商品混凝土坍落度經時損失控制方法

夏春，王玲芬，匡桂娟

（青島農業大學建筑工程學院，青島 266109）

1 引言

用普通方法施工的混凝土的坍落度，是根據搗實方式確定的。而泵送混凝土除了考慮搗實方式外，還要考慮可泵性（也就是要求泵送效率高，不堵塞，對混凝土泵機的磨損小）。

混凝土拌和物坍落度較小，泵送時混凝土缸吸入較困難，即活塞后退沒吸混凝土時，進入缸內的數量少，充盈系數小，影響泵送效率。這種混凝土拌和物進行泵送時阻力大，要求用較高的泵送壓力，這也就使得分配閥、輸送管、液壓系統等磨損加大，如處理不當還會產生阻塞，無法泵送。

如混凝土拌和物坍落度過大，混凝土在管道中滯留時間長，泌水較多，容易產生離析而形成阻塞。

不同泵送高度的泵送混凝土入泵時的坍落度，可按表1選用，混凝土經時損失可經試驗確定，泵送混凝土試配時要求的坍落度值應按下式計算：

式中Tt——試配時要求的坍落度值(mm)；

Tp——入泵時要求的坍落度值(mm)；

ΔT——試驗測得在預定時間內坍落度經時損失值(mm)。

表1 不同泵送高度入泵時混凝土坍落度選用值

2 泵送劑摻入方法與摻入量

泵送劑添加方法對混凝土拌合物的坍落度也有影響，外加劑添加方法有先摻法和后摻法兩種。先摻法是在混凝土拌合過程中加入外加劑，這也是目前普遍采用的一種常規方法；后摻法是先拌制好基體混凝土，經過15～90min靜止后，再加入外加劑。實踐證明，拌合同時加入外加劑，與延遲加入外加劑相比，坍落度增大以后者為佳。

夏季高溫施工時如果混凝土攪拌后停放時間較長，拌合物坍落度損失必然大。可以考慮采用后摻法施工，但此法在采用時有一定的難度，一般不采用[1]。

泵送劑添加量對泵送混凝土坍落度影響較大，例如，水泥用量300kg/m3，水灰比為0.60，坍落度為12cm的基體混凝土，當泵送劑添加量（折算成固體量）為水泥用量的0.3%～1.0%時，其拌合物坍落度的變化如圖1。

圖中可看出，當泵送劑添加量為0.5%時，混凝土拌合物坍落度為20cm；泵送劑添加量為0.7%時，坍落度為22cm；泵送劑添加量大于0.7%后，坍落度的增大基本趨于平衡。

試驗證明，泵送劑添加量過大，不僅混凝土的流動性效果不明顯，還會使混凝土拌和物產生離析現象，嚴重影響混凝土的和易性。

泵送劑添加量和坍落度之間的關系，還與基體混凝土拌和物的坍落度大小有關，當基體混凝土坍落度為10cm以上時，泵送劑添加量相同，則坍落度增大值也大致相同；當基體混凝土坍落度為6cm以下時，坍落度增大效果較差。因此，為獲得較好的混凝土流動性，基體混凝土坍落度宜控制在6～10cm。

3 坍落度損失機理

混凝土拌合物坍落度的損失，據認為是由于水泥粒子物理凝聚形成了三維網狀結構[2]，混凝土泵送劑吸附在水泥顆粒表面上或早期水化產物上，水泥粒子分散，釋放出游離水，因此，水泥凈漿稠度變稀。但隨著水泥水化的繼續進行，吸附在水泥顆粒或早期水化產物上的泵送劑，或被水化產物包圍，或是與水化產物反應，便不能發揮其分散能力，造成水泥顆粒凝聚，形成了三維網狀結構，使得水泥凈漿稠度變稠。

日本學者服部健一教授[3]對混凝土坍落度損失機理進行了深入地研究。他認為水泥顆粒的物理凝聚是造成混凝土坍落度損失的主要因素，并提出了反復摻外加劑控制坍落度損失的辦法。

很多學者[4]對水泥單礦物C3A、C4AF、C3S和C2S與泵送劑吸附的研究表明，對泵送劑的吸附活性鋁酸鹽大于硅酸鹽，其順序是C3A＞C4AF＞C3S＞C2S。當水和泵送劑一起加入時，與水泥產生了激烈的化學反應，最初C3A、C4AF的選擇吸附消耗了泵送劑，降低了分散作用。

摻加泵送劑可以提高混凝土的流動性、降低用水量，但是由于初始水灰比較低，同時水泥的分散度又比混凝土大得多，所以隨著水泥水化的進行，結合水增多，游離水減少，致使流動性很快降低。同時由于摻加泵送劑破壞了C3A與可溶性硫酸鹽之間的平衡，引起不同程度的加速凝結甚至假凝，從而使坍落度的損失增大。

C3A和石膏對水泥初期水化和結構形成的作用特別重要。它們生成的鈣礬石沉積在水泥顆粒表面，控制了水泥的水化過程。由于泵送劑的摻加能使可溶性SO3減少，導致鈣礬石生成不足，使水泥水化加快，引起坍落度損失加大。

在攪拌時引入一定量的空氣，或者泵送劑中含有一定的引氣組分，由于混凝土運輸或泵送過程中氣泡逸出，也使坍落度降低。

實際上泵送混凝土開始拌制到泵送，需要一段運輸和停放時間，故掌握泵送混凝土初始坍落度下降的變化與時間的關系，對泵送是十分重要的。對泵送混凝土而言，存在一個最佳的坍落度值。根據國內泵送混凝土施工經驗，入泵時混凝土坍落度值一般對普通骨料混凝土以80～180mm為宜，對輕骨料混凝土以180mm以上為宜[5]。

4 控制坍落度損失的方法分析

國內外研究控制坍落度方法很多[6]，但是較好的還是對現有的外加劑進行改進，現將幾種常用控制坍落度的方法分析如下：

4.1 水化控制法

該法是往混凝土中摻入一定的緩凝組分，因緩凝劑能有效抑制水泥水化，使新拌混凝土能在一定的時間內保持一定的塑性，延緩水化熱的產生，因此混凝土緩凝劑可以延長混凝土的凝結時間，減少坍落度的損失[7]。目前國內泵送混凝土所用大部分都是復合緩凝泵送減水劑。

常用有機類緩凝組分有：木質素磺酸鹽、糖類、羥基羧酸及其鹽類以及葡萄糖酸等。無機類有磷酸、硼酸鹽、鋅鹽、氟硅酸鹽等。這些緩凝組分由于化學成分不同、分子結構不同，用于混凝土中緩凝機理也有一定的區別。因此，每種緩凝組分用于不同的水泥緩凝效果也不一樣。

目前我國泵送混凝土外加劑幾乎都固定摻某種緩凝組分，雖然應用某種水泥確有明顯抑制坍落度損失的效果，但由于我國水泥品種復雜，很難適應多種水泥使用，只有根據不同的水泥對所用緩凝組分的品種、摻量做適當調整，才能取得較好的效果。

緩凝劑在混凝土攪拌開始3～4min時摻入，比將緩凝劑摻入拌和水中凝結時間要延長2～4h[8]，這對減少混凝土坍落度經時損失和提高緩凝劑的使用效果非常有利。

該方法主要問題是：混凝土緩凝有時可能會影響施工進度，而且不同的緩凝組分針對不同的水泥差異較大，某種緩凝組分對某些水泥可能效果較差，甚至不能使用。

4.2 對減水劑改性法

該方法主要用于改性減水劑，主要改性方法：物理改性和化學改性。在化學改性方面，作者進行了相關試驗研究，采用了三種水泥和三種外加劑，其中XC泵送劑為萘系泵送劑改性，STB1和ZW2均為萘系泵送劑，試驗配合比見表2，實測初始坍落度值、坍落度經時損失和抗壓強度結果見表3。從表2、表3可看出：

（1）混凝土坍落度增大值。三種泵送劑與三種水泥，在適宜的摻量下，每立方米混凝土可減少用水量20kg時，仍可較基準混凝土增大坍落度120～140mm，說明三種泵送劑對混凝土拌合物都具有良好的減水效果和增大流動性的效果。

（2）混凝土坍落度經時損失。試驗表明，XC泵送減水劑拌制的混凝土坍落度經時損失最小，STB1泵送減水劑和ZW-2泵送減水劑差不多。三種泵送劑拌制的混凝土初始坍落度都在20～22cm之間，但60min后XC泵送減水劑拌制的混凝土坍落度損失只有1cm，而STB1和ZW-2泵送減水劑拌制的混凝土坍落度損失4～7cm；120min后XC泵送減水劑拌制的混凝土坍落度損失2cm， STB1和ZW-2泵送減水劑拌制的混凝土坍落度損失6～11cm。

（3）摻加適宜摻量的泵送劑混凝土抗壓強度。摻泵送劑混凝土不僅坍落度增加12～14cm,由于泵送劑的減水作用使混凝土水灰比降低，混凝土強度均比基準混凝土提高25%～26.8%。

（4）緩凝情況。抗壓強度試件采用150mm×150mm×150mm的標準試模，同樣配比，用XC泵送減水劑配制的混凝土和基準混凝土成型后20h即可脫模，用STB1泵送減水劑配制的混凝土成型后脫模時間為23.5h，而 ZW-2泵送減水劑拌制的混凝土成型后24h才可以脫模。這說明XC泵送減水劑配制的混凝土和基準混凝土脫模時間相同。

表2 混凝土試驗配合比

表3 泵送劑混凝土坍落度、經時損失和抗壓強度結果

4.3 粒子隔離法

泵送減水劑用于混凝土中能迅速使水泥顆粒分散，達到增大混凝土流動性，減少拌合用水的目的。但隨著時間的延長，混凝土中的水泥顆粒又會重新聚合。摻入適量引氣劑可以有效地將水泥粒子隔離，防止水泥顆粒凝聚，同時微小氣泡還能起到潤滑作用，因此對減小混凝土坍落度損失是十分有效果的。

我國有不少泵送混凝土外加劑采用粒子隔離法，但也有不少產品摻入引氣劑后不但達不到減小坍落度損失的效果，而且還會加大坍落度損失。經試驗認為這與引氣劑品種和性能有關。

引氣劑是一種摻入混凝土中能有效引入大量均勻分布的穩定且封閉的微小氣泡的外加劑。這些微小、均勻分布的氣泡，在砂粒表面附著時，起到“滾珠”作用，使混凝土拌合物的流動性顯著增加，并改善混凝土拌合物的泌水性、水泥漿的離析現象，這對混凝土的泵送非常有利。引氣劑還可以提高混凝土的抗滲性、抗凍性，改善混凝土的和易性、可泵性等[9]。許多國家將引氣劑列為必不可少的混凝土組分，如日本將不摻引氣劑的混凝土稱為特殊混凝土。

4.4 其他方法

（1）采用后摻法，在混凝土出罐前加入外加劑。此法在采用時有一定的難度，一般不采用。

（2）采用減水劑造粒技術，此法為清華大學發明，但由于生產造粒技術難等不利因素，未能推廣應用。

（3）采用堿度低的水泥，坍落度損失相對較小，且不易發生異常凝結現象。

（4）適當增加外加劑的用量。

（5）減少混凝土失水和在低溫下拌和、運輸。

（6）采用新型合成外加劑，在合成過程中引入相應的官能團，使混凝土工作度經時變化在2～3h內波動較小，且和易性良好。

5 外加劑發展趨勢

當前國際上外加劑發展呈如下趨勢：化學外加劑的理論研究向縱深發展；外加劑新品種不斷涌現，性能不斷完善，用途不斷擴展；外加劑標準逐步向國際化邁進；具有生態功能的外加劑將飛躍發展；智能化外加劑將是本世紀外加劑研發熱點。可以預見，隨著材料科學技術的進步、應用領域的拓展、使用性能要求的不斷多樣化，更多的外加劑新品種將不斷涌現，尤其各種高性能、多功能、智能化外加劑的研發將成為重要的發展方向。

21世紀隨著材料科學、工程科學的發展及高新技術的涌現，將促進建筑外加劑性能和品質不斷改善，新品種、高效能外加劑將不斷增加，以有機材料為主的外加劑將異軍突起，具有特殊功能和智能外加劑將應運而生，勢必會實現建筑材料的結構-功能-智能一體化。

[1]謝開嫣，劉英利.商品混凝土及泵送劑技術探討[J].建筑技術開發,1998(4):13-15

[2]S.Yamaguchi,F.Tomosawa,M.kimoshia,44th Cement technology Collection of learned Paper(1990),pp274-279

[3]于冬勛，尤啟俊.預拌混凝土坍落度損失的研究[J].混凝土.2001,(1):57-59

[4]王義，劉軍華.泵送劑與水泥適應性的研究[J].遼寧建材.2000,(3):8-11

[5]李繼業編著.新型混凝土技術與施工工藝[M].中國建材工業出版社，2002.12

[6]宋波.聚羧酸鹽改性萘系高效減水劑的研究[J].混凝土.2003:(4)

[7]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].中國鐵道出版社1999. 9

[8]Ramachandra V S,Feldman R F,Beaudoin JJ.Concrete Science,Treatise on Current Research..Heycen Son Ltd,1981

[9]張雄主編.建筑功能外加劑[M].化學工業出版社.2004.1