基于溫度的預(yù)拌水泥混凝土坍落度經(jīng)時損失的試驗(yàn)研究

李 俊，孫 妮

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院;2.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院)

1 引 言

預(yù)拌水泥混凝土采用先進(jìn)的工藝技術(shù)，實(shí)行專業(yè)化生產(chǎn)管理，在保持良好的混凝土質(zhì)量的同時，又能實(shí)現(xiàn)混凝土商品化供給。憑借其質(zhì)量好、工效高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)拌混凝土是混凝土行業(yè)發(fā)展的大勢所趨。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于混凝土拌制、運(yùn)輸、施工之間存在的時間跨度，導(dǎo)致預(yù)拌混凝土坍落度經(jīng)時損失過大，無法保持其初始狀態(tài)良好的工作性，進(jìn)而影響了混凝土的施工質(zhì)量，這一問題在摻加高效減水劑的新拌水泥混凝土中尤為突出。研究表明:水灰比、減水劑摻量、環(huán)境溫度等是影響混凝土坍落度損失的主要因素，因此從溫度著手，系統(tǒng)分析不同水灰比和減水劑摻量對混凝土坍落度損失的影響，為今后預(yù)拌水泥混凝土的生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的參考意義。

2 預(yù)拌水泥混凝土坍落度經(jīng)時損失機(jī)理

研究表明:混凝土拌合物坍落度的變化，本質(zhì)上是拌合物中水泥漿在水泥粒子的分散和凝聚作用下，其流動性的變化。目前，國際上比較認(rèn)可的混凝土坍落度經(jīng)時損失機(jī)理是日本學(xué)者服部健一研究發(fā)現(xiàn)的水泥粒子“物理凝聚”論，即水泥顆粒的物理凝聚是造成混凝土坍落度損失的主要因素。混凝土水泥顆粒的物理凝聚在混凝土水化過程中主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)混凝土拌合物的水化反應(yīng)，以及蒸發(fā)和吸附于水化物表面等原因消耗了較多的拌合用水，造成水泥顆粒的物理凝聚。

(2)水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2、CSH 等水化產(chǎn)物，使新拌混凝土的粘度增大，造成水泥顆粒隨時間延長而產(chǎn)生物理凝聚。

服部健一通過對水泥粒子作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，認(rèn)為水泥顆粒的物理凝聚本質(zhì)上是水泥粒子在布朗運(yùn)動、重力等作用下，微粒之間的相互吸附、靠近，當(dāng)超越圖1(a)所示的勢壘Vmax，水泥粒子就產(chǎn)生凝聚，如圖1(b)所示。并且服部健一根據(jù)水泥粒子碰撞理論，給出了水泥粒子半衰期(即水泥粒子由于碰撞而減少一半的時間)的計(jì)算公式，如式(1)所示。

式中:K 為試驗(yàn)常數(shù);a 為水泥粒子半徑;W/C 為水灰比;ρa(bǔ)為水泥密度;T 為絕對溫度;Vmax為勢壘。

式(1)表征了混凝土拌合物坍落度經(jīng)時損失的一般規(guī)律，從本質(zhì)上分析了混凝土坍落度經(jīng)時損失的作用機(jī)理。由式(1)可以看出:水泥粒子半衰期是一個與水灰比正相關(guān)、與溫度負(fù)相關(guān)的指數(shù)函數(shù)。

3 混凝土坍落度損失試驗(yàn)分析

結(jié)合新拌混凝土坍落度經(jīng)時損失的試驗(yàn)結(jié)果對混凝土坍落度損失機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證和探討。

圖1 水泥粒子間相互作用位能曲線

3.1 原材料

(1)水泥:秦嶺P.O 42.5。

(2)細(xì)集料:潔凈河砂，細(xì)度模數(shù)2.4。

(3)粗集料:級配碎石，粒徑分別為4.75～9.5 mm、9.5～19 mm。

(4)水:普通自來水。

(5)外加劑:聚羧酸高效減水劑。

以上幾種原材料技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30－2003)要求。

3.2 試驗(yàn)方法

(1)水泥混凝土配合比。

根據(jù)是否摻加減水劑以達(dá)到控制坍落度的目的，設(shè)計(jì)兩種試驗(yàn)方案，每種方案根據(jù)水灰比或減水劑摻量的不同，設(shè)計(jì)3 組不同配合比的混凝土。混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果如表1。

(2)試驗(yàn)方法。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

(3)試驗(yàn)溫度。

選取3 組試驗(yàn)溫度:5 ℃、20 ℃、40 ℃，用以表征新拌混凝土在冬季低溫、標(biāo)準(zhǔn)溫度、夏季高溫下的施工條件。

(4)試驗(yàn)時間。

選取5 組試驗(yàn)時間:0 min、30 min、60 min、90 min、120 min，分別表征新拌混凝土從拌制到施工之間不同的時間間隔。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)不同水灰比新拌混凝土坍落度經(jīng)時損失試驗(yàn)。

不同水灰比新拌混凝土坍落度經(jīng)時損失試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。繪制不同溫度下混凝土經(jīng)時坍落度損失率曲線，分別如圖2、圖3、圖4。

表2 不同水灰比新拌混凝土經(jīng)時坍落度 mm

由圖2、圖3、圖4 可以看出，不同水灰比混凝土的坍落度隨著時間的延長均出現(xiàn)不同程度的降低，時間越長，坍落度損失率就越大，并且在相同時刻下，水灰比越小，混凝土坍落度損失率就越大。例如，從圖3 可以看出，環(huán)境溫度為20 ℃時，0.45 水灰比混凝土120 min 坍落度經(jīng)時損失率45.0%，大于水灰比為0.55時的41.8%和水灰比為0.65 時的32.5%。在相同水灰比條件下，溫度越高，混凝土在相同時刻時的坍落度損失率就越大，這一規(guī)律在其他水灰比條件下仍然成立。例如，從圖2、圖3、圖4可以看出，水灰比為0.45 時，5 ℃環(huán)境溫度下混凝土120 min 坍落度經(jīng)時損失率35.0%，小于20 ℃環(huán)境溫度下的55.0%和40 ℃環(huán)境溫度下的80.0%。

圖2 5 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時損失率

圖3 20 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時損失率

圖4 40 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時損失率

圖5 5 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時損失率

圖6 20 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時損失率

圖7 40 ℃環(huán)境溫度下混凝土坍落度經(jīng)時損失率

(2)不同減水劑摻量新拌水泥混凝土拌合物坍落度經(jīng)時損失試驗(yàn)。

不同減水劑摻量新拌混凝土拌合物坍落度經(jīng)時損失試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 不同減水劑摻量新拌混凝土經(jīng)時坍落度mm

繪制不同溫度下混凝土經(jīng)時坍落度損失率曲線，分別如圖5、圖6、圖7。

由圖5、圖6、圖7 可以看出，不同減水劑摻量混凝土的坍落度隨著時間的延長均出現(xiàn)不同程度的降低，時間越長，坍落度損失率就越大，并且在相同時刻下，減水劑摻量越大，混凝土坍落度損失率就越大。例如，從圖6 可以看出，環(huán)境溫度為20 ℃時，不摻加減水劑混凝土60 min 坍落度經(jīng)時損失率25.0%，小于減水劑摻量為0.5%時的46.7%和減水劑摻量為1.0%時的54.3%。通過對比不摻加減水劑與摻加減水劑坍落度經(jīng)時損失率可以發(fā)現(xiàn)，溫度對摻加減水劑混凝土坍落度經(jīng)時損失的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于為摻加減水劑時混凝土的坍落度經(jīng)時損失。例如，40 ℃環(huán)境溫度下，不摻加減水劑時30 min、60 min 坍落度損失率13.3%、33.3%，遠(yuǎn)小于減水劑摻量為0.5% 時的52.7%、69.1% 和減水劑摻量為1.0%時的57.6%、83.2;并 且 減 水 劑 摻 量 為0.5% 時，120 min 時坍落度損失率已經(jīng)達(dá)到100.0%，減水劑摻量為1.0%時，90 min 時就已經(jīng)達(dá)到100.0%。這是因?yàn)椋瑩饺霚p水劑，特別是高效減水劑可以顯著地降低混凝土中水泥漿體的屈服應(yīng)力和粘度，進(jìn)而增大新拌混凝土的流動性。但是，減水劑對水泥漿體屈服應(yīng)力和粘度降低的作用隨時間變化呈現(xiàn)減弱的趨勢。并且隨著時間不斷的延長，這種趨勢明顯增強(qiáng)，造成新拌混凝土流動性迅速減小的后果。

此外，在相同減水劑摻量條件下，溫度越高，混凝土在相同時刻時的坍落度損失率就越大，這一規(guī)律在其他減水劑摻量條件下仍然成立。例如，從圖5、圖6、圖7 可以看出，減水劑摻量為1.0%時，5 ℃環(huán)境溫度下混凝土120 min 坍落度經(jīng)時損失率60.0%，小于20 ℃環(huán)境溫度下97.1%和40 ℃環(huán)境溫度下100.0%。

通過分析不同水灰比和不同減水劑摻量混凝土坍落度經(jīng)時損失試驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，混凝土坍落度損失與環(huán)境溫度呈正相關(guān)的關(guān)系，即環(huán)境溫度越高，混凝土坍落度損失就越大。這是由于，溫度越高，水泥粒子之間相互吸附、靠近的作用就越明顯，這樣就提升了水泥粒子的水化進(jìn)度，加快了水泥粒子之間的物理凝聚，從而使得混凝土坍落度損失就越大;此外，環(huán)境溫度越高，水泥混凝土拌合物中水分蒸發(fā)就越快，同樣造成混凝土坍落度損失的后果。這一結(jié)論，與服部健一的研究成果完全吻合。

4 結(jié) 語

(1)水灰比越小，在相同的環(huán)境條件下，新拌混凝土坍落度損失就越大，因此在滿足工作性和耐久性的前提下，應(yīng)盡量選擇較大的水灰比，這樣可以有效地控制混凝土坍落度經(jīng)時損失。

(2)摻加減水劑可以有效地提高新拌混凝土初始坍落度，但是減水劑對混凝土工作性的改善隨著時間的延長顯著減少，并且減水劑摻量越大，這種特點(diǎn)就越明顯，因此，可以通過采用緩凝劑等其他外加劑以控制摻加減水劑的混凝土的坍落度損失。

(3)溫度與新拌混凝土坍落度損失呈正相關(guān)的關(guān)系，并且高溫時的坍落度損失要遠(yuǎn)大于低溫時的坍落度損失。因此為了保證混凝土的質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制混凝土施工溫度。

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