基于溫度的預(yù)拌水泥混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失的試驗(yàn)研究

李 俊，孫 妮

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院;2.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院)

1 引 言

預(yù)拌水泥混凝土采用先進(jìn)的工藝技術(shù)，實(shí)行專業(yè)化生產(chǎn)管理，在保持良好的混凝土質(zhì)量的同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)混凝土商品化供給。憑借其質(zhì)量好、工效高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)拌混凝土是混凝土行業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于混凝土拌制、運(yùn)輸、施工之間存在的時(shí)間跨度，導(dǎo)致預(yù)拌混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失過(guò)大，無(wú)法保持其初始狀態(tài)良好的工作性，進(jìn)而影響了混凝土的施工質(zhì)量，這一問(wèn)題在摻加高效減水劑的新拌水泥混凝土中尤為突出。研究表明:水灰比、減水劑摻量、環(huán)境溫度等是影響混凝土坍落度損失的主要因素，因此從溫度著手，系統(tǒng)分析不同水灰比和減水劑摻量對(duì)混凝土坍落度損失的影響，為今后預(yù)拌水泥混凝土的生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的參考意義。

2 預(yù)拌水泥混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失機(jī)理

研究表明:混凝土拌合物坍落度的變化，本質(zhì)上是拌合物中水泥漿在水泥粒子的分散和凝聚作用下，其流動(dòng)性的變化。目前，國(guó)際上比較認(rèn)可的混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失機(jī)理是日本學(xué)者服部健一研究發(fā)現(xiàn)的水泥粒子“物理凝聚”論，即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。混凝土水泥顆粒的物理凝聚在混凝土水化過(guò)程中主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

(1)混凝土拌合物的水化反應(yīng)，以及蒸發(fā)和吸附于水化物表面等原因消耗了較多的拌合用水，造成水泥顆粒的物理凝聚。

(2)水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2、CSH 等水化產(chǎn)物，使新拌混凝土的粘度增大，造成水泥顆粒隨時(shí)間延長(zhǎng)而產(chǎn)生物理凝聚。

服部健一通過(guò)對(duì)水泥粒子作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，認(rèn)為水泥顆粒的物理凝聚本質(zhì)上是水泥粒子在布朗運(yùn)動(dòng)、重力等作用下，微粒之間的相互吸附、靠近，當(dāng)超越圖1(a)所示的勢(shì)壘Vmax，水泥粒子就產(chǎn)生凝聚，如圖1(b)所示。并且服部健一根據(jù)水泥粒子碰撞理論，給出了水泥粒子半衰期(即水泥粒子由于碰撞而減少一半的時(shí)間)的計(jì)算公式，如式(1)所示。

式中:K 為試驗(yàn)常數(shù);a 為水泥粒子半徑;W/C 為水灰比;ρa(bǔ)為水泥密度;T 為絕對(duì)溫度;Vmax為勢(shì)壘。

式(1)表征了混凝土拌合物坍落度經(jīng)時(shí)損失的一般規(guī)律，從本質(zhì)上分析了混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失的作用機(jī)理。由式(1)可以看出:水泥粒子半衰期是一個(gè)與水灰比正相關(guān)、與溫度負(fù)相關(guān)的指數(shù)函數(shù)。

3 混凝土坍落度損失試驗(yàn)分析

結(jié)合新拌混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)混凝土坍落度損失機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證和探討。

圖1 水泥粒子間相互作用位能曲線

3.1 原材料

(1)水泥:秦嶺P.O 42.5。

(2)細(xì)集料:潔凈河砂，細(xì)度模數(shù)2.4。

(3)粗集料:級(jí)配碎石，粒徑分別為4.75～9.5 mm、9.5～19 mm。

(4)水:普通自來(lái)水。

(5)外加劑:聚羧酸高效減水劑。

以上幾種原材料技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30－2003)要求。

3.2 試驗(yàn)方法

(1)水泥混凝土配合比。

根據(jù)是否摻加減水劑以達(dá)到控制坍落度的目的，設(shè)計(jì)兩種試驗(yàn)方案，每種方案根據(jù)水灰比或減水劑摻量的不同，設(shè)計(jì)3 組不同配合比的混凝土。混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果如表1。

(2)試驗(yàn)方法。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

(3)試驗(yàn)溫度。

選取3 組試驗(yàn)溫度:5 ℃、20 ℃、40 ℃，用以表征新拌混凝土在冬季低溫、標(biāo)準(zhǔn)溫度、夏季高溫下的施工條件。

(4)試驗(yàn)時(shí)間。

選取5 組試驗(yàn)時(shí)間:0 min、30 min、60 min、90 min、120 min，分別表征新拌混凝土從拌制到施工之間不同的時(shí)間間隔。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)不同水灰比新拌混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)。

不同水灰比新拌混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。繪制不同溫度下混凝土經(jīng)時(shí)坍落度損失率曲線，分別如圖2、圖3、圖4。

表2 不同水灰比新拌混凝土經(jīng)時(shí)坍落度 mm

由圖2、圖3、圖4 可以看出，不同水灰比混凝土的坍落度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)均出現(xiàn)不同程度的降低，時(shí)間越長(zhǎng)，坍落度損失率就越大，并且在相同時(shí)刻下，水灰比越小，混凝土坍落度損失率就越大。例如，從圖3 可以看出，環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，0.45 水灰比混凝土120 min 坍落度經(jīng)時(shí)損失率45.0%，大于水灰比為0.55時(shí)的41.8%和水灰比為0.65 時(shí)的32.5%。在相同水灰比條件下，溫度越高，混凝土在相同時(shí)刻時(shí)的坍落度損失率就越大，這一規(guī)律在其他水灰比條件下仍然成立。例如，從圖2、圖3、圖4可以看出，水灰比為0.45 時(shí)，5 ℃環(huán)境溫度下混凝土120 min 坍落度經(jīng)時(shí)損失率35.0%，小于20 ℃環(huán)境溫度下的55.0%和40 ℃環(huán)境溫度下的80.0%。

圖2 5 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失率

圖3 20 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失率

圖4 40 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失率

圖5 5 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失率

圖6 20 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失率

圖7 40 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失率

(2)不同減水劑摻量新拌水泥混凝土拌合物坍落度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)。

不同減水劑摻量新拌混凝土拌合物坍落度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 不同減水劑摻量新拌混凝土經(jīng)時(shí)坍落度mm

繪制不同溫度下混凝土經(jīng)時(shí)坍落度損失率曲線，分別如圖5、圖6、圖7。

由圖5、圖6、圖7 可以看出，不同減水劑摻量混凝土的坍落度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)均出現(xiàn)不同程度的降低，時(shí)間越長(zhǎng)，坍落度損失率就越大，并且在相同時(shí)刻下，減水劑摻量越大，混凝土坍落度損失率就越大。例如，從圖6 可以看出，環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，不摻加減水劑混凝土60 min 坍落度經(jīng)時(shí)損失率25.0%，小于減水劑摻量為0.5%時(shí)的46.7%和減水劑摻量為1.0%時(shí)的54.3%。通過(guò)對(duì)比不摻加減水劑與摻加減水劑坍落度經(jīng)時(shí)損失率可以發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)摻加減水劑混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于為摻加減水劑時(shí)混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失。例如，40 ℃環(huán)境溫度下，不摻加減水劑時(shí)30 min、60 min 坍落度損失率13.3%、33.3%，遠(yuǎn)小于減水劑摻量為0.5% 時(shí)的52.7%、69.1% 和減水劑摻量為1.0%時(shí)的57.6%、83.2;并 且 減 水 劑 摻 量 為0.5% 時(shí)，120 min 時(shí)坍落度損失率已經(jīng)達(dá)到100.0%，減水劑摻量為1.0%時(shí)，90 min 時(shí)就已經(jīng)達(dá)到100.0%。這是因?yàn)椋瑩饺霚p水劑，特別是高效減水劑可以顯著地降低混凝土中水泥漿體的屈服應(yīng)力和粘度，進(jìn)而增大新拌混凝土的流動(dòng)性。但是，減水劑對(duì)水泥漿體屈服應(yīng)力和粘度降低的作用隨時(shí)間變化呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)。并且隨著時(shí)間不斷的延長(zhǎng)，這種趨勢(shì)明顯增強(qiáng)，造成新拌混凝土流動(dòng)性迅速減小的后果。

此外，在相同減水劑摻量條件下，溫度越高，混凝土在相同時(shí)刻時(shí)的坍落度損失率就越大，這一規(guī)律在其他減水劑摻量條件下仍然成立。例如，從圖5、圖6、圖7 可以看出，減水劑摻量為1.0%時(shí)，5 ℃環(huán)境溫度下混凝土120 min 坍落度經(jīng)時(shí)損失率60.0%，小于20 ℃環(huán)境溫度下97.1%和40 ℃環(huán)境溫度下100.0%。

通過(guò)分析不同水灰比和不同減水劑摻量混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，混凝土坍落度損失與環(huán)境溫度呈正相關(guān)的關(guān)系，即環(huán)境溫度越高，混凝土坍落度損失就越大。這是由于，溫度越高，水泥粒子之間相互吸附、靠近的作用就越明顯，這樣就提升了水泥粒子的水化進(jìn)度，加快了水泥粒子之間的物理凝聚，從而使得混凝土坍落度損失就越大;此外，環(huán)境溫度越高，水泥混凝土拌合物中水分蒸發(fā)就越快，同樣造成混凝土坍落度損失的后果。這一結(jié)論，與服部健一的研究成果完全吻合。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)水灰比越小，在相同的環(huán)境條件下，新拌混凝土坍落度損失就越大，因此在滿足工作性和耐久性的前提下，應(yīng)盡量選擇較大的水灰比，這樣可以有效地控制混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失。

(2)摻加減水劑可以有效地提高新拌混凝土初始坍落度，但是減水劑對(duì)混凝土工作性的改善隨著時(shí)間的延長(zhǎng)顯著減少，并且減水劑摻量越大，這種特點(diǎn)就越明顯，因此，可以通過(guò)采用緩凝劑等其他外加劑以控制摻加減水劑的混凝土的坍落度損失。

(3)溫度與新拌混凝土坍落度損失呈正相關(guān)的關(guān)系，并且高溫時(shí)的坍落度損失要遠(yuǎn)大于低溫時(shí)的坍落度損失。因此為了保證混凝土的質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制混凝土施工溫度。

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