混凝土離析泌水問題分析與研究展望

  摘要：針對水泥漿體的穩(wěn)定性與混凝土離析泌水問題進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論了混凝土泌水的概念模型，分析了應(yīng)用外加劑技術(shù)解決混凝土泌水問題的主要方法，提出采用混凝土功能型外加劑是解決混凝土泌水問題的主要途徑，針對目前混凝土高粘土含量問題，也提出研究專用功能型外加劑的必要性。

  關(guān)鍵詞：混凝土泌水；泌水模型；外加劑技術(shù)；穩(wěn)定劑；

  引言

  混凝土是世界范圍內(nèi)使用最為廣泛的建筑材料之一，由于高性能減水劑的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代混凝土材料發(fā)生了革命性的變化，原材料由傳統(tǒng)的四組分變成了六組分，高性能減水劑和礦物摻合料已經(jīng)成為現(xiàn)代高性能混凝土的必需組分^[1]?，F(xiàn)代施工建造技術(shù)以及工程實際的要求，促使混凝土由原來的干硬性、塑性混凝土發(fā)展成為現(xiàn)在的大流態(tài)混凝土?；炷岭x析泌水問題嚴(yán)重制約了混凝土產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，因此，對混凝土泌水問題的研究也受到世界各國混凝土學(xué)者和從業(yè)人員高度關(guān)注。

  導(dǎo)致混凝土泌水的因素非常復(fù)雜，與混凝土生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)都有很大關(guān)系，包括原材料質(zhì)量、配合比設(shè)計、攪拌工藝、施工技術(shù)、外加劑種類和摻入量等^[2]?；炷馏w系中水泥漿體屬于不穩(wěn)定體系，對其穩(wěn)定性進(jìn)行研究是了解混凝土泌水機(jī)理最有效的途徑之一。在資源比較匱乏的情況下，應(yīng)用水泥混凝土的外加劑技術(shù)來解決混凝土泌水問題比較可行，也是混凝土產(chǎn)業(yè)由勞動密集型向技術(shù)型產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)化的需要^[3]。

  混凝土泌水已經(jīng)成為混凝土材料科學(xué)中的一個必須面對的實際問題，目前研究包括混凝土泌水的機(jī)理、模型、評價以及措施等還不夠深入，因此，從混凝土的原材料、配比設(shè)計、施工等環(huán)節(jié)對混凝土泌水采取針對性的解決措施，有機(jī)結(jié)合外加劑技術(shù)原理，才能研制具有抑制混凝土泌水、與高效減水劑配伍良好的新型功能型外加劑，本文比較深入系統(tǒng)地探討國內(nèi)外對混凝土泌水問題的研究情況，提出一些解決方法。

  1.水泥漿體的泌水模型

  新拌混凝土的穩(wěn)定性包括粗骨料在漿體中的沉降及水泥漿體泌水兩個方面，在水膠比較大情況下，水泥顆粒之間移動或流動性的不同可能導(dǎo)致水泥漿自身的沉降泌水不一致。針對水泥漿體自身沉降泌水過程，需要一種抑制粉體顆粒沉降的懸浮控制劑。

  1.1 水泥漿體的不穩(wěn)定性

  1.1.1水泥漿與懸浮液

  水泥漿體的穩(wěn)定性可以描述為它隨時間保持均勻的能力，沉淀泌水等不穩(wěn)定現(xiàn)象可以根據(jù)材料組成不同有多種情況^[4] 。首先，水泥漿體是一種多相材料，包含了一個很大粒徑范圍的活性水泥顆粒，又有很高的固含量。其次，由于新拌漿體中水泥材料的水化，漿體的粘度和屈服應(yīng)力必然隨著時間而變化的。通?；炷镣饧觿┑膹?fù)配忽略了混凝土的粘聚性及穩(wěn)定性問題，或者說外加劑復(fù)配一般只用減水劑組分加各種功能型組分，對混凝土的穩(wěn)定性缺乏關(guān)注?；炷凉δ苄屯饧觿┑膹?fù)配則以混凝土漿體穩(wěn)定劑組分加其他功能型組分，混凝土功能型外加劑是目前混凝土外加劑的補(bǔ)充，最大作用是靈活解決目前混凝土外加劑應(yīng)用普遍存在的性能不足問題，提高混凝土強(qiáng)度、抗坍損能力、粘聚性和降低硬化混凝土裂縫問題。有人用粘度調(diào)節(jié)劑，證明可以用來改善漿體性能，對顆粒的沉降以及泌水率有很一定影響，但其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到懸浮穩(wěn)定劑的效果。針對水泥漿離析泌水的問題，很多學(xué)者也利用一些經(jīng)典的理論模型來解釋，包括Stokes理論、Richardson–Zaki公式以及the Kynch理論^[5-7] ，但用這些模型理論解釋混凝土中水泥漿體的沉淀泌水過程比較勉強(qiáng)。

  1.1.2水泥漿與混凝土

  關(guān)于水泥漿和混凝土之間的相關(guān)性研究不少，大量的實驗數(shù)據(jù)證明，混凝土的流變性與水泥漿流變性有關(guān)。Park 等[8]通過假設(shè)水泥凈漿、水泥砂漿和混凝土為相同的水灰組分，對新拌水泥凈漿、水泥砂漿和混凝土的相關(guān)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其性能存在相關(guān)性。Ferraris等^[9]通過實驗得出新拌水泥漿的性能可以用來預(yù)測相同混凝土的流變性能。Peng,Y等^[10]的研究結(jié)果也表明沉淀過程主要的影響因素包括流體的粘度和屈服應(yīng)力，顆粒大小、顆粒和流體之間的密度差異、固體體積分?jǐn)?shù)以及顆粒之間的距離。Saaket等^[11]說明了骨料的沉降離析是受到水泥漿體的屈服應(yīng)力、粘度和密度控制的。

  1.2 水泥漿泌水模型

  Kynch提出^[12]了一種基于顆粒在沉降過程中固結(jié)的顆粒沉降理論，該理論假定一個圓柱體懸浮液的任何地方的沉降速率是該點(diǎn)濃度的唯一函數(shù)，分散液沒有固結(jié)或者凝絮。Tiller^[13]在Kynch的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改，將其擴(kuò)大到可以適用于描述底部壓縮層的形成過程。后來Fitch ^[14]通過對比與Kynch理論思路的相關(guān)性簡化了Tiller的步驟，很好的解釋了懸浮和沉淀的界面是如何隨著時間不斷上升，F(xiàn)itch的共生次序圖如圖1 所示^[15] 。

  從圖中可以看出，在整個沉降過程當(dāng)中，水泥漿沉淀的類型是隨著時間和位置的不同而變化的，決定其沉淀類型的主要是對應(yīng)的時間和位置的固體濃度和顆粒凝絮情況。

  通過觀察和分析了泌水下的擴(kuò)散邊界的泌水情況和在原位體積分?jǐn)?shù)測定中新制水泥漿中濾餅的形成結(jié)果，提出了沉降泌水的模型，如圖2所示。

  假定圓柱體中混合的水泥漿體樣品在T0階段是完全均勻分散的懸浮液。當(dāng)阻尼沉降開始之后，水泥顆粒開始下沉，水開始向上流動。在凝固之前，水泥漿的沉淀過程可以分成四個不同的階段。在第一階段，在懸浮液當(dāng)中有四個不同的區(qū)域：泌水區(qū)上清液、均勻區(qū)、濃度可變區(qū)和沉淀區(qū)。在泌水區(qū)假設(shè)固體體積分?jǐn)?shù)為零，雖然上清液看起來很渾濁可能在液體中存在少量微笑顆粒。在第二階段，由于不同顆粒的沉降速率不一樣，均勻區(qū)消失，只有泌水區(qū)上清液、濃度可變區(qū)和沉淀區(qū)留下來，在原始和濃度可變區(qū)的界面處，根據(jù)Kynch沉降理論，不是持續(xù)的濃度變化就是體積分?jǐn)?shù)的階躍變化。但是Kynch理論更加適用于非膠狀懸浮液，對于摻有外加劑的膠狀水泥漿，準(zhǔn)確定義不同區(qū)域之間的界面很困難。Fitch稱其為“模糊界面”。根據(jù)對泌水的研究結(jié)果，在上清液和均勻區(qū)之間確實存在一個模糊區(qū)域，如圖中T2的概念模型所示。在第三階段，所有顆粒都已經(jīng)沉淀，懸浮液由兩個部分組成，分別是上清液和沉淀區(qū)。當(dāng)沉淀達(dá)到平衡之后，沉淀區(qū)域可能會繼續(xù)壓縮，上清液會不斷增加，直到沉淀物的堆積和壓縮達(dá)到最大值位置，如圖階段T4所示，假設(shè)沒有泌出的水被重新吸收。

  2.混凝土泌水特征

  2.1 泌水的形成過程

  在混凝土拌合物攪拌、澆筑以及振搗過程中，在凝結(jié)硬化之前，因為固體顆粒材料的下沉導(dǎo)致的混凝土分層以及水上浮到表面，這種現(xiàn)象就叫做混凝土泌水^[16]?；炷撩谒饕l(fā)生在混凝土初凝之前，混凝土拌制完成之后需要經(jīng)過運(yùn)輸、澆筑和振搗，由于重力的作用，骨料會向下沉降，由于骨料下沉導(dǎo)致相互之間的距離和空隙變小，水泥漿和水就會被擠壓到混凝土表面，從而產(chǎn)生泌水。在水分上浮的過程中留下的泌水通道對混凝土強(qiáng)度以及耐久性產(chǎn)生影響，在粗骨料側(cè)面以及下方會產(chǎn)生水囊，如圖3所示^[17]。

  2.2 泌水形成原因及影響因素

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  2.2.1 泌水形成原因

  根據(jù)體系平衡理論的內(nèi)容，混凝土產(chǎn)生泌水的根本原因是新拌混凝土體系是一個不穩(wěn)定的體系，而泌水的產(chǎn)生就是體系在從不穩(wěn)定體系向穩(wěn)定體系，不平衡體系向平衡體系轉(zhuǎn)變的過程^[18]。同時根據(jù)水化產(chǎn)物填充理論，現(xiàn)代混凝土的單方用水量上升，混凝土當(dāng)中充水空間也變大，骨料在自重的作用下，充水空間當(dāng)中水分被壓力排擠出來，同時混凝土體系當(dāng)中的顆粒之間距離變小，從而產(chǎn)生泌水現(xiàn)象?；炷撩谒谄鋬?nèi)部會產(chǎn)生泌水通道，表面則會產(chǎn)生泌水微孔，影響混凝土強(qiáng)度和耐久性^[19]。

  2.2.2影響泌水的因素

  影響混凝土泌水的因素非常復(fù)雜，可以分為原材料因素、配合比設(shè)計以及施工工藝三個主要方面，混凝土產(chǎn)生泌水一般都不是單一因素作用的結(jié)果，而是多個不同的因素共同作用的結(jié)果。

  （1）原材料

  混凝土當(dāng)中的各種顆粒對混凝土離析泌水都有影響，顆粒越是光滑、均稱，就越不容易發(fā)生泌水；顆粒最大粒徑不能太大，不然容易產(chǎn)生泌水；顆粒的級配良好可以有效防止泌水現(xiàn)象的發(fā)生^[20]。使用的水泥細(xì)度越小，泌水量和泌水速度都會下降，含有較多C3A的水泥可以防止泌水現(xiàn)象的發(fā)生^[21]。骨料的級配以及類型也會對泌水有影響。含有大量規(guī)則粒徑顆粒的混凝土穩(wěn)定性會增加，但是為了提高混凝土的工作性所增加的用水量會增加混凝土的泌水?；鹕交屹|(zhì)礦物摻合料可以降低混凝土泌水，常見的有煤矸石、沸石粉、粉煤灰等^[22]。高性能減水劑對混凝土泌水有較大影響，特別是比較敏感的聚羧酸系減水劑，摻量過多或者是其本身與水泥的適應(yīng)性不好就很容易產(chǎn)生嚴(yán)重的離析泌水^[23]。

  （2）配合比設(shè)計

  引氣劑的加入對混凝土泌水具有抑制作用，隨著混凝土含氣量的提高，有利于減少混凝土的泌水，但含氣量的增加，會使混凝土的強(qiáng)度下降^[24]。在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計時還可以加入煤矸石，鐵尾礦粉，粉煤灰等火山灰質(zhì)的礦物摻合料，可以有效的減少混凝土泌水^[25]。配合比設(shè)計時砂率的選擇不能太小，不然容易產(chǎn)生泌水。通過研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度的混凝土水膠比較低，與高強(qiáng)度的混凝土相比更容易發(fā)生離析泌水現(xiàn)象^[26]?；炷恋膯畏接盟繉炷撩谒哂休^大影響，單方用水量越大，混凝土充水空間當(dāng)中就會有更多的水分，其穩(wěn)定性就越差，產(chǎn)生泌水的可能性也越大^[27]。

  （3）施工工藝

  混凝土從拌制到施工要經(jīng)歷運(yùn)輸、泵送、振搗等三個過程。在運(yùn)輸當(dāng)中混凝土的運(yùn)輸距離越長就越容易產(chǎn)生泌水。泵送時在泵壓的作用下，混凝土當(dāng)中的骨料吸收混凝土中水分，出泵時壓力消失，骨料失水變多產(chǎn)生泌水^[28]。水泥漿體在壓力作用下充水空間當(dāng)中的水分更容易被擠壓出來，從而產(chǎn)生泌水。在澆筑和振搗時，混凝土澆筑的垂直下落距離越大，越容易產(chǎn)生泌水。振搗時過分振搗將會使得混凝土當(dāng)中的骨料和漿體分離，產(chǎn)生離析泌水現(xiàn)象^[29]。振搗時可以在混凝土終凝之前進(jìn)行二次振搗，使得混凝土當(dāng)中因為泌水留下的泌水通道以及水囊空腔可以很好的被填充，提高混凝土粘結(jié)力，減少內(nèi)部的孔隙和裂縫。

  3.控制混凝土泌水的懸浮外加劑

  3.1 聚羧酸系減水保坍劑

  根據(jù)減水劑的作用機(jī)理，吸附在水泥顆粒周圍的極性分子，使得顆粒之間相互排斥，減少絮凝作用，水泥顆粒包裹的水分被釋放，同時使水泥顆粒表面的吸附水層變薄，大大減少所需的潤濕水量。以此機(jī)理，新拌混凝土中使用保坍劑會使可泌自由水量增加，混凝土的初始泌水減小。由于減水劑的減水作用，另外水泥水化作用以及各種混凝土材料的吸水作用，使混凝土很快變稠，同樣坍落度的混凝土所需的拌和水量和減水劑大大減水，使混凝土中的可泌自由水量減少，最終的泌水取決于保坍劑用量^[30]。

  聚羧酸系減水保坍劑屬于有機(jī)高分子，其分子量、或者分子鏈長度直接影響其性能。如果減水劑的分子量較大、分子鏈較長，可能會使混凝土的泌水減少，但是同時減水劑的減水率較低；如果分子量較小、分子鏈較短，則使減水率增加，同時使混凝土的泌水率增大，坍落度損失加快。減水劑側(cè)鏈官能團(tuán)類型和數(shù)量都對減水劑分散穩(wěn)定性有很大影響。目前，兩性聚羧酸減水劑通過相關(guān)實驗證明其減水以及減水穩(wěn)定性效果良好，在市場上也已經(jīng)出現(xiàn)用于生產(chǎn)兩性聚羧酸系減水劑的大單體。

  3.2 混凝土外加劑復(fù)配時加增稠劑

  解決混凝土泌水問題目前采用最多的方法就是在減水劑復(fù)配時摻入一定量的增稠劑，增加水泥漿體的稠度，從而使得水泥漿體更加穩(wěn)定。一般常見的保水增稠劑主要包括纖維素、溫輪膠、海藻酸鈉、黃原膠以及常用的高聚合物保水增稠劑，但是主要問題是保水增稠劑和聚羧酸減水劑容易出現(xiàn)不相容的問題，從而導(dǎo)致混凝土外加劑出現(xiàn)分層不均勻的現(xiàn)象；此外，不當(dāng)?shù)卦黾踊炷恋恼扯葧绊懥鲃有裕绊懟炷恋哪Y(jié)時間，影響混凝土引氣和強(qiáng)度，伴隨著混凝土粘度的增大導(dǎo)致其收縮性也會增大^[31]。

  3.3 外加劑復(fù)配加引氣劑

  引氣劑顯著影響混凝土泌水，每一個氣泡相當(dāng)一個小水滴，一旦氣泡破裂，水分立即釋放出來。新拌混凝土中含有一定量的氣泡，這些氣泡由水分包裹形成，如果氣泡能穩(wěn)定存在，則包裹該氣泡的水分被固定在氣泡周圍。如果氣泡很細(xì)小，數(shù)量足多，則有相當(dāng)多的水分被固定，可泌的水分減少，使泌水率顯著降低?；炷猎谖醇尤胍龤鈩r，有約 0.5%~2%的含氣量。這種氣泡大小很不均勻，形狀也不規(guī)則，很容易破裂，對強(qiáng)度有害。而加引氣劑可明顯使氣泡細(xì)膩、均勻、形狀規(guī)則、呈球形。引氣劑引入球形氣泡如滾珠一樣，起著潤滑作用，能夠使混凝土的工作性能大大改善^[32]。引氣劑的加入，可使混凝土的粘度增大，泌水顯著減少。

  4.存在的主要問題與展望

  （1）解決混凝土泌水問題方法很多，在混凝土外加劑復(fù)配時，采用減水劑時加入保水增稠劑或者引氣劑是目前最常用的方法，但是出現(xiàn)問題較多，補(bǔ)摻功能型外加劑方法值得肯定。摻入保水增稠劑會影響到混凝土的流動性和粘度，對混凝土的工作性產(chǎn)生很大的影響，混凝土粘度增加之后，現(xiàn)場泵送施工加水現(xiàn)象嚴(yán)重，最終導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低；加入引氣劑被證明可以很好的降低混凝土泌水，其不僅對混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性以及抗凍性都有影響，而且會導(dǎo)致混凝土面層氣泡過多；在現(xiàn)代混凝土生產(chǎn)過程中，以提高混凝土狀態(tài)穩(wěn)定性為目標(biāo)的功能型外加劑在市場上受到歡迎，其特點(diǎn)是懸浮液穩(wěn)定組分加功能調(diào)節(jié)組分。

  （2）根據(jù)其他相關(guān)行業(yè)的添加劑使用實踐經(jīng)驗來看，添加劑主要可以分為分散劑和穩(wěn)定劑兩個不同系列，而復(fù)配添加劑的主要方法則為分散劑＋穩(wěn)定劑＋功能助劑。目前在水泥混凝土行業(yè)中，商品混凝土用的泵送劑主要由減水劑組分、緩凝劑、引氣劑等復(fù)配而成，基本上都缺混凝土穩(wěn)定劑組分。緩凝劑加增稠劑不可能替代穩(wěn)定劑，作為混凝土泵送劑復(fù)配的技術(shù)路線，必須含有混凝土穩(wěn)定劑也就是分散保持組分，而實際情況是絕大多數(shù)產(chǎn)品無法應(yīng)對混凝土離析泌水與坍落度損失的矛盾問題，有的采用增大減水劑用量加入增稠劑組分方法也根本無法達(dá)到解決問題的目的。針對混凝土泌水問題，提高混凝土粘聚穩(wěn)定性的外加劑研究是混凝土功能型外加劑研究的大趨勢。

  （3）目前我國的建筑工程高速發(fā)展，混凝土原材料資源緊缺，普遍存在難以保證高質(zhì)量高品質(zhì)問題，如骨料級配差，泥和石粉含量高，混凝土產(chǎn)能過剩。與國外的情況相比，國外建筑工程少，骨料來源穩(wěn)定，可以保證質(zhì)量品質(zhì)穩(wěn)定。由于混凝土材料的地域區(qū)別特別大，并直接影響到混凝土外加劑和水泥基材料的適應(yīng)性，在進(jìn)行外加劑的復(fù)配或者是改性研究時，需要關(guān)注外加劑和水泥以及砂石原材料的相容性問題，針對我國原材料質(zhì)量差異，特別是高粘土含量特征，進(jìn)行專用的功能型外加劑研究非常必要。

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