是說不能周而復(fù)始地重復(fù)，而需要螺旋形地上升、提高與升華。2泌水、塑性沉降與收縮現(xiàn)象混凝土拌合物澆筑后至初凝期間約幾個小時里，拌合物呈塑性和半流動態(tài)，各組分間由于密度不同，在重力作用下相對運(yùn)動，集料與水泥下沉、水上浮，出現(xiàn)三種現(xiàn)象：泌水、塑性沉降和塑性收縮。2.1泌水泌水易于發(fā)生在非干硬性拌合物中。這種拌合物在澆筑與搗實(shí)以后、凝結(jié)(不再發(fā)生沉降)之前，表面會出現(xiàn)一層水分或浮漿，可達(dá)混凝土澆筑高度的2%～3%或更大，這些水或向外蒸發(fā)，或因水泥繼續(xù)水化被吸回，伴隨發(fā)生混凝土體積減?。淮送?，部分上升的泌水積存在集料下方形成水囊。泌水對混凝土性能帶來兩方面影響：首先，頂部或靠近頂部的混凝土因含水多，形成疏松的水化物結(jié)構(gòu)，對表層的耐磨性等十分有害；形成水囊則會顯著削弱水泥漿與集料間的界面粘結(jié)作用，影響硬化混凝土的強(qiáng)度和耐久性(圖1(a))。2.2塑性沉降拌合物由于泌水產(chǎn)生整體沉降，澆筑深度大時靠近頂部的拌合物運(yùn)動距離更長；沉降受到鋼筋、預(yù)埋件等阻礙，則從表面向下直至其上方產(chǎn)生塑性沉降裂縫(圖1(b))。2.3塑性收縮在干燥環(huán)境中混凝土澆注后，向上運(yùn)動到達(dá)頂部的泌出水要逐漸蒸發(fā)。如果泌出水速度低于蒸發(fā)速度，表面混凝土將由于失水，由于干縮在塑性狀態(tài)下開裂。這是由于混凝土表面區(qū)域受約束產(chǎn)生拉應(yīng)變，而這時它的抗拉強(qiáng)度幾乎為0，所以形成塑性收縮裂縫，這種裂縫與塑性沉降裂縫明顯不同，與環(huán)境條件有密切關(guān)系：當(dāng)混凝土受環(huán)境溫度高、相對濕度小、風(fēng)大、太陽輻射強(qiáng)烈，以及以上幾種因素的組合作用，更容易出現(xiàn)開裂)。3初齡期混凝土發(fā)生上述現(xiàn)象的原因3.1早期的混凝土早期的混凝土中水泥粉磨細(xì)度較小，高活性礦物(硅酸三鈣)含量較少，水泥中常摻有礦渣等混合材(在混凝土里摻有的同樣材料被稱為礦物摻和料,或礦物外加劑)，而且當(dāng)時的水泥生產(chǎn)時，熟料是和礦渣等同時粉磨的，由于礦渣比較難于磨細(xì)，因此在這種水泥里礦渣常以比熟料粗得多的顆粒存在。早期的混凝土的另一特點(diǎn)是水灰比(在有摻和料的情況下是水膠比)較大，通常沒有摻外加劑，這樣的混凝土拌合物盡管工作度不大，例如坍落度在20～40mm，但從澆注到凝固之間的時間間隔比較長，尤其在冷天時更為突出。在此過程中發(fā)生上述泌水、沉降離析等現(xiàn)象的原因也就不難理解了。但是，當(dāng)時我國北方的混凝土還有另一個突出的問題，就是所用水泥的含堿量高(據(jù)了解，北方水泥廠生產(chǎn)的水泥含堿量全都在1%以上)。含堿量高增大混凝土的干縮，使混凝土易于開裂，并會由此引發(fā)一系列混凝土耐久性問題。然而，含堿量高的水泥水化硬化快，又會減小泌水、離析造成的負(fù)面影響。這體現(xiàn)了事物的多樣性和復(fù)雜性)))有弊必有利，反之亦然。3.2現(xiàn)今的混凝土現(xiàn)今的混凝土所用水泥與以往大相徑庭，水泥的粉磨細(xì)度明顯增大，高活性礦物含量增多，由于推廣散裝運(yùn)輸?shù)姆绞?，使水泥在儲運(yùn)過程中反復(fù)均化,改善了水泥的勻質(zhì)性，使用時無需拆袋也帶來方便,但是產(chǎn)生一個新問題，便是水泥的溫度高居不下，尤其是夏天，水泥進(jìn)入攪拌機(jī)的溫度有時高達(dá)90℃,這使得實(shí)際結(jié)構(gòu)里混凝土強(qiáng)度的發(fā)展速率，與實(shí)驗(yàn)室使用已經(jīng)涼下來的水泥做試驗(yàn)得出的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，不僅造成工程中大量材料的浪費(fèi)，還帶來結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象普遍，修補(bǔ)、加固則進(jìn)一步造成更大的浪費(fèi)?，F(xiàn)今的混凝土中普遍摻有減水劑等外加劑，以及粉煤灰、礦粉等摻和料，水灰比(水膠比)一般都比早期混凝土明顯降低；拌合物工作度，主要指泵送混凝土的坍落度大都在180mm以上。盡管工作度明顯增大，但是由于水泥和水灰比等發(fā)生變化，在很長一段時間里出現(xiàn)上述初齡期混凝土的泌水與沉降離析現(xiàn)象并不常見。但是，在堿-集料反應(yīng)可能會給混凝土的耐久性帶來嚴(yán)重后果的宣傳影響下，不少水泥廠生產(chǎn)的水泥含堿量大幅度降低了，在帶來減小干縮好處的同時，也遇到了新問題。如A?tcin所指出：從流變性的角度考慮，水泥存在一個最佳的可溶堿含量?，F(xiàn)今一些水泥中的可溶堿含量達(dá)不到該最佳值，原因是一些水泥公司為滿足某些機(jī)構(gòu)規(guī)定使用低堿水泥的要求(以避免可能發(fā)生的，或通常只是想象中的堿-集料反應(yīng))，銷售出去的水泥中可溶堿含量不必要地過分低。目前國內(nèi)最普遍使用的高效減水劑是萘系減水劑，而控制萘系減水劑-水泥相容性良好有幾個關(guān)鍵因素。2000年在法國召開的第六屆國際化學(xué)外加劑會議上，我國留學(xué)生姜施平博士等發(fā)表的文章指出：水泥的可溶堿含量(事實(shí)上，SO2-4就來自可溶堿)、細(xì)度、C3A含量和石膏類型，是控制摻萘系減水劑水泥漿和混凝土流變性能的關(guān)鍵參數(shù)。最佳可溶堿含量在0.4%～0.6%當(dāng)量Na2O。萘系減水劑在水泥顆粒上的吸附率和水泥水化速率受這些參數(shù)影響，它們控制混凝土流動度的損失速率。使用可溶堿含量低的水泥時，不僅當(dāng)減水劑劑量不足時坍落度損失會較快，且當(dāng)劑量稍高于飽和點(diǎn)時，又會出現(xiàn)嚴(yán)重的離析與泌水。由于工程使用低堿水泥，給選用減水劑造成困難的不乏實(shí)例，如江蘇的潤陽大橋工程在選用高效減水劑時就費(fèi)了很多周折，后來放棄了使用萘系高效減水劑，才滿足了工程施工的需要。除了萘系高效減水劑，以及性能與其接近的密胺類高效減水劑之外，國內(nèi)在20世紀(jì)90年代開發(fā)出來，現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的氨基磺酸鹽減水劑,特別是近年來開發(fā)的聚羧酸系減水劑，用于配制的拌合物工作度損失明顯減小，比較適于在工作度要求高，例如自密實(shí)混凝土、水下不分散混凝土的配制中應(yīng)用。但是從本質(zhì)上說來，高效減水劑之所以可以大幅度減小用水量，機(jī)理就在于可以有效地破壞水泥漿體的絮凝結(jié)構(gòu)，釋放出內(nèi)里的自由水，也就是削弱了水泥顆粒與水之間的作用，從這種角度來說,它加劇了泌水現(xiàn)象。聚羧酸系減水劑雖然依靠其他基團(tuán)，例如引氣基團(tuán)的作用，可以改善漿體的穩(wěn)定性，但是在表面密實(shí)性和外觀要求很高的工程中，還必須復(fù)合使用保水性良好的組分，例如羧甲基纖維素，羥乙基或羥丙基纖維素等。當(dāng)然由于單價較低，目前國內(nèi)工程主要還使用萘系高效減水劑，為了改善拌合物坍落度損失較大的不足，常復(fù)合緩凝劑使用。尤其羥基羧酸類緩凝劑延緩坍落度損失的效果十分顯著，早已在國內(nèi)外普遍使用。但是這類產(chǎn)品的劑量對其緩凝作用大小十分敏感，很難掌握適量，因此常會出現(xiàn)凝結(jié)過度延緩，并造成泌水、沉降嚴(yán)重的后果。反之，當(dāng)混凝土摻用膨脹劑時，由于它的水化要將大量自由水轉(zhuǎn)變成結(jié)合水，可顯著改善泌水、沉降問題，可是引起坍落度損失劇烈又成為令人難以解決的問題。以上事實(shí)說明：現(xiàn)今混凝土中普遍摻有外加劑，水泥-外加劑的相容性如何，對混凝土的許多性能起至關(guān)重要的影響，需要給予充分的重視。除此之外，還有許多因素影響初齡期混凝土的上述性能。集料級配對于拌合物的泌水、沉降離析起十分關(guān)鍵的作用。歐盟一些國家在預(yù)制混凝土業(yè)已獲得較廣泛應(yīng)用的自密實(shí)混凝土，其水泥等膠凝材料用量僅400～450kg/m3，其組分材料的重要特點(diǎn)，就是其砂率大(超過60%)且砂子的級配良好(各篩的篩余接近)。這種自密實(shí)混凝土的塑性粘度與普通混凝土接近，因此易于泵送、澆注速度快、不會形成冷縫。由于膠凝材料用量沒有多大差異，也就不會出現(xiàn)收縮變形增大造成的不利影響。與此相反，國內(nèi)集料的級配不良，會使配制工作度更小一些的拌合物也容易出現(xiàn)泌水和沉降離析。礦物摻和料的應(yīng)用中存在的誤區(qū)，也是加劇拌合物泌水、沉降離析的一個原因。事實(shí)上，需水量越小的摻和料，例如Ⅰ級粉煤灰、磨細(xì)礦渣等用于配制的拌合物，就越容易出現(xiàn)泌水、沉降離析。換句話說，需水量小的礦物摻和料只適用于配制低水膠比,即強(qiáng)度級別較高的混凝土，而現(xiàn)今在配制C30這類用量最大的普通級別的拌合物時，一些規(guī)范中限定采用Ⅰ級粉煤灰的做法，實(shí)際上是一種誤導(dǎo)，筆者前不久就聽北京一家混凝土公司抱怨上述規(guī)范條款給他們造成很大的困難。除了技術(shù)原因以外，近年國家出臺限制現(xiàn)場攪拌，推行預(yù)拌混凝土的政策，使得施工單位和預(yù)拌混凝土公司出于雙方各自的利益，不必要地過度增大拌合物的坍落度，也是加劇拌合物產(chǎn)生泌水、沉降離析的重要原因。為了使到達(dá)現(xiàn)場交付時的拌合物工作度滿足用戶的要求，混凝土公司即使在氣溫不高的季節(jié)也不得不摻用緩凝劑，以延緩拌合物的坍落度損失，而這樣一來，混凝土澆注后的泌水和離析就會明顯地加劇。4泌水、沉降可能產(chǎn)生的影響如上所述，初齡期混凝土拌合物產(chǎn)生的泌水、沉降離析，以及表面失水相關(guān)的塑性收縮現(xiàn)象，不僅會損傷硬化后表面的耐磨性能，還會使混凝土內(nèi)部的集料與漿體界面、鋼筋與混凝土界面形成薄弱的過渡區(qū)。實(shí)際上，過渡區(qū)就是混凝土體內(nèi)的原生裂縫,在隨后混凝土的溫度收縮、自生收縮以及干燥收縮受到約束作用時，產(chǎn)生的應(yīng)力不斷積累、疊加，當(dāng)混凝土的抗力(抗拉強(qiáng)度，或者更確切地說，是斷裂能)被應(yīng)力超過時，就出現(xiàn)可見的宏觀表面裂縫，或貫穿裂縫。圖2～4分別表示泌水、沉降對混凝土路面、樁和預(yù)應(yīng)力梁造成的影響。圖3所示的混凝土樁上半截由于嚴(yán)重的泌水、沉降，使鋼筋外側(cè)的混凝土已經(jīng)不復(fù)存在，只有鑿掉后重新澆注。圖4所示后張預(yù)應(yīng)力梁孔道灌漿由于泌水、沉降，泌出水聚集在波紋管上方，經(jīng)歷冬季水分結(jié)冰體積膨脹，引起沿波紋管方向出現(xiàn)裂縫，這種現(xiàn)象在國內(nèi)外許多后張預(yù)應(yīng)力橋梁上很常見。為此，有的國家(如英國)曾一度禁止使用后張法生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力橋梁。5混凝土出現(xiàn)泌水、沉降的防治根據(jù)上述對初齡期混凝土出現(xiàn)泌水、沉降，以及由此而產(chǎn)生的塑性收縮及開裂現(xiàn)象的分析，筆者提出以下防治措施供混凝土生產(chǎn)供應(yīng)和施工企業(yè)參考。1)當(dāng)水泥可溶堿含量偏低，與萘系減水劑相容性不好，因此出現(xiàn)泌水、沉降離析現(xiàn)象時，除上述改換減水劑品種外，還可以考慮少量摻用硫酸鹽(如芒硝等)，當(dāng)然在摻量需要較大時，須注意可能帶來其他不利后果。2)粗集料最大粒徑控制不嚴(yán)，有時甚至明顯超過鋼筋間距或箍筋與模板的距離；粗集料級配不良,中間斷檔，例如在常用的5～30mm或5～40mm石子中很少甚至根本沒有5～10mm顆粒(這種現(xiàn)象非常普遍，嚴(yán)重的時候甚至只有15或20mm以上的顆粒)；細(xì)集料)))砂子(通常更不注意，例如明顯缺少2.5～5mm顆粒)，這些都是引起初齡期混凝土產(chǎn)生泌水、沉降離析的重要原因。3)施工時控制拌合物的坍落度盡量小一些為好，尤其是摻有粉煤灰時，120mm左右的坍落度就可以很好地泵送。然而很多施工單位盲目地提出加大坍落度要求，有時還采取在現(xiàn)場加水隨意增大坍落度的錯誤做法。顯然坍落度越大，越容易泌水、沉降離析，也因此更容易出現(xiàn)堵泵現(xiàn)象，延誤施工。4)施工時的振搗操作不當(dāng)，對出現(xiàn)泌水、沉降離析現(xiàn)象也有重要影響。目前國內(nèi)振搗棒的頻率一般都超過12000次/分(稱高頻振搗棒)，且操作工普遍缺乏技術(shù)