混凝土离析与泌水

摘要：针对水泥浆体的稳定性与混凝土离析泌水问题进行分析，重点讨论了混凝土泌水的概念模型，分析了应用外加剂技术解决混凝土泌水问题的主要方法，提出采用混凝土功能型外加剂是解决混凝土泌水问题的主要途径，针对目前混凝土高粘土含量问题，也提出研究专用功能型外加剂的必要性。

关键词：混凝土泌水；泌水模型；外加剂技术；稳定剂；引言混凝土是世界范围内使用最为广泛的建筑材料之一，由于高性能减水剂的出现和广泛应用，现代混凝土材料发生了革命性的变化，原材料由传统的四组分变成了六组分，高性能减水剂和矿物掺合料已经成为现代高性能混凝土的必需组分[1]。

现代施工建造技术以及工程实际的要求，促使混凝土由原来的干硬性、塑性混凝土发展成为现在的大流态混凝土。

混凝土离析泌水问题严重制约了混凝土产业的健康发展，因此，对混凝土泌水问题的研究也受到世界各国混凝土学者和从业人员高度关注。

导致混凝土泌水的因素非常复杂，与混凝土生产的每一个环节都有很大关系，包括原材料质量、配合比设计、搅拌工艺、施工技术、外加剂种类和掺入量等[2]。

混凝土体系中水泥浆体属于不稳定体系，对其稳定性进行研究是了解混凝土泌水机理最有效的途径之一。

在资源比较匮乏的情况下，应用水泥混凝土的外加剂技术来解决混凝土泌水问题比较可行，也是混凝土产业由劳动密集型向技术型产业不断转化的需要[3]。

混凝土泌水已经成为混凝土材料科学中的一个必须面对的实际问题，目前研究包括混凝土泌水的机理、模型、评价以及措施等还不够深入，因此，从混凝土的原材料、配比设计、施工等环节对混凝土泌水采取针对性的解决措施，有机结合外加剂技术原理，才能研制具有抑制混凝土泌水、与高效减水剂配伍良好的新型功能型外加剂，本文比较深入系统地探讨国内外对混凝土泌水问题的研究情况，提出一些解决方法。

1.水泥浆体的泌水模型新拌混凝土的稳定性包括粗骨料在浆体中的沉降及水泥浆体泌水两个方面，在水胶比较大情况下，水泥颗粒之间移动或流动性的不同可能导致水泥浆自身的沉降泌水不一致。

针对水泥浆体自身沉降泌水过程，需要一种抑制粉体颗粒沉降的悬浮控制剂。

1.1 水泥浆体的不稳定性1.1.1水泥浆与悬浮液水泥浆体的稳定性可以描述为它随时间保持均匀的能力，沉淀泌水等不稳定现象可以根据材料组成不同有多种情况[4] 。

首先，水泥浆体是一种多相材料，包含了一个很大粒径范围的活性水泥颗粒，又有很高的固含量。

其次，由于新拌浆体中水泥材料的水化，浆体的粘度和屈服应力必然随着时间而变化的。

通常混凝土外加剂的复配忽略了混凝土的粘聚性及稳定性问题，或者说外加剂复配一般只用减水剂组分加各种功能型组分，对混凝土的稳定性缺乏关注。

混凝土功能型外加剂的复配则以混凝土浆体稳定剂组分加其他功能型组分，混凝土功能型外加剂是目前混凝土外加剂的补充，最大作用是灵活解决目前混凝土外加剂应用普遍存在的性能不足问题，提高混凝土强度、抗坍损能力、粘聚性和降低硬化混凝土裂缝问题。

有人用粘度调节剂，证明可以用来改善浆体性能，对颗粒的沉降以及泌水率有很一定影响，但其功能远远不能达到悬浮稳定剂的效果。

针对水泥浆离析泌水的问题，很多学者也利用一些经典的理论模型来解释，包括Stokes理论、Richardson–Zaki公式以及the Kynch理论[5-7] ，但用这些模型理论解释混凝土中水泥浆体的沉淀泌水过程比较勉强。

1.1.2水泥浆与混凝土关于水泥浆和混凝土之间的相关性研究不少，大量的实验数据证明，混凝土的流变性与水泥浆流变性有关。

Park 等[8]通过假设水泥净浆、水泥砂浆和混凝土为相同的水灰组分，对新拌水泥净浆、水泥砂浆和混凝土的相关性能进行了研究，发现其性能存在相关性。

Ferraris等[9]通过实验得出新拌水泥浆的性能可以用来预测相同混凝土的流变性能。

Peng,Y等[10]的研究结果也表明沉淀过程主要的影响因素包括流体的粘度和屈服应力，颗粒大小、颗粒和流体之间的密度差异、固体体积分数以及颗粒之间的距离。

Saaket等[11]说明了骨料的沉降离析是受到水泥浆体的屈服应力、粘度和密度控制的。

1.2 水泥浆泌水模型Kynch提出[12]了一种基于颗粒在沉降过程中固结的颗粒沉降理论，该理论假定一个圆柱体悬浮液的任何地方的沉降速率是该点浓度的唯一函数，分散液没有固结或者凝絮。

Tiller[13]在Kynch的基础上进行了修改，将其扩大到可以适用于描述底部压缩层的形成过程。

后来Fitch [14]通过对比与Kynch理论思路的相关性简化了Tiller的步骤，很好的解释了悬浮和沉淀的界面是如何随着时间不断上升，Fitch的共生次序图如图1 所示[15]。

从图中可以看出，在整个沉降过程当中，水泥浆沉淀的类型是随着时间和位置的不同而变化的，决定其沉淀类型的主要是对应的时间和位置的固体浓度和颗粒凝絮情况。

通过观察和分析了泌水下的扩散边界的泌水情况和在原位体积分数测定中新制水泥浆中滤饼的形成结果，提出了沉降泌水的模型，如图2所示。

假定圆柱体中混合的水泥浆体样品在T0阶段是完全均匀分散的悬浮液。

当阻尼沉降开始之后，水泥颗粒开始下沉，水开始向上流动。

在凝固之前，水泥浆的沉淀过程可以分成四个不同的阶段。

在第一阶段，在悬浮液当中有四个不同的区域：泌水区上清液、均匀区、浓度可变区和沉淀区。

在泌水区假设固体体积分数为零，虽然上清液看起来很浑浊可能在液体中存在少量微笑颗粒。

在第二阶段，由于不同颗粒的沉降速率不一样，均匀区消失，只有泌水区上清液、浓度可变区和沉淀区留下来，在原始和浓度可变区的界面处，根据Kynch沉降理论，不是持续的浓度变化就是体积分数的阶跃变化。

但是Kynch理论更加适用于非胶状悬浮液，对于掺有外加剂的胶状水泥浆，准确定义不同区域之间的界面很困难。

Fitch称其为“模糊界面”。

根据对泌水的研究结果，在上清液和均匀区之间确实存在一个模糊区域，如图中T2的概念模型所示。

在第三阶段，所有颗粒都已经沉淀，悬浮液由两个部分组成，分别是上清液和沉淀区。

当沉淀达到平衡之后，沉淀区域可能会继续压缩，上清液会不断增加，直到沉淀物的堆积和压缩达到最大值位置，如图阶段T4所示，假设没有泌出的水被重新吸收。

2.混凝土泌水特征2.1 泌水的形成过程在混凝土拌合物搅拌、浇筑以及振捣过程中，在凝结硬化之前，因为固体颗粒材料的下沉导致的混凝土分层以及水上浮到表面，这种现象就叫做混凝土泌水[16]。

混凝土泌水主要发生在混凝土初凝之前，混凝土拌制完成之后需要经过运输、浇筑和振捣，由于重力的作用，骨料会向下沉降，由于骨料下沉导致相互之间的距离和空隙变小，水泥浆和水就会被挤压到混凝土表面，从而产生泌水。

在水分上浮的过程中留下的泌水通道对混凝土强度以及耐久性产生影响，在粗骨料侧面以及下方会产生水囊，如图3所示[17]。

2.2 泌水形成原因及影响因素2.2.1 泌水形成原因根据体系平衡理论的内容，混凝土产生泌水的根本原因是新拌混凝土体系是一个不稳定的体系，而泌水的产生就是体系在从不稳定体系向稳定体系，不平衡体系向平衡体系转变的过程[18]。

同时根据水化产物填充理论，现代混凝土的单方用水量上升，混凝土当中充水空间也变大，骨料在自重的作用下，充水空间当中水分被压力排挤出来，同时混凝土体系当中的颗粒之间距离变小，从而产生泌水现象。

混凝土泌水在其内部会产生泌水通道，表面则会产生泌水微孔，影响混凝土强度和耐久性[19]。

2.2.2影响泌水的因素影响混凝土泌水的因素非常复杂，可以分为原材料因素、配合比设计以及施工工艺三个主要方面，混凝土产生泌水一般都不是单一因素作用的结果，而是多个不同的因素共同作用的结果。

（1）原材料混凝土当中的各种颗粒对混凝土离析泌水都有影响，颗粒越是光滑、均称，就越不容易发生泌水；颗粒最大粒径不能太大，不然容易产生泌水；颗粒的级配良好可以有效防止泌水现象的发生[20]。

使用的水泥细度越小，泌水量和泌水速度都会下降，含有较多C3A的水泥可以防止泌水现象的发生[21]。

骨料的级配以及类型也会对泌水有影响。

含有大量规则粒径颗粒的混凝土稳定性会增加，但是为了提高混凝土的工作性所增加的用水量会增加混凝土的泌水。

火山灰质矿物掺合料可以降低混凝土泌水，常见的有煤矸石、沸石粉、粉煤灰等[22]。

高性能减水剂对混凝土泌水有较大影响，特别是比较敏感的聚羧酸系减水剂，掺量过多或者是其本身与水泥的适应性不好就很容易产生严重的离析泌水[23]。

（2）配合比设计引气剂的加入对混凝土泌水具有抑制作用，随着混凝土含气量的提高，有利于减少混凝土的泌水，但含气量的增加，会使混凝土的强度下降[24]。

在进行混凝土配合比设计时还可以加入煤矸石，铁尾矿粉，粉煤灰等火山灰质的矿物掺合料，可以有效的减少混凝土泌水[25]。

配合比设计时砂率的选择不能太小，不然容易产生泌水。

通过研究发现，低强度的混凝土水胶比较低，与高强度的混凝土相比更容易发生离析泌水现象[26]。

混凝土的单方用水量对混凝土泌水具有较大影响，单方用水量越大，混凝土充水空间当中就会有更多的水分，其稳定性就越差，产生泌水的可能性也越大[27]。

（3）施工工艺混凝土从拌制到施工要经历运输、泵送、振捣等三个过程。

在运输当中混凝土的运输距离越长就越容易产生泌水。

泵送时在泵压的作用下，混凝土当中的骨料吸收混凝土中水分，出泵时压力消失，骨料失水变多产生泌水[28]。

水泥浆体在压力作用下充水空间当中的水分更容易被挤压出来，从而产生泌水。

在浇筑和振捣时，混凝土浇筑的垂直下落距离越大，越容易产生泌水。

振捣时过分振捣将会使得混凝土当中的骨料和浆体分离，产生离析泌水现象[29]。

振捣时可以在混凝土终凝之前进行二次振捣，使得混凝土当中因为泌水留下的泌水通道以及水囊空腔可以很好的被填充，提高混凝土粘结力，减少内部的孔隙和裂缝。

3.控制混凝土泌水的悬浮外加剂3.1 聚羧酸系减水保坍剂根据减水剂的作用机理，吸附在水泥颗粒周围的极性分子，使得颗粒之间相互排斥，减少絮凝作用，水泥颗粒包裹的水分被释放，同时使水泥颗粒表面的吸附水层变薄，大大减少所需的润湿水量。

以此机理，新拌混凝土中使用保坍剂会使可泌自由水量增加，混凝土的初始泌水减小。

由于减水剂的减水作用，另外水泥水化作用以及各种混凝土材料的吸水作用，使混凝土很快变稠，同样坍落度的混凝土所需的拌和水量和减水剂大大减水，使混凝土中的可泌自由水量减少，最终的泌水取决于保坍剂用量[30]。

聚羧酸系减水保坍剂属于有机高分子，其分子量、或者分子链长度直接影响其性能。

如果减水剂的分子量较大、分子链较长，可能会使混凝土的泌水减少，但是同时减水剂的减水率较低；如果分子量较小、分子链较短，则使减水率增加，同时使混凝土的泌水率增大，坍落度损失加快。

减水剂侧链官能团类型和数量都对减水剂分散稳定性有很大影响。