關(guān)于新拌混凝土的穩(wěn)定性問題

0引言工作性是新拌混凝土的一個重要性能。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，我國新拌混凝土的流動性發(fā)生了相當大的變化。在外加劑推廣應(yīng)用前，現(xiàn)澆混凝土的坍落度只有幾十毫米，預(yù)制建筑構(gòu)件基本上采用干硬性混凝土；減水劑推廣應(yīng)用后，現(xiàn)澆混凝土的坍落度增大到80～100mm；商品混凝土普遍應(yīng)用后，為了滿足泵送的要求，現(xiàn)澆混凝土的坍落度增大到180mm左右；近年來，現(xiàn)澆混凝土的坍落度還在增大，220～240mm坍落度的混凝土成為我國目前建筑工程現(xiàn)澆混凝土的主流，坍落度大于240mm的混凝土也不少見。即便如此，建筑工地現(xiàn)場加水現(xiàn)象還是極為普遍。與此同時，混凝土離析現(xiàn)象日益嚴重，混凝土開裂現(xiàn)象屢見不鮮。不僅建筑工地現(xiàn)場如此，一些建筑構(gòu)件的生產(chǎn)企業(yè)也采用坍落度超過200mm的混凝土。由于混凝土澆筑是一項非常辛苦的工作，目前很少有人愿意從事這項工作。大坍落度混凝土可以減輕勞動強度，因而被普遍采用。但是，大坍落度混凝土如果控制不好，極易離析。在現(xiàn)實條件下如何控制新拌混凝土的質(zhì)量是一個亟待解決的問題。目前，我國新拌混凝土的技術(shù)指標主要是坍落度，其它要求很少。坍落度是新拌混凝土流動性的一個表征。一般來說，坍落度越大，新拌混凝土的流動性越好。但是，坍落度并不是對新拌混凝土質(zhì)量的全面表征，至少說它不能反映新拌混凝土的穩(wěn)定性。以前，我國普遍采用塑性混凝土，流動性是影響施工的主要因素，很少出現(xiàn)離析問題。在商品混凝土推廣應(yīng)用的初期，新拌混凝土的坍落度一般不超過180mm，離析現(xiàn)象雖有出現(xiàn)，但一般都出現(xiàn)在C20以下的低強度等級混凝土中。由于低強度等級混凝土用量較少，而且不用于重要部位，因而離析問題也不太突出。隨著新拌混凝土流動性要求的提高，新拌混凝土不穩(wěn)定現(xiàn)象日益突出。不僅低強度等級混凝土出現(xiàn)離析，C30混凝土和C35混凝土也出現(xiàn)較嚴重的離析，甚至C40混凝土也有不同程度的離析，這些都是目前用量最大的混凝土。因此，我國目前混凝土工程的施工質(zhì)量令人擔(dān)憂。在這樣的背景下，新拌混凝土的穩(wěn)定性應(yīng)該引起工程界的重視，成為新拌混凝土不可或缺的一個質(zhì)量控制指標。文章針對目前大體積混凝土普遍存在的不穩(wěn)定問題，分析了新拌混凝土不穩(wěn)定可能帶來的問題，尤其是分析了對硬化混凝土性能帶來的問題。這些問題對混凝土工程的施工質(zhì)量有著較大的影響，也是目前混凝土開裂較嚴重的一個重要原因，而這一點目前還沒有被人們認識和關(guān)注。為了解決好新拌混凝土的穩(wěn)定性問題，文章結(jié)合混凝土工程實際情況，提出評定新拌混凝土穩(wěn)定性的方法，給出保證混凝土穩(wěn)定性基本思路。1新拌混凝土工作性的含義及確定的依據(jù)對于新拌混凝土的工作性，目前還沒有一個公認的確切定義。1932年，Powers將新拌混凝土的工作性定義為:工作性是一種確定拌和物澆灌難易程度和抵抗離析能力的性能，它包括了流動性和內(nèi)聚性兩種作用。1947年，英國道路研究試驗室的Glanville、Collins和Matthews認為，工作性只反映新拌混凝土本身的特性，并將工作性定義為使新拌混凝土達到充分密實所需要的有效功(即克服內(nèi)摩擦而做的功)。Hallstom、Newman、Poppvies、Hughes及太卷等人也分別在1951年、1960年、1966年、1968年和1970年提出過工作性的定義。1983年，黃大能等將新拌混凝土的工作性定義為“混凝土拌和物在拌和、運輸、澆筑、搗實、抹平一系列操作過程中，在消耗一定能量情況下，達到穩(wěn)定和密實的程度”，并認為工作性的含義應(yīng)包括流動性、可塑性、穩(wěn)定性、易密性四種特性，缺一不可。盡管目前對新拌混凝土的工作性還沒有一個統(tǒng)一的定義，但可以肯定，新拌混凝土的工作性并非僅僅是流動性的表征，而應(yīng)是多方面特性的表征。作者尤其強調(diào)新拌混凝土的穩(wěn)定性，并指出:新拌混凝土的穩(wěn)定性指的是從時間上要保持穩(wěn)定，從空間上也要保持穩(wěn)定。從時間上說，由于新拌混凝土的制備與使用不是在同一個地方，從制備地點到使用地點需要經(jīng)過一個運輸過程，需要一定的運輸時間，在這段時間內(nèi)，新拌混凝土的性能不能發(fā)生較大的變化。從空間上說，新拌混凝土在各種作用(如重力作用、機械振搗作用等)下，能夠保持原有的均勻性。從上述定義看，人們早就認識到新拌混凝土的工作性不僅僅指流動性，它具有多方面的內(nèi)涵。在Powers的定義中，不僅注意到流動性，也注意到內(nèi)聚性；不僅注意到澆灌的難易程度，也注意到抵抗離析的能力。在黃大能的定義中，也明確指出新拌混凝土的工作性不僅指流動性，還包括可塑性、穩(wěn)定性和易密性。由此可見，對于新拌混凝土來說，穩(wěn)定性或抵抗離析的能力是非常重要的。在混凝土的施工過程中，僅僅提高新拌混凝土的流動性，不改善新拌混凝土的可塑性、穩(wěn)定性和易密性，就無法保證新拌混凝土的正常施工。如果為了提高新拌混凝土的流動性而使新拌混凝土的可塑性、穩(wěn)定性和易密性變差，反而會影響混凝土的施工。對于大流動性混凝土來說，穩(wěn)定性與流動性是同等重要的。流動性是大流動性混凝土的特征性能，穩(wěn)定性則反映保持原有均勻性的能力。目前，新拌混凝土離析現(xiàn)象十分嚴重，正是由于缺乏對新拌混凝土穩(wěn)定性的控制。2新拌混凝土穩(wěn)定性較差可能帶來的問題近年來，建筑工程普遍采用大流動性混凝土施工，因為大流動性混凝土可以減輕勞動強度，便于施工。但是采用大流動性混凝土施工時，如果沒有較好的穩(wěn)定性，不僅不利于施工，還會影響混凝土的性能，影響工程質(zhì)量。2.1新拌混凝土穩(wěn)定性對混凝土施工的影響混凝土工程的施工包括混凝土的輸送、澆筑、振搗等過程。在施工過程中，物料將發(fā)生運動。對于混凝土的運動，僅僅考慮流動性是不夠的，穩(wěn)定性也是非常重要的。新拌混凝土是一個多組分的聚集體。對于質(zhì)量優(yōu)良的混凝土，各組分的運動是相互制約的，是協(xié)調(diào)的。如果混凝土的穩(wěn)定性較差，各組分之間的相互制約較差，在混凝土的運動過程中就會出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。如在新拌混凝土的泵送時，如果混凝土的穩(wěn)定性較差，骨料與水泥漿之間的相互作用較弱，骨料的運動滯后于水泥漿的運動，使得泵送出去的物料中骨料含量較少，水泥漿較多。部分骨料積存在管道中，影響后續(xù)物料的運動，嚴重時則堵塞管道。在混凝土澆筑過程中，如果各組分之間不能相互制約，由于各種物料物理性質(zhì)和幾何性質(zhì)的差異，運動方向和速度是不一致的。較大較重的骨料顆粒容易向下運動，較輕的水則容易向上運動，使得混凝土不均勻。遇到障礙物時，如果水泥漿的黏滯力不足，骨料顆粒容易被阻擋，在障礙物附近滯留，嚴重時可能阻礙后續(xù)物料的運動，使混凝土不密實。由此可見，對于混凝土的施工，無論是物料的輸送還是澆筑成型，并非是混凝土坍落度越大越好，必須保證新拌混凝土具有較好的穩(wěn)定性。尤其是大流動性混凝土，穩(wěn)定性對施工性能更為重要。僅僅提高新拌混凝土的流動性不一定有利于施工。如果在提高新拌混凝土流動性時降低了穩(wěn)定性，反而不利于混凝土的施工，甚至影響混凝土工程的施工質(zhì)量。2.2新拌混凝土穩(wěn)定性對硬化混凝土性能的影響新拌混凝土的穩(wěn)定性直接影響到澆筑出混凝土的均勻性。如果新拌混凝土沒有較好的穩(wěn)定性，即便新拌混凝土攪拌得非常均勻，也難以保證澆筑出的混凝土是均勻的。如果新拌混凝土離析較嚴重，骨料容易下沉，水分容易上移，澆筑出的混凝土構(gòu)件可能下部骨料較多而上部骨料較少，也可能下部水膠比較小而上部水膠比較大。硬化混凝土的性能與其組成有著密切的關(guān)系，混凝土組成的不均勻必然導(dǎo)致混凝土性能的不均勻。從混凝土的強度來看，如果新拌混凝土不離析，混凝土的設(shè)計水膠比與實際混凝土水膠比是一致的；如果新拌混凝土發(fā)生離析，不同部位混凝土的水膠比是不同的，混凝土的設(shè)計水膠比是僅僅實際混凝土的平均水膠比。在水膠比較小的區(qū)域，混凝土的強度可能高于設(shè)計強度，但在水膠比較大的區(qū)域，混凝土的強度則可能低于設(shè)計強度。對于一個混凝土構(gòu)件，破壞往往是從最薄弱部位開始的，而水膠比較大的區(qū)域則成了最薄弱區(qū)域，這一區(qū)域混凝土的性能決定了混凝土構(gòu)件的性能。由此可見，新拌混凝土離析越嚴重，澆筑的混凝土構(gòu)件性能越差。目前，在建筑工地現(xiàn)場加水現(xiàn)象屢見不鮮。在施工現(xiàn)場加少量的水，如果不影響新拌混凝土的穩(wěn)定性，加入少量的水僅僅使得混凝土的水膠比稍有增大，其結(jié)果是混凝土的強度稍有降低。如果施工現(xiàn)場加水使得新拌混凝土的穩(wěn)定性降低，情況則要嚴重得多。不僅水的加入使得混凝土的平均水膠比增大，而且由于離析造成水在某些區(qū)域富集，使得這些區(qū)域混凝土的水膠比顯著增大，混凝土強度顯著降低。對于大坍落度混凝土，穩(wěn)定性通常較難控制，現(xiàn)場即便加入很少的水，也容易導(dǎo)致混凝土嚴重的離析。一些建筑工程混凝土強度遠低于設(shè)計強度，有些甚至不得不炸掉重建，多與混凝土現(xiàn)場加水有關(guān)。因此，混凝土的施工時，不允許現(xiàn)場加水。新拌混凝土穩(wěn)定性不好容易造成混凝土開裂，這是另一個值得注意的問題。混凝土變形的不一致性是混凝土開裂的一個重要原因。如果新拌混凝土不穩(wěn)定，在混凝土澆筑過程中，骨料下沉，水分上移。因此，構(gòu)件的下部混凝土骨料較多而水分較少，構(gòu)件的上部混凝土骨料較少而水分較多。在干燥過程中，構(gòu)件的下部混凝土由于骨料較多而水分較少，干縮變形較小；構(gòu)件是上部混凝土由于骨料較少而水分較多，干縮變形較大。由于構(gòu)件中混凝土變形的不一致性，必將產(chǎn)生相互作用。當這種相互作用力足夠大時，在受拉區(qū)域?qū)a(chǎn)生裂縫。在溫度變化時，構(gòu)件下部混凝土由于骨料較多，熱膨脹系數(shù)較小，因而溫度變形較?。粯?gòu)件上部混凝土由于骨料較少，熱膨脹系數(shù)較大，因而溫度變形較大。這種溫度變形的不一致性也將產(chǎn)生相互作用力，也可能導(dǎo)致混凝土的開裂。在CO2濃度較高的環(huán)境下，構(gòu)件下部混凝土由于硬化水泥石體積含量較小，碳化收縮較??；構(gòu)件上部混凝土由于硬化水泥石體積含量較大，碳化收縮則較大。這種碳化收縮的不一致性也將產(chǎn)生相互作用力，也可能導(dǎo)致混凝土的開裂。在混凝土受到化學(xué)侵蝕時，硬化水泥石較多的區(qū)域受到的侵蝕較嚴重，產(chǎn)生的變形較大，不同區(qū)域之間的相互作用將加速侵蝕。由此可見，如果新拌混凝土穩(wěn)定性較差，在混凝土施工過程中將會造成混凝土組分的不均勻性。這種組分的不均勻性必將導(dǎo)致混凝土變形性能的不一致性。在使用環(huán)境下，各種變形性能的不一致性必將產(chǎn)生相互作用力。各種相互作用力的疊加是導(dǎo)致混凝土開裂的一個重要原因。從上述這些方面看，保證混凝土的均勻性是非常重要的，而新拌混凝土的穩(wěn)定性是混凝土均勻性的前提條件。用穩(wěn)定性較差的混凝土不可能澆筑出均勻的混凝土構(gòu)件。從保證混凝土工程的施工質(zhì)量來說，穩(wěn)定性應(yīng)該是新拌混凝土的一個非常重要的性能，對此應(yīng)該有一個清醒的認識。干硬性混凝土和塑性混凝土比較穩(wěn)定，不會出現(xiàn)離析現(xiàn)象。易產(chǎn)生離析的是流態(tài)混凝土，特別是大流動性混凝土。以前，我國建筑工程主要采用塑性混凝土，很少出現(xiàn)混凝土離析現(xiàn)象?，F(xiàn)在，普遍采用大坍落度混凝土施工，出現(xiàn)了較多的混凝土離析問題。無論是從混凝土的施工來看，還是從混凝土的性能來看，穩(wěn)定性都應(yīng)該成為新拌混凝土的一個重要控制指標，穩(wěn)定性不合格的混凝土就是不合格的混凝土。然而，在大幅度提高新拌混凝土流動性要求的同時，并沒有提出穩(wěn)定性的要求。提高新拌混凝土流動性的措施主要是增大用水量，或者增加減水劑摻量。在施工現(xiàn)場，則是通過加水來提高混凝土的流動性。采用這些方法提高新拌混凝土流動性，離析現(xiàn)象自然是在所難免了?；炷翉姸炔蛔悻F(xiàn)象并不少見，混凝土開裂現(xiàn)象也是屢見不鮮。這種施工狀況應(yīng)該引起有關(guān)方面的重視，再也不能持續(xù)下去了。3新拌混凝土穩(wěn)定性的評定方法坍落度方法是評定新拌混凝土性能最常用的方法，這種方法主要體現(xiàn)新拌混凝土的流動性。坍落度越大，表明新拌混凝土的流動性越大。既然穩(wěn)定性是新拌混凝土十分重要性能，應(yīng)該有一個簡單易行的評定方法。分層度方法是一種評定新拌混凝土流動性的方法，但操作比較麻煩。下面介紹一種評定新拌混凝土穩(wěn)定性的簡單方法。按照混凝土坍落度的試驗方法裝料、插搗、抹平，然后平穩(wěn)地提起坍落度筒。當新拌混凝土坍塌穩(wěn)定后，將坍落度筒放到坍塌的混凝土中心。用抹刀刮開坍落度筒外部的混凝土，留下坍落度筒內(nèi)部混凝土。分別測定這兩部分混凝土中的粗骨料含量。用這兩部分混凝土粗骨料含量之差來表征新拌混凝土的穩(wěn)定性。從理論上講，在新拌混凝土坍塌過程中，如果各組分的運動是一致的，兩部分混凝土的組成應(yīng)該是相同的，粗骨料含量之差應(yīng)該為0。但在實際情況中，粗骨料是在水泥漿或砂漿的帶動下運動的。因此，粗骨料的運動比水泥漿或砂漿慢。當水泥漿或砂漿的黏滯力較大時，它對帶動粗骨料運動的能力較強，粗骨料運動速度與水泥漿或砂漿運動速度的差異則較小。在這種情況下，混凝土不會發(fā)生離析。在上述試驗過程中，邊部混凝土與中心混凝土組成的差異不大，兩部分混凝土中粗骨料含量的差異較小。當水泥漿或砂漿黏滯力較小時，這種黏滯力不能帶動粗骨料一起運動。當水泥漿或砂漿運動時，粗骨料幾乎不運動或運動很慢。在這種情況下，混凝土?xí)l(fā)生離析。在上述試驗過程中，當水泥漿或砂漿向四周擴展時，大部分粗骨料不隨水泥漿或砂漿運動，仍然留在中心。因此，邊部混凝土中的粗骨料很少，而中心混凝土中的粗骨料很多。這兩部分混凝土中粗骨料含量的差異較大。因此，這兩部分混凝土中粗骨料含量之差越小，表明混凝土的穩(wěn)定性越好；這兩部分混凝土中粗骨料含量之差越大，表明混凝土的穩(wěn)定性越差。如果這兩部分混凝土中粗骨料之差大于一定的數(shù)值，表明混凝土已經(jīng)離析。這種方法與坍落度試驗方法基本相同，差別僅僅是判別的依據(jù)不同。只要可以進行坍落度試驗的地方都可以用這種方法進行新拌混凝土穩(wěn)定性的評定。由此可見，這種方法是簡單易行的，既可以用于商品混凝土的生產(chǎn)控制，也可以用于商品混凝土的現(xiàn)場檢驗。4保證新拌混凝土穩(wěn)定性的思路從前面的分析可以看出，大坍落度混凝土不一定具有好的施工性能，而且容易離析，影響混凝土的施工。因此，混凝土的坍落度應(yīng)控制在適當?shù)乃?。從新拌混凝土穩(wěn)定性考慮，在滿足正常施工的前提下，盡可能采用較小的坍落度。目前，普遍采用200mm以上坍落度混凝土，甚至采用240mm以上的混凝土，對于大部分工程來說，是沒有必要的，也是沒有道理的。無限制地提高新拌混凝土的坍落度是導(dǎo)致目前新拌混凝土離析嚴重的一個重要原因，也是產(chǎn)生施工質(zhì)量問題重要原因之一。新拌混凝土的工作性取決于液相的體積含量和黏度。在混凝土中，砂漿是液相，它帶動粗骨料一起流動。因此，砂漿的體積含量和黏度決定著新拌混凝土的工作性。傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計首先根據(jù)骨料狀況及坍落度要求確定混凝土的用水量，然后根據(jù)混凝土強度要求確定水膠比，最后確定砂率，根據(jù)這些參數(shù)計算各組分的用量。用這種方法進行混凝土配合比設(shè)計，不同強度等級的混凝土中液相體積含量和黏度差異很大。一般來說，低強度等級混凝土中液相體積含量較少，液相黏度較低；高強度等級混凝土中液相體積含量較多，液相黏度較高。由此可見，不同強度等級混凝土達到相同坍落度的技術(shù)途徑是不同的。低強度等級混凝土是通過低液相黏度來達到所要求的坍落度；高強度等級混凝土是通過較多的液相體積含量來達到所要求的坍落度。砂漿要能夠帶動粗骨料一起運動，必須要有足夠的黏滯力，否則，則不能保證粗骨料與砂漿一起運動。高強度等級混凝土由于液相黏稠度較大，能夠帶動粗骨料一起運動，因而不容易離析。低強度等級混凝土由于液相黏稠度較小，難以帶動粗骨料一起運動，因而容易離析。新拌混凝土坍落度要求逐年提高，大多數(shù)攪拌站都是通過提高混凝土用水量或增加減水劑摻量來實現(xiàn)，這兩種技術(shù)途徑都是降低了液相的黏稠度，從而使得新拌混凝土的穩(wěn)定性降低。建筑工地現(xiàn)場加水更是降低了新拌混凝土中液相的黏稠度，容易破壞新拌混凝土的穩(wěn)定性。從上述分析可以得出這樣一個認識:要保證新拌混凝土的穩(wěn)定性，必須保證砂漿有足夠的黏稠度，提高新拌混凝土的流動性可以通過增加新拌混凝土中的砂漿體積含量來實現(xiàn)。新拌混凝土穩(wěn)定性對砂漿黏稠度的要求與粗骨料密度、粒徑和表面粗糙度有關(guān)。粗骨料密度越大，帶動它運動的黏滯力越大，這就需要砂漿越黏稠。粗骨料粒徑越大，要求砂漿越黏稠。粗骨料表面越光滑，也需要砂漿越黏稠。砂漿體積含量是新拌混凝土流動性的保證，對于一定流動性要求的混凝土，必須要有相應(yīng)數(shù)量的砂漿體積含量。試圖用降低砂漿黏稠度來減少砂漿體積含量實質(zhì)上是用穩(wěn)定性的損失換取流動性的增加，是不可取的。由于傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計方法不能較好的把握新拌混凝土中液相的數(shù)量和黏稠度，因而無法把握新拌混凝土的穩(wěn)定性。這種方法是在以小坍落度混凝土為主的時期產(chǎn)生的，在這一時期，不存在穩(wěn)定性問題，因而這種方法能夠較好地指導(dǎo)混凝土配合比設(shè)計。但對于大流動性混凝土，這種方法不能很好地把握新拌混凝土穩(wěn)定性的弱點凸顯出來。特別是超塑化劑的使用，混凝土用水量顯著減少，混凝土中的液相體積含量顯著降低，而液相的黏稠度顯著減小，使得新拌混凝土容易離析。因此，在目前的情