混凝土表層出現“黑色泡沫土”成因及解決方法分析

曲新業

（濟南鐵路誠意工程檢測有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

中國高速鐵路快速發展，速度350km/h 的鐵路不斷涌現，混凝土方量越來越大、混凝土強度和耐久性指標越來越高，對混凝土質量的要求更加嚴格。但伴隨著優質地材等原材料的衰減，混凝土的各種病態不斷出現，“黑色泡沫土”只是其中一種，因此在混凝土生產過程中不僅要嚴格控制原材料質量，優化配合比設計，還需要在混凝土澆筑過程中嚴格把關。

“黑色泡沫土”是一種幾乎沒有任何質量和強度并充斥了大量氣泡的混凝土副產品，形狀猶如“發泡膠”，在工程中沒有任何用處。在混凝土澆筑過程中，由于材料、工藝及混凝土離析、環境條件等多方面的原因往往會導致混凝土表面產生“黑色泡沫土”，特別是高標號混凝土更易形成“黑色泡沫土”。

1 項目背景

新建濟南至萊蕪高速鐵路是設計速度350km/h的高速鐵路，新建濟南至萊蕪高速鐵路JLTJ-1 標為先期開工標段，起訖里程DK71+583.55—DK76+261.95，標段全長4.678km，其中路基段長158m，占標段總長的3.38%；隧道長4.520km，占標段總長的96.62%。新建濟南至萊蕪高速鐵路工程JLZQTJ-4 標起訖里程為：DK55+655—DK71+583.55，線路長度15.929km。該標段包含橋梁10 座共計4.531km；隧道4 座共計7.912km。

在隧道施工過程中部分仰拱、邊墻混凝土澆筑過程中發現混凝土表面出現大量黑灰色氣泡凝固后形成泡沫層，無強度，泡沫層與混凝土表面分層明顯，剔除黑色泡沫層后就是硬化的混凝土層，混凝土強度明顯偏高。為日后更好地控制混凝土質量，避免出現“黑色泡沫土”，現將施工過程中原材料、混凝土攪拌、混凝土運輸、混凝土澆筑等過程中的質量控制措施進行研究分析，找出出現“黑色泡沫土”的原因及控制措施。

2 “黑色泡沫土”研究的內容及目的

2.1 內容

研究“黑色泡沫土”的物理、化學成分；通過水泥、粉煤灰、減水劑成分分析，研究“黑色泡沫土”中黑色粉狀物形成原理；通過減水劑、混凝土拌制研究“黑色泡沫土”中氣泡產生的原理；通過粉煤灰、水泥與減水劑相容性試驗尋找黑色油狀物的具體來源[1]。

2.2 目的

通過室內試驗尋找黑色粉狀物的來源及混凝土“黑色泡沫土”的解決方法。

3 “黑色泡沫土”室內試驗

第一，原材料，包括：山東山鋁環境新材料有限公司“山鋁牌”P·O42.5 水泥；華能萊蕪發電有限公司I級粉煤灰；安徽中鐵工程材料科技有限公司聚羧酸系減水劑。

第二，材料成分，表1 為水泥成分，表2 為粉煤灰成分，表3 為減水劑成分，表4 為黑色泡沫土成分。

表4 黑色泡沫土成分

第三，根據成分分析，“黑色泡沫土”燒失量及二氧化硅含量較高，主要成分均為水泥或粉煤灰中的輕質材料。黑色成分、大量氣泡通過減水劑性能和相容性試驗（無粉煤灰）及試件外觀和顏色可以明確判定是水泥中的成分引起的，經過調查發現水泥廠的助磨劑為原灰（電廠的初級副產品），對原灰進行相應試驗顯示：低質量原灰是“黑色泡沫土”的黑色輕物質的主因，其次是粉煤灰引起的。水泥廠剔除原灰后，“黑色泡沫土”已經杜絕，沒有再次出現黑色輕物質的情況，但現場還存在不定期的“氣泡層”。

4 “氣泡層”形成原因

“氣泡層”顧名思義是上浮于混凝土表面的一層或幾層氣泡或存在混凝土中的含有氣泡的不密實結構，氣泡會降低混凝土承載能力。大的氣泡多了之后，混凝土不能包裹好鋼筋，與空氣、水接觸后，混凝土耐腐蝕性降低，影響結構外觀和質量。

氣泡的來源可以分為：一是原材料引入（粗、細骨料、水等）；二是混凝土拌和站攪拌過程中引入；三是混凝土運輸、澆筑過程中引入；四是膠凝材料與減水劑不相容產生氣泡；五是混凝土和易性差。對上述存在的問題逐一分析。

4.1 原材料原因

4.1.1 粉煤灰脫硫不充分

由于粉煤灰脫硫工藝不充分或燃燒不充分等原因，在混凝土表面形成一層油脂，導致混凝土產生氣泡無法排出，氣泡附著輕質材料，堆積在混凝土表面，形成灰色泡沫層。

4.1.2 水泥助磨劑不合格

水泥廠采用質量低下的原灰、礦渣、鋼渣等在燃燒不充分的條件下，在混凝土表面形成一層油脂，導致混凝土產生氣泡無法排出，氣泡附著輕質材料，堆積在混凝土表面，形成灰色泡沫層[2]。

4.1.3 減水劑、引氣劑引入

很多減水劑氣泡含量過高或試拌過程中加入了與膠凝材料不相容的化工原料都能造成氣泡過多。

引氣劑能顯著改善新鮮混凝土拌和物的勻質性和施工性能，也使混凝土結構的耐久性得到增強，但實際情況是低質量的引氣劑非但沒有改善混凝土的和易性，反而造成混凝土廢氣泡激增。

4.2 混凝土拌和站攪拌、運輸過程中引入

在混凝土生產過程中，粗、細骨料、水等在攪拌、運輸過程中將空氣引入。

4.3 膠凝材料與外加劑不相容產生氣泡

粉煤灰、水泥、減水劑之間不相容，按照一定比例將粉煤灰、水泥、減水劑加水攪拌。《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》（TB 10424—2018）中減水劑含氣量技術要求增加了3%～6%規格要求，目前施工中，減水劑規格均為3%～6%，導致混凝土含氣量偏高，產生大量氣泡，同時粉煤灰或水泥與減水劑混合過程中產生化學反應出現大量氣泡，在混凝土水化過程中輕質材料（石粉、粉煤灰）隨水泡、氣泡上浮至表層，形成灰色泡沫層。

5 “黑色泡沫土”形成過程原因分析

5.1 原材料

5.1.1 水泥中的助磨劑應要求水泥廠選擇質量合格且穩定的原材料，在混凝土試拌過程和生產過程中水泥廠家應全程參與，調整水泥助磨劑、混合材料種類。

5.1.2 膠凝材料與減水劑的相容性按照標準要求進行試拌試驗合格后方可使用。當水泥出現質量波動時，也應逐批與外加劑進行相容性試驗。

5.1.3 粗骨料選擇粒形良好、級配合理、質地堅固、吸水率低、線膨脹系數小的潔凈碎石，重點關注空隙率試驗，選擇空隙率最小的二、三級配的碎石。

5.1.4 細骨料選擇級配合理（細度模數為2.3～3的中砂），質地堅固，吸水率、空隙率小的細骨料，空隙率與砂率相對應。

5.2 混凝土配比

混凝土試配過程中除了滿足基本的方法要求外，重點關注膠凝材料與減水劑的相容性和空隙率。膠凝材料過多會造成混凝土黏度增加，大氣泡不易排出，可以用添加粉煤灰或是礦粉解決。

5.3 混凝土生產

拌和站生產過程中應嚴格按照施工配比執行，嚴禁在生產、運輸、施工過程中肆意加水，施工時要滿足坍落度和流動性的要求，在澆筑混凝土時先進行混凝土坍落度和流動度試驗，否則不得澆筑。在滿足坍落度和流動性且水灰比在合理范圍內（不會對后期混凝土的振搗產生影響和不產生對可避免的結構表面有害的氣泡）可以加入少量外加劑（如減水劑、引起劑）。外加劑的用量、水的用量這兩者都要符合規范要求。

在規定時間內混凝土攪拌要均勻，當發現混凝土和易性差使用外加劑進行調整時，應在30min 內摻加外加劑。否則外加劑攪拌不均勻起不到相應的作用，反而對混凝土和易性、結構強度造成影響。需要特別強調的是，混凝土攪拌站的技術工作人員在進行二次調配時，要均勻攪拌，使新加的外加劑均勻分布在原來的混凝土拌和物中。同時也要保證混凝土的和易性、坍落度、流動度都滿足要求。攪拌時間也不能過長，不得超過混凝土攪拌規范時間。為了提高均勻性，要用機械攪拌[3]。

5.4 混凝土澆筑、振搗問題，振搗力度不夠氣泡不易排出

混凝土澆筑過程中經常會用到地泵或天泵。天泵的泵送效率應與混凝土最大粒徑相適應；泵送下料口宜能移動且混凝土自由傾落高度不宜超過2m。

現場管理人員要督促、監督到位，對現場施工敷衍了事、不按照施工程序步驟施工的人員要嚴厲批評并給予及時糾正。施工步驟和注意事項是：應分層布料，分層振搗。

5.5 脫模劑問題

選用質量差的脫模劑，會造成氣泡排不出。選擇質量好的脫模劑，在混凝土澆筑、振搗的過程中，質量高的脫模劑有利于氣泡的流動并沿著模板流動上升并排出。

5.6 模板問題

首先，模板的選取要光滑且優質耐腐蝕。混凝土拌和物是堿性的且具有腐蝕性，如果模板是劣質的，不僅不能起到模具的作用而且會造成混凝土拌和物流失，造成不必要的經濟損失。其次，模板要選用通氣性好的，促進有害氣泡的排出。

5.7 二次振搗和二次收面

二次振搗的混凝土是要接近于初凝階段的混凝土，這個時間階段的混凝土在強度上較第一次澆筑時有所增大，所以要用高頻率的振搗棒才會振搗均勻，新添加的外加劑才會均勻分布在混凝土攪拌物中。

二次收面可以消除表面氣泡和浮漿，減少混凝土裂縫。

6 結論

綜上所述，流動性、和易性優質的混凝土，避免“黑色泡沫土”應采取以下措施：

第一，水泥中的助磨劑應與廠家協商選擇質量合格且穩定的原材料（粉煤灰、礦粉、鋼渣等），在混凝土試拌過程和生產過程中水泥廠家應全程參與，當發現混凝土出現黑色物質時應及時與水泥廠家溝通調整配方。第二，粉煤灰脫硫工藝不完善或燃燒不充分已經成為剔除黑色“黑色泡沫土”關鍵。第三，減水劑的含氣量宜選擇在小于3%以下。第四，配合比試配過程中原材料的相容性和空隙率是關鍵指標，尤其是膠凝材料和減水劑的相容性。第五，現場相應的管理也是重中之重。