初龄期混凝土的泌水、沉降、塑性收缩与开裂

初龄期混凝土的泌水、沉降、塑性收缩与开裂

[摘要] 初龄期混凝土犹如刚出生的婴儿一样,需要给予细心的呵护。然而,初龄期混凝土呈现明显的泌水、塑性沉降与收缩开裂现象,在近年国内混凝土工程施工中很常见,严重影响混凝土的匀质性,影响结构的使用性能和耐久性能,迫切需要给予充分地关注。本文着重讨论这些现象及其产生原因、造成的影响和防治措施等。

1 引言随着混凝土工程在基础设施建设中日益广泛的应用,尤其是在城市交通设施中的广泛应用,混凝土外观品质日益受到人们的关注,而与此同时,混凝土表面的花斑、气孔、裂纹却像令人讨厌的苍蝇一样挥之不去,有时严重到业主不得不要求工程停工,甚至造成推倒重来的事故,延误工期,损失惨重,使施工单位和混凝土公司的技术人员伤透了脑筋。其实,初龄期混凝土的泌水、沉降与收缩问题早已有之,但是如今产生这些现象的原因并不相同,因此要克服它就不能照搬以往的经验,人们需要不断更新观念、更新知识,才能认识和处理新问题,也就是说不能周而复始地重复,而需要螺旋形地上升、提高与升

华。

2 泌水、塑性沉降与收缩现象混凝土拌合物浇筑后至初凝期间约几个小时里,拌合物呈塑性和半流动态,各组分间由于密度不同,在重力作用下相对运动,集料与水泥下沉、水上浮,出现三种现象:泌水、塑性沉降和塑性收缩。

2.1 泌水泌水易于发生在非干硬性拌合物中。这种拌合物在浇筑与捣实以后、凝结(不再发生沉降) 之前,表面会出现一层水分或浮浆,可达混凝土浇筑高度的2～3 % 或更大,这些水或向外蒸发,或因水泥继续水化被吸回,伴随发生混凝土体积减小;此外,部分上升的泌水积存在集料下方形成水囊。泌水对混凝土性能带来两方面影响:首先,顶部或*近顶部的混凝土因含水多,形成疏松的水化物结构,对表层的耐磨性等十分有害;形成水囊则会显著削弱水泥浆与集料间的界面粘结作用,影响硬化混凝土的强度和耐久性(图1

(a) ) 。

2. 2 塑性沉降拌合物由于泌水产生整体沉降,浇筑深度大时*近顶部的拌合物运动距离更长;沉降受到钢筋、预埋件等阻碍,则从表面向下直至其上方产生塑性沉降

裂缝(图1 (b) ) 。

2.3 塑性收缩在干燥环境中混凝土浇注后,向上运动到达顶部的泌出水要逐渐蒸发。如果泌出水速度低于蒸发速度,表面混凝土将由于失水,由于干缩在塑性状态下开裂。这是由于混凝土表面区域受约束产生拉应变,而这时它的抗拉强度几乎为0 ,所以形成塑性收缩裂缝,这种裂缝与塑性沉降裂缝明显不同,与环境条件有密切关系:当混凝土

受环境温度高、相对湿度小、风大、太阳辐射强烈,以及以上几种因素的组合作用,更容易

出现开裂(图1 (c) ) 。图1

新浇注混凝土的行为(a) 泌水(b) 塑性沉降裂缝(c) 塑性收缩裂缝 3 初龄期混凝土发生上述现象的原因

3.1 早期的混凝土早期的混凝土中水泥粉磨细度较小,高活性矿物(硅酸三钙) 含量较少,水泥中常掺有矿渣等混合材(在混凝土里掺有的同样材料被称为矿物掺和料,或矿物外加剂) ,而且当时的水泥生产时,熟料是和矿渣等同时粉磨的,由于矿渣比较难于磨细,因此在这种水泥里矿渣常以比熟料粗得多的颗粒存在。早期的混凝土的另一特点是水灰比(在有掺和料的情况下是水胶比) 较大,通常没有掺外加剂,这样的混凝土拌合物尽

管工作度不大,例如坍落度在20～40mm ,但从浇注到凝固之间的时间间隔比较长,尤其在冷天时更为突出。在此过程中发生上述泌水、沉降离析等现象的原因也就不难理解了。但是,当时我国北方的混凝土还有另一个突出的问题,就是所用水泥的含碱量高(据了解,北方水

泥厂生产的水泥含碱量全都在1 %以上) 。含碱量高增大混凝土的干缩,使混凝土易于开裂,并会由此引发一系列混凝土耐久性问题。然而,含碱量高的水泥水化硬化快,又会减小泌水、离析造成的负面影响。这体现了事物的多样性和复杂性———有弊必有利,反之亦然。

图2 泌水、沉降工程实例之1 ———对混凝土路面的耐磨性能影响显著

图3 泌水、沉降工程实例之2 ———对混凝土桩施工质量影响显著

图4 泌水、沉降工程实例之3 ———对后张预应力梁孔道灌浆质量影响显著

3.2 现今的混凝土现今的混凝土所用水泥与以往大相径庭,水泥的粉磨

细度明显增大,高活性矿物含量增多,由于推广散装运输的方式,使水泥在储运过程中反复

均化,改善了水泥的匀质性,使用时无需拆袋也带来方便,但是产生一个新问题,便是水泥的温度高居不下,尤其是夏天,水泥进入搅拌机的温度有时高达90 ℃,这使得实际结构里混凝土强度的发展速率,与实验室使用已经凉下来的水泥做试验得出的结果相差甚远,不仅造成工程中大量材料的浪费,还带来结构开裂现象普遍,修补、加固则进一步造成更大的浪费。现今的混凝土中普遍掺有减水剂等外加剂,以及粉煤灰、矿粉等掺和料,水灰比(水胶比) 一般都比早期混凝土明显降低;拌合物工作度,主要指泵送混凝土的坍落度大都在180mm 以上。尽管工作度明显增大,由于水泥和水灰比等发生变化,在很长一段时间里出现上述初龄期混凝土的泌水与沉降离析现象并不常见。

但是,在碱2集料反应可能会给混凝土的耐久性带来严重后果的宣传影响下,不少水泥厂生

产的水泥含碱量大幅度降低了,在带来减小干缩好处的同时,也遇到了新问题。如

AÇtcin 所指出[1 ] :“从流变性的角度考虑,水泥存在一个最佳的可溶碱含量。现今一些水泥中的可溶碱含量达不到该最佳值,原一些水泥公司为满足某些机构规定使用低碱水泥的要求(以避免可能发生的,或通常只是想象中的碱2集料反应) ,销售出去的水泥中

可溶碱含量不必要地过分低。

目前国内最普遍使用的高效减水剂是萘系减水剂,而控制萘系减水剂- 水泥相容性良好有几个关键因素。2000 年在法国召开的第六届国际化学外加剂会议上,我国留学生姜施平博士等发表的文章指出[2 ] :水泥的可溶碱含量(事实上,SO2 -4 就来自可溶碱) 、细度、C3A 含量和石膏类型,是控制掺萘系减水剂水泥浆和混凝土流变性能的关键参数。最佳可溶碱含量在014 %～016 %当量Na2O。萘系减水剂在水泥颗粒上的吸附率和水泥水化速率受这些参数影响,它们控制混凝土流动度的损失速率。使用可溶碱含量低的水泥时,不仅当减水剂剂量不足时坍落度损失会较快,且当剂量稍高于饱和点时,又会出现严重的离析与泌

水。

由于工程使用低碱水泥,给选用减水剂造成困难的不乏实例,如江苏的润阳大桥工程在选用高效减水剂时就费了很多周折,后来放弃了使用萘系高效减水剂,才满足了工程施工的需要

[ 3 ] 。

除了萘系高效减水剂,以及性能与其接近的密胺类高效减水剂之外,国内在20 世纪90 年代开发出来,现在已经得到广泛应用的氨基磺酸盐减水剂,特别是近年来开发的聚羧酸系减水剂,用于配制的拌合物工作度损失明显减小,比较适于在工作度要求高,例如自密实混凝土、水下不分散混凝土的配制用。但是从本质上说来,高效减水剂之所以可以大幅度减小用水量,机理就在于可以有效地破坏水泥浆体的絮凝结构,释放出内里的自由水,也就是削弱了水泥颗粒与水之间的作用,从这种角度来说,它加剧了泌水现象。聚羧酸系减水剂虽然依*其他基团,例如引气基团的作用,可以改善浆体的稳定性,但是在表面密实性和外观要求很高的工程中,还必须复合使用保水性良好的组分,例如羧甲基纤维素,羟乙基或羟丙基纤维素等。当然由于单价较低,目前国内工程主要还使用萘系高效减水剂,为了改善拌合物坍落度损失较大的不足,常复合缓凝剂使用。尤其羟基羧酸类缓凝剂延缓坍落度损失的效果十分显著,早已在国内外普遍使用。但是这类产品的剂量对其缓凝作用大小十分敏感,很难掌握适量,因此常会出现凝结过度延缓,并造成泌水、沉降严重的后果。反之,当混凝土掺用膨胀剂时,由于它的水化要将大量自由水转变成结合水,可显著改善泌水、沉降问题,可是引起坍落度损失剧烈又成为令人难以解决的问题。以上事实说明:现今混凝土中普遍掺有外加剂,水泥- 外加剂的相容性如何,对混凝土的许多性能起至关重要的影响,需要给予充分的重视。除此之外,还有许多因素影响初龄期混凝土的上述性能。