預拌混凝土坍落度損失的機理分析及解決措施
[摘要]文章從水泥成分、環(huán)境條件、混凝土外加劑等多方面分析混凝土坍落度損失的機理，并提出相應的解決措施。
[關鍵詞]混凝土；坍落度損失；水泥；外加劑
水泥混凝土材料是當今世界上使用量最大、使用范圍最廣的建筑材料之一，已普遍應用于各類土木建筑工程及水利建設中。隨著建設工程技術的不斷提高，現代混凝土工藝要求流態(tài)混凝土(FLC)和高性能混凝土(HPC)具有良好的性能，以滿足集中攪拌、遠距離運輸、泵送、不振搗、自流平、自密實等過程的要求。目前商品混凝土的使用越來越多，坍落度損失過大的問題嚴重影響施工進度及工程質量。特別是泵送預拌混凝土，在高溫炎熱天氣條件下，此問題更加突出。因此，有必要對泵送預拌混凝土坍落度損失的機理作深入分析并提出可行的解決措施。
一、混凝土坍落度損失的原因分析
影響混凝土坍落度損失的原因是多方面的，且這些因素相互關聯。主要包括四個方面：一是水泥方面，如水泥中的礦物成分種類、SO3含量與C3A和堿含量的匹配、細度等；二是高效減水劑的化學成分、分子量、交聯度、磺化程度、平衡離子濃度以及緩凝劑的種類、用量等；三是環(huán)境條件，如溫度、濕度、運輸時間等；四是混凝土的水灰比大小、減水劑摻入時間次序、摻和料的品種及摻加比例。
(一)水泥中礦物成分的種類及其含量的影響
水泥中的主要礦物成分是C3A，C4AF，C3S，C2S。不同礦物成分對減水劑的吸附作用大小不同。減水劑的主要作用是吸附在水泥礦物的表面，降低分散體系中兩相問的界面自由能，提高分散體系的穩(wěn)定性。在相同條件下，水泥成分中對減水劑的吸附性大小依次為C3A＞C4AF＞C3S＞C2S。若水泥中C3A，C4AF含量較大，則大量減水劑被其吸附，占水泥成分較多的C3S和C2s就顯得吸附量不足，動電電位顯下降，導致混凝土坍落度損失。這是造成摻減水劑的混凝土坍損的根本原因。所以水泥中C3A，C4AF含量較高的混凝土坍落度損失較大，反之較小。
(二)水泥中調凝劑的形態(tài)及摻加量的影響
水泥生產中，石膏的摻量與C3A含量比和表面積有關，為了使石膏與C3A反應生成足夠的鈣礬石，沉淀在C3A土延緩C3A的水化。石膏加入硅酸鹽水泥，不僅是為了調凝，更重要的還是加速阿里特的水化。其加量影響強度發(fā)展的速率和體積穩(wěn)定性，因此許多國家的水泥標準中介紹了“最佳石膏量”，并且用三氧化硫(SO3)含量表示。水泥中最佳石膏量是在水灰比0.50時通過膠砂強度試驗確定的。正常的凝結是由于C3S的水化形成C-S-H的結果。這時液相中鋁酸鹽、硫酸鹽、Ca2+離子比例適宜，可能形成細粒的鈣礬石而且它能使系統在整個誘導期保持流動性，隨著C3S的水化和C-S-H的形成，系統將逐漸失去流動性。當C3O不足時，C3A水化較快，會產生異常凝結，因此流動度損失很快，直接表現為坍落度損失過快，所以應尋求最佳的石膏摻量。水泥中C3A含量越大堿含量越大，水泥顆粒越細石膏的最佳摻量越大。石膏的最佳摻量還和水泥的早期水化溫度有關。摻入不同形態(tài)的石膏對水泥水化過程的影響也是不同的。選擇最佳的石膏摻量，且摻入的石膏形態(tài)搭配合理，可有效地避免坍損，從而配制出流動性好、坍落度損失小的混凝土。
(三)水泥的細度大小，顆粒級配的影響
在水泥水化過程中，3～30mm的熟料顆粒主要起強度增長作用，而大于60um的顆粒則對強度不起作用，小于10um的顆粒主要起早強作用，3um以下的顆粒只起早強作用。小于10um的顆粒需水量大。流變性好的水泥10um以下顆粒應少于10％。顆粒越細，細顆粒越多，增大早期水化放熱，這必將加劇坍損。
(四)環(huán)境條件及化學外加劑和摻和料的影響
一般來講，環(huán)境溫度越高，水泥水化速度越快，導致混凝土的坍落度損失越大。濕度越大，混凝土對外失水相對較少，有利于抑制坍落度損失。相同條件下，強度越高、水灰比越小的混凝土坍落度損失越大。同時，摻加適量需水量小的優(yōu)質粉煤灰或微細礦粉對于提高混凝土的和易性及抑制坍落度損失有利。不同種類的化學外加劑對混凝土的坍損有著不同的影響。在拌制混凝土時，加入外加劑的時間選擇也影響混凝土坍落度損失的大小。
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二、抑制混凝土坍落度損失的措施
通過以土分析，混凝土坍落度損失過大是由多種因素造成的，因此需要根據不同的情況提出不同的解決方法。目前主要有以下方法。
(一)減水劑后摻法
即在砂、石、水泥、水拌合之后再摻減水劑。這種方法對抑制坍落度損失有明顯效果。主要是因為水泥遇水后，在有石膏的環(huán)境中水泥中的C3A，C4AF能迅速生成鈣礬石，C3A、C4AF在體系中明顯減少，這時再加入減水劑，被C3A、C4AF吸附消耗的減水劑量顯著減少，大量的減水劑能比較充分地被C3s、C3S吸附，水泥顆粒的動電電位明顯提高，并在一定時間內保持相對穩(wěn)定，直接表現為混凝土的和易性好，坍落度損失較小，這種方法簡單便于應用。但此方法作用有一定限度，使用土有一定局限性。
(二)摻緩凝劑法
緩凝劑對水泥緩凝的作用理論有吸附理論、生成絡鹽理論、沉淀理論和控制氫氧化物結晶生長理論。多數有機緩凝劑有表面活性，它們在固—液界面產生吸附，改變固體粒子表面性質，即親水性。由于吸附作用，它們的分子中羥基在水泥粒子表面阻礙水泥水化過程，使晶體相互接觸受到屏蔽，改變了結構形成過程。緩凝作用機理的另一種觀點認為，緩凝劑吸附在Ca(OH)2：土，抑制了其繼續(xù)生長，在達到一定過飽和度之前，ca(OH)2：的生長將停止。這個理論重點放在緩凝劑在ca(OH)2土的吸附，而不是在水化產物土吸附。但是研究表明僅僅抑制或改變ca(OH)2的生長和狀態(tài)不足以引起緩凝，而更重要的是緩凝劑在水化的C3S土的吸附。有機緩凝劑使水泥中的C3A水化減慢，選擇性地與Al2O3表面吸附的減水劑進行交換，被交換下來的減水劑顯著提高了溶液中減水劑的濃度，為C3A，C2s吸附提供了充足的減水劑，有效地抑制了坍落度損失。
(三)調整混凝土外加劑
使用高分子量的減水劑，并與適量的保水組分配合使用，在不增加用水量的同時增加了混凝土中的游離水的含量，可緩解坍落度損失。但此方法易造成混凝土成本增加。通過物理方法把減水劑制造成不同粒徑、不同溶解速率的顆粒狀物，摻到新拌混凝土中，使其在水泥水化體系中形成不同的水化梯度，隨時補充由于C3A，C4AF消耗的減水劑，使體系中的減水劑始終維持在臨界膠束狀態(tài)，使坍落度不損失或損失很小。也可在減水劑外表做一層能在堿性溶液中緩慢溶解、溶解速率不同的外殼，從而控制減水劑在水泥漿體中的濃度，達到抑制坍損的目的。也可選擇適當的含有極性基團的活性成分，與減水劑發(fā)生化學反應，不斷地向水一水泥體系中緩慢釋放分散劑，控制減水劑的溶解速度并保持一定濃度，使水泥顆粒始終維持一定的動電電位，從而達到抑制坍損的目的。
(四)降低出機混凝土溫度
混凝土的溫度越高，水泥水化速度越快，水泥顆粒維持一定的動電電位時間越短，混凝土中游離水變?yōu)榻Y合水的比例就越大。所以，新拌混凝土的溫度越高，坍損越快；溫度越低，坍損越慢。一般來講，溫度每上升10℃，坍落度損失增大10％～40％。因此應采取降低各種原材料的溫度達到抑制坍損的目的。
三、結語
影響混凝土坍落度損失的因素較多，根本原因是水泥中的不同礦物成分對減水劑吸附性大小不同。C3A，C4AF含量高的水泥易出現坍損大的問題。后摻法、摻緩凝劑法、降低新拌混凝土溫度等方法對控制混凝土坍損效果明顯?；炷撂涠葥p失是現代商品混凝土所面臨的一個非常重要而又實際的問題，應在實際工作中不斷結合生產及材料的具體情況，總結經驗并選擇合適的解決措施。
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[關鍵詞]混凝土；坍落度損失；水泥；外加劑
水泥混凝土材料是當今世界上使用量最大、使用范圍最廣的建筑材料之一，已普遍應用于各類土木建筑工程及水利建設中。隨著建設工程技術的不斷提高，現代混凝土工藝要求流態(tài)混凝土(FLC)和高性能混凝土(HPC)具有良好的性能，以滿足集中攪拌、遠距離運輸、泵送、不振搗、自流平、自密實等過程的要求。目前商品混凝土的使用越來越多，坍落度損失過大的問題嚴重影響施工進度及工程質量。特別是泵送預拌混凝土，在高溫炎熱天氣條件下，此問題更加突出。因此，有必要對泵送預拌混凝土坍落度損失的機理作深入分析并提出可行的解決措施。
一、混凝土坍落度損失的原因分析
影響混凝土坍落度損失的原因是多方面的，且這些因素相互關聯。主要包括四個方面：一是水泥方面，如水泥中的礦物成分種類、SO3含量與C3A和堿含量的匹配、細度等；二是高效減水劑的化學成分、分子量、交聯度、磺化程度、平衡離子濃度以及緩凝劑的種類、用量等；三是環(huán)境條件，如溫度、濕度、運輸時間等；四是混凝土的水灰比大小、減水劑摻入時間次序、摻和料的品種及摻加比例。
(一)水泥中礦物成分的種類及其含量的影響
水泥中的主要礦物成分是C3A，C4AF，C3S，C2S。不同礦物成分對減水劑的吸附作用大小不同。減水劑的主要作用是吸附在水泥礦物的表面，降低分散體系中兩相問的界面自由能，提高分散體系的穩(wěn)定性。在相同條件下，水泥成分中對減水劑的吸附性大小依次為C3A＞C4AF＞C3S＞C2S。若水泥中C3A，C4AF含量較大，則大量減水劑被其吸附，占水泥成分較多的C3S和C2s就顯得吸附量不足，動電電位顯下降，導致混凝土坍落度損失。這是造成摻減水劑的混凝土坍損的根本原因。所以水泥中C3A，C4AF含量較高的混凝土坍落度損失較大，反之較小。
(二)水泥中調凝劑的形態(tài)及摻加量的影響
水泥生產中，石膏的摻量與C3A含量比和表面積有關，為了使石膏與C3A反應生成足夠的鈣礬石，沉淀在C3A土延緩C3A的水化。石膏加入硅酸鹽水泥，不僅是為了調凝，更重要的還是加速阿里特的水化。其加量影響強度發(fā)展的速率和體積穩(wěn)定性，因此許多國家的水泥標準中介紹了“最佳石膏量”，并且用三氧化硫(SO3)含量表示。水泥中最佳石膏量是在水灰比0.50時通過膠砂強度試驗確定的。正常的凝結是由于C3S的水化形成C-S-H的結果。這時液相中鋁酸鹽、硫酸鹽、Ca2+離子比例適宜，可能形成細粒的鈣礬石而且它能使系統在整個誘導期保持流動性，隨著C3S的水化和C-S-H的形成，系統將逐漸失去流動性。當C3O不足時，C3A水化較快，會產生異常凝結，因此流動度損失很快，直接表現為坍落度損失過快，所以應尋求最佳的石膏摻量。水泥中C3A含量越大堿含量越大，水泥顆粒越細石膏的最佳摻量越大。石膏的最佳摻量還和水泥的早期水化溫度有關。摻入不同形態(tài)的石膏對水泥水化過程的影響也是不同的。選擇最佳的石膏摻量，且摻入的石膏形態(tài)搭配合理，可有效地避免坍損，從而配制出流動性好、坍落度損失小的混凝土。
(三)水泥的細度大小，顆粒級配的影響
在水泥水化過程中，3～30mm的熟料顆粒主要起強度增長作用，而大于60um的顆粒則對強度不起作用，小于10um的顆粒主要起早強作用，3um以下的顆粒只起早強作用。小于10um的顆粒需水量大。流變性好的水泥10um以下顆粒應少于10％。顆粒越細，細顆粒越多，增大早期水化放熱，這必將加劇坍損。
(四)環(huán)境條件及化學外加劑和摻和料的影響
一般來講，環(huán)境溫度越高，水泥水化速度越快，導致混凝土的坍落度損失越大。濕度越大，混凝土對外失水相對較少，有利于抑制坍落度損失。相同條件下，強度越高、水灰比越小的混凝土坍落度損失越大。同時，摻加適量需水量小的優(yōu)質粉煤灰或微細礦粉對于提高混凝土的和易性及抑制坍落度損失有利。不同種類的化學外加劑對混凝土的坍損有著不同的影響。在拌制混凝土時，加入外加劑的時間選擇也影響混凝土坍落度損失的大小。
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二、抑制混凝土坍落度損失的措施
通過以土分析，混凝土坍落度損失過大是由多種因素造成的，因此需要根據不同的情況提出不同的解決方法。目前主要有以下方法。
(一)減水劑后摻法
即在砂、石、水泥、水拌合之后再摻減水劑。這種方法對抑制坍落度損失有明顯效果。主要是因為水泥遇水后，在有石膏的環(huán)境中水泥中的C3A，C4AF能迅速生成鈣礬石，C3A、C4AF在體系中明顯減少，這時再加入減水劑，被C3A、C4AF吸附消耗的減水劑量顯著減少，大量的減水劑能比較充分地被C3s、C3S吸附，水泥顆粒的動電電位明顯提高，并在一定時間內保持相對穩(wěn)定，直接表現為混凝土的和易性好，坍落度損失較小，這種方法簡單便于應用。但此方法作用有一定限度，使用土有一定局限性。
(二)摻緩凝劑法
緩凝劑對水泥緩凝的作用理論有吸附理論、生成絡鹽理論、沉淀理論和控制氫氧化物結晶生長理論。多數有機緩凝劑有表面活性，它們在固—液界面產生吸附，改變固體粒子表面性質，即親水性。由于吸附作用，它們的分子中羥基在水泥粒子表面阻礙水泥水化過程，使晶體相互接觸受到屏蔽，改變了結構形成過程。緩凝作用機理的另一種觀點認為，緩凝劑吸附在Ca(OH)2：土，抑制了其繼續(xù)生長，在達到一定過飽和度之前，ca(OH)2：的生長將停止。這個理論重點放在緩凝劑在ca(OH)2土的吸附，而不是在水化產物土吸附。但是研究表明僅僅抑制或改變ca(OH)2的生長和狀態(tài)不足以引起緩凝，而更重要的是緩凝劑在水化的C3S土的吸附。有機緩凝劑使水泥中的C3A水化減慢，選擇性地與Al2O3表面吸附的減水劑進行交換，被交換下來的減水劑顯著提高了溶液中減水劑的濃度，為C3A，C2s吸附提供了充足的減水劑，有效地抑制了坍落度損失。
(三)調整混凝土外加劑
使用高分子量的減水劑，并與適量的保水組分配合使用，在不增加用水量的同時增加了混凝土中的游離水的含量，可緩解坍落度損失。但此方法易造成混凝土成本增加。通過物理方法把減水劑制造成不同粒徑、不同溶解速率的顆粒狀物，摻到新拌混凝土中，使其在水泥水化體系中形成不同的水化梯度，隨時補充由于C3A，C4AF消耗的減水劑，使體系中的減水劑始終維持在臨界膠束狀態(tài)，使坍落度不損失或損失很小。也可在減水劑外表做一層能在堿性溶液中緩慢溶解、溶解速率不同的外殼，從而控制減水劑在水泥漿體中的濃度，達到抑制坍損的目的。也可選擇適當的含有極性基團的活性成分，與減水劑發(fā)生化學反應，不斷地向水一水泥體系中緩慢釋放分散劑，控制減水劑的溶解速度并保持一定濃度，使水泥顆粒始終維持一定的動電電位，從而達到抑制坍損的目的。
(四)降低出機混凝土溫度
混凝土的溫度越高，水泥水化速度越快，水泥顆粒維持一定的動電電位時間越短，混凝土中游離水變?yōu)榻Y合水的比例就越大。所以，新拌混凝土的溫度越高，坍損越快；溫度越低，坍損越慢。一般來講，溫度每上升10℃，坍落度損失增大10％～40％。因此應采取降低各種原材料的溫度達到抑制坍損的目的。
三、結語
影響混凝土坍落度損失的因素較多，根本原因是水泥中的不同礦物成分對減水劑吸附性大小不同。C3A，C4AF含量高的水泥易出現坍損大的問題。后摻法、摻緩凝劑法、降低新拌混凝土溫度等方法對控制混凝土坍損效果明顯?；炷撂涠葥p失是現代商品混凝土所面臨的一個非常重要而又實際的問題，應在實際工作中不斷結合生產及材料的具體情況，總結經驗并選擇合適的解決措施。
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