混凝土坍落度损失过大是实际工程中经常遇到的一个问题。新拌混凝土有时搅拌与浇筑之间的时间差较大,生产、运输再加等待时间,这个时间差可达1 h甚至更长,会导致坍落度的损失;尤其是掺入外加剂的混凝土,由于外加剂的作用而增大的流动性,坍落度损失会更加严重。实践中,往往由于对坍落度损失考虑不周,造成现场浇筑时,泵送或密实成型困难,从而影响施工效率和混凝土质量。目前,外加剂对坍落度损失的影响及高保坍型聚羧酸减水剂的开发是研究的热点[1-3],而基于理论分析,在铁路工程实践中对控制坍落度损失提出系统性、实用性方案的文献则相对较少,本文将对渝利铁路控制混凝土坍落度损失进行探讨。

1　工程概况

    新建渝利铁路方斗山拌和站位于重庆丰都县三建乡绿春坝村,方斗山隧道出口位置,中心里程为D8K163+750左右。其主要供应方斗山隧道出口、长洪岭隧道进口、三建乡大桥、龙河石板大桥、绿春坝大桥的混凝土,距长洪岭隧道进口约13km。2009年7—8月,方斗山拌和站生产供应长洪岭隧道进口C35衬砌混凝土,理论质量配合比为水∶水泥∶粉煤灰∶中砂∶碎石∶减水剂=0.48∶1∶0.30∶2.49∶3. 17∶0. 016,水胶比为0. 37,见表1。

　　在生产中,混凝土多次出现坍落度损失过大现象。刚出机时流动性好,取样做坍落度试验为200mm左右,但历时1h,罐车到长洪岭隧道进口后取样复测坍落度多为140mm左右,损失60mm,仅能勉强满足泵送要求;而工地要求到1 h后混凝土坍落度至少要保持180mm。

2　引起坍落度损失的原因分析

2. 1　坍落度损失的机制

    混凝土拌合物坍落度的增大与损失,本质上是组成混凝土材料的水泥浆流动性的变化,也就是水泥粒子的分散与凝聚过程。水泥粒子存在着布朗运动及受静电斥力、范德华力、重力等的作用,在掺高效减水剂后,水泥粒子表面吸附减水剂,在其表面形成扩散双电层,提高了ζ电位,粒子间静电斥力较大,斥力V1与引力V2作用的位能为Vt,Vt曲线上的峰值为斥力势垒Vmax。随着水泥水化的进行,减水剂被水消耗,ζ电位下降,位能曲线见图1(b)Vt,此时微粒之间的吸附超越斥力势垒Vmax,水泥粒子产生凝聚。如果系统中最初总的水泥粒子数为n,由于碰撞而减少1/2的时间,　t1/2=2na2(1+ρW/C)exp(Vmax/KT) /3K。(1)式中:K为试验常数;a为水泥粒子半径;W/C为水胶比;ρ为水泥密度;T为绝对温度;Vmax为斥力势垒。水泥粒子数的逐渐减少亦即水泥浆的逐步凝聚,式(1)表征了混凝土拌合物坍落度经时变化的一般规律从式(1)可知势垒Vmax的大小对坍落度影响最大,水泥颗粒越细(a越小),水胶比W/C越小,坍落度损失越大;此外,温度越高时,粒子位能大,凝聚速度加快,坍落度损失也越大。

2. 2　坍落度损失的具体原因

    引起混凝土坍落度损失的原因很多,而且不尽相同。水泥、外加剂、骨料和矿物掺和料(粉煤灰)的性质、水泥与外加剂的相容性、混凝土的配合比、环境温度和运输条件等都是影响因素[4],通过对拌合站及施工现场的具体调查,对可能的影响因素进行逐项分析

2. 2. 1　环境因素

    由2. 1节可知,温度越高,混凝土坍落度损失越大。当昼夜平均气温高于30℃时,混凝土工程的生产施工应采取夏季施工措施。现场测得时间和气温与坍落度损失的关系见表2。

    在午后高温时生产的混凝土坍落度损失比较严重,14:40,15:30和16:20 3个时间点气温均在37℃以上,生产的混凝土坍落度从200mm左右经60min损失到140mm左右,在18: 00生产的混凝土坍落度损失则相对减少,由此可见夏季高温对混凝土坍落度的影响很大。

2. 2. 2　原材料

2. 2. 2. 1　水泥

现场使用的各批次水泥(P·O42. 5)试验结果见表3。

　　由表3可知,各批次水泥早期强度偏高,GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求P·O42. 5水泥3 d抗折强度≥3. 5MPa, 3 d抗压强度≥17. 0MPa,而上述各批次水泥3d抗折强度均为6. 5~7. 0MPa, 3 d抗压强度接近30MPa,大大超过了技术要求下限,且满足P·O42.5早强水泥的技术要求。

    一般情况下,水泥早期强度偏高时,水泥中C3A含量偏高,并且C3A的水化速度很快,这样会导致水泥水化速度加快。尽管水泥是合格的,做水泥净浆流动度试验考察水泥与减水剂的相容性也是良好的,但混凝土的坍落度仍然会有较大损失;因此,现场使用的早强水泥是混凝土坍落度损失过大的影响因素之一。www.tmgc8.com

2. 2. 2. 2　粉煤灰

优质粉煤灰的掺入可改善混凝土的内部结构,降低温升,并可改善新拌混凝土的工作性能,是降低坍落度损失的有利因素。

2. 2. 2. 3　骨料

现场使用的机制砂、碎石情况见表4, 5。

　　由上可知现场使用的粗细骨料比较洁净,后又取样测试粗细骨料的吸水率,分别为0. 7%和0. 4%,因此粗细骨料对坍落度损失影响不大。

2. 2. 2. 4　减水剂

    目前铁路工程中有耐久性要求的混凝土几乎都使用了高效减水剂,使得混凝土水胶比在降得很低时仍有较大的流动性,但掺入高效减水剂后,使得水泥粒子斥力势垒Vmax经时变化较大,宏观上就反映为这种由减水剂作用而增大的流动性随时间下降得很快;因此,高效减水剂是混凝土坍落度损失的重要影响因素。

现场使用的减水剂情况见表6。

　　由表6可知减水剂减水率较大(减水率不小于20%为合格),易引起混凝土坍落度损失,与此同时,该减水剂为标准型减水剂,在配制泵送混凝土时,对60min坍落度保留值未作技术要求,在夏季施工中使用保坍效果好的缓凝型减水剂更为合适。

2. 2. 3　配合比的影响

    合理地调整配合比能缓解坍落度损失,表1给出了混凝土的理论配合比,表2也说明了在气温降低时按该配合比生产的混凝土基本能满足泵送施工要求;但现场人员在调整配合比时却采取了增加水泥用量方法。增加水泥用量提高了混凝土的和易性,但是增加早强的水泥却反而加剧了混凝土坍落度损失;同时,现场人员也作了将机制砂换为河砂的尝试,但在本实例中骨料的影响并不大,因此收效甚微。

3　降低混凝土坍落度损失的措施

    通过2. 1理论分析,结合2. 2拌合站的具体实际,认为引起混凝土坍落度损失过大的主要原因是使用了早强水泥和减水剂,配合比的不当调整则加剧了坍落度损失,而夏季高温是坍损过大的外部影响因素。为此,采用了对症下药、先简后繁、逐条解决的办法。

3. 1　温度控制

1)控制原材料进入搅拌机的温度。现场砂石料仓已安装顶棚以遮阳防晒,减水剂则转移至阴凉仓库中储存,不再堆放在披棚下,尽可能对搅拌站料斗、储水器、皮带运输机、搅拌楼做遮阳处理。现场试验员生产混凝土前测定水泥、砂石料等温度,水泥进入搅拌机的温度不大于40℃。

2)建议尽可能在气温较低的早晨、晚上或夜间搅拌混凝土,以保证原材料和混凝土的温度满足要求,混凝土的温度要求不高于气温且不宜超过30℃.

3)对混凝土运输罐车进行洒水以降低罐体温度。

3. 2　配合比控制

    在调整配合比时,先保证水泥用量为理论配合比(323kg/m3),然后将初始坍落度提高到220mm,为此将用水量由155 kg增加到160 kg,同时增加粉煤灰用量13kg,一方面保持混凝土水胶比不变,另一方面增加粉煤灰用量也对降低坍落度损失有利。

3. 3　原材料及添加剂控制

    在采取夏季施工措施、调整配合比后,高温时段混凝土坍落度损失有所缓解,但仅能勉强满足泵送施工要求,问题未得到根本解决。为此,试验部门对水泥厂水泥矿物成分、物理性能提出专门要求:水泥熟料中的C3A含量不得大于6%,碱含量不大于0. 60%,降低水泥早期强度,并要求水泥厂对施工周期长,水泥需求量大、坍落度损失要求高的渝利铁路必须实行专门生产、专库供应;同时在减水剂中加入糖钠等,将混凝土凝结时间延长3 h左右,并将调节好的减水剂专用于夏季混凝土生产。

4　使用效果

在采用第3节降低混凝土坍落度损失的措施后, 8月下旬抽测混凝土坍落度损失情况见表7。

    由表7可知,在采用第3节降低混凝土坍落度损失的措施后,历时1 h混凝土坍落度损失在20mm以内,混凝土在运抵隧道施工现场后能满足泵送施工要求。其后,试验室在相应龄期对混凝土强度、耐久性及拆模时间进行了试验检验,均能满足设计施工和验标要求。

5　结论与讨论

1)在渝利铁路工程实例中混凝土坍落度损失过大的主要影响因素是夏季高温生产、配合比调整不当和使用了早期强度较高的水泥及高效减水剂。其中,引起混凝土坍落度损失过大的主要原因是使用了早强的水泥和减水剂,配合比的不当调整则加剧了坍落度损失,而夏季高温是坍损过大的外部影响因素。www.tmgc8.com

2)通过采取降温措施和调整配合比,缓解了混凝土的坍落度损失;通过更换原材料,选用C3A含量低的普通水泥,使用缓凝的高效减水剂则有效控制了混凝土的坍落度损失。

3)理论上引起混凝土坍落度损失的因素很多,在控制坍落度损失时应结合工程实际,具体问题具体分析,排除无关因素,抓住相关因素,多管齐下对症解决。

4)由第2. 1节的机制分析,在掺高效减水剂后,ζ电位的提高以及ζ电位的经时下降在本质上影响了混凝土的流动性,高效减水剂的组分尤其是流化保坍组分的研究与开发应该是控制混凝土坍落度损失的重要技术途径。

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