[摘要]　初齡期混凝土猶如剛出生的嬰兒一樣,需要給予細(xì)心的呵護(hù)。然而,初齡期混凝土呈現(xiàn)明顯的泌水、塑性沉降與收縮開裂現(xiàn)象,在近年國內(nèi)混凝土工程施工中很常見,嚴(yán)重影響混凝土的勻質(zhì)性,影響結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性能,迫切需要給予充分地關(guān)注。本文著重討論這些現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因、造成的影響和防治措施等。
[關(guān)鍵詞]　泌水　沉降　塑性收縮與開裂　水泥與外加劑的相容性

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(shí),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(shí)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(shí),才能認(rèn)識(shí)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(gè)小時(shí)里,拌合物呈塑性和半流動(dòng)態(tài),各組分間由于密度不同,在重力作用下相對運(yùn)動(dòng),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(huì)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)生混凝土體積減小;此外,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(huì)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(shí)靠近頂部的拌合物運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(圖1(c))。

圖1　新澆注混凝土的行為
(a)泌水　(b)塑性沉降裂縫　(c)塑性收縮裂縫

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(shí)的水泥生產(chǎn)時(shí),熟料是和礦渣等同時(shí)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(shí)間間隔比較長,尤其在冷天時(shí)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(shí)我國北方的混凝土還有另一個(gè)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(huì)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(huì)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。

圖2　泌水、沉降工程實(shí)例之1
———對混凝土路面的耐磨性能影響顯著

圖3　泌水、沉降工程實(shí)例之2
———對混凝土樁施工質(zhì)量影響顯著

圖4　泌水、沉降工程實(shí)例之3
———對后張預(yù)應(yīng)力梁孔道灌漿質(zhì)量影響顯著

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(chǔ)運(yùn)過程中反復(fù)均化,改善了水泥的勻質(zhì)性,使用時(shí)無需拆袋也帶來方便,但是產(chǎn)生一個(gè)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(shí)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)。現(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,由于水泥和水灰比等發(fā)生變化,在很長一段時(shí)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2集料反應(yīng)可能會(huì)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(shí),也遇到了新問題。如AÇtcin所指出[1]:“從流變性的角度考慮,水泥存在一個(gè)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2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(gè)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(huì)議上,我國留學(xué)生姜施平博士等發(fā)表的文章指出[2]: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014%～016%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(dòng)度的損失速率。使用可溶堿含量低的水泥時(shí),不僅當(dāng)減水劑劑量不足時(shí)坍落度損失會(huì)較快,且當(dāng)劑量稍高于飽和點(diǎn)時(shí),又會(huì)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(shí)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[3]。

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(jià)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(huì)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(shí),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(jí)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400～450kgm3,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(jí)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(huì)形成冷縫。由于膠凝材料用量沒有多大差異,也就不會(huì)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(jí)配不良,會(huì)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(gè)原因。事實(shí)上,需水量越小的摻和料,例如Ⅰ級(jí)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(jí)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(jí)別的拌合物時(shí),一些規(guī)范中限定采用Ⅰ級(jí)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(tái)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(shí)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(huì)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(huì)損傷硬化后表面的耐磨性能,還會(huì)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(shí),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(shí),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(shí),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(shí),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(shí)甚至明顯超過鋼筋間距或箍筋與模板的距離;粗集料級(jí)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(shí)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215～5mm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(shí)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(shí),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(shí)還采取在現(xiàn)場加水隨意增大坍落度的錯(cuò)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(shí)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)培訓(xùn),使得振搗工序的質(zhì)量嚴(yán)重失控,如漏振(沒有振到)、過振(振搗時(shí)間過長)、拖振(在拌合物表面連續(xù)拖動(dòng)振搗棒)等現(xiàn)象十分常見,從這個(gè)角度看來,在質(zhì)量要求非常高的工程中,采用免振自密實(shí)混凝土十分必要。

5)改變混凝土配合比只和設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)相關(guān)的現(xiàn)狀,在環(huán)境(例如施工過程遇到小寒流降溫等),或施工條件(例如泵送高度)等發(fā)生變化時(shí),都需要及時(shí)調(diào)整配合比(例如高效減水劑、緩凝劑、引氣劑以及礦物摻和料的摻量等)。現(xiàn)今普遍實(shí)行一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)固定一個(gè)配合比,不加任何調(diào)整的做法是很不利于控制的。

參考文獻(xiàn)
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