商品混凝土坍落度经时损失控制方法

夏春，王玲芬，匡桂娟

（青岛农业大学建筑工程学院，青岛 266109）

1 引言

用普通方法施工的混凝土的坍落度，是根据捣实方式确定的。而泵送混凝土除了考虑捣实方式外，还要考虑可泵性（也就是要求泵送效率高，不堵塞，对混凝土泵机的磨损小）。

混凝土拌和物坍落度较小，泵送时混凝土缸吸入较困难，即活塞后退没吸混凝土时，进入缸内的数量少，充盈系数小，影响泵送效率。这种混凝土拌和物进行泵送时阻力大，要求用较高的泵送压力，这也就使得分配阀、输送管、液压系统等磨损加大，如处理不当还会产生阻塞，无法泵送。

如混凝土拌和物坍落度过大，混凝土在管道中滞留时间长，泌水较多，容易产生离析而形成阻塞。

不同泵送高度的泵送混凝土入泵时的坍落度，可按表1选用，混凝土经时损失可经试验确定，泵送混凝土试配时要求的坍落度值应按下式计算：

式中Tt——试配时要求的坍落度值(mm)；

Tp——入泵时要求的坍落度值(mm)；

ΔT——试验测得在预定时间内坍落度经时损失值(mm)。

表1 不同泵送高度入泵时混凝土坍落度选用值

2 泵送剂掺入方法与掺入量

泵送剂添加方法对混凝土拌合物的坍落度也有影响，外加剂添加方法有先掺法和后掺法两种。先掺法是在混凝土拌合过程中加入外加剂，这也是目前普遍采用的一种常规方法；后掺法是先拌制好基体混凝土，经过15～90min静止后，再加入外加剂。实践证明，拌合同时加入外加剂，与延迟加入外加剂相比，坍落度增大以后者为佳。

夏季高温施工时如果混凝土搅拌后停放时间较长，拌合物坍落度损失必然大。可以考虑采用后掺法施工，但此法在采用时有一定的难度，一般不采用[1]。

泵送剂添加量对泵送混凝土坍落度影响较大，例如，水泥用量300kg/m3，水灰比为0.60，坍落度为12cm的基体混凝土，当泵送剂添加量（折算成固体量）为水泥用量的0.3%～1.0%时，其拌合物坍落度的变化如图1。

图中可看出，当泵送剂添加量为0.5%时，混凝土拌合物坍落度为20cm；泵送剂添加量为0.7%时，坍落度为22cm；泵送剂添加量大于0.7%后，坍落度的增大基本趋于平衡。

试验证明，泵送剂添加量过大，不仅混凝土的流动性效果不明显，还会使混凝土拌和物产生离析现象，严重影响混凝土的和易性。

泵送剂添加量和坍落度之间的关系，还与基体混凝土拌和物的坍落度大小有关，当基体混凝土坍落度为10cm以上时，泵送剂添加量相同，则坍落度增大值也大致相同；当基体混凝土坍落度为6cm以下时，坍落度增大效果较差。因此，为获得较好的混凝土流动性，基体混凝土坍落度宜控制在6～10cm。

3 坍落度损失机理

混凝土拌合物坍落度的损失，据认为是由于水泥粒子物理凝聚形成了三维网状结构[2]，混凝土泵送剂吸附在水泥颗粒表面上或早期水化产物上，水泥粒子分散，释放出游离水，因此，水泥净浆稠度变稀。但随着水泥水化的继续进行，吸附在水泥颗粒或早期水化产物上的泵送剂，或被水化产物包围，或是与水化产物反应，便不能发挥其分散能力，造成水泥颗粒凝聚，形成了三维网状结构，使得水泥净浆稠度变稠。

日本学者服部健一教授[3]对混凝土坍落度损失机理进行了深入地研究。他认为水泥颗粒的物理凝聚是造成混凝土坍落度损失的主要因素，并提出了反复掺外加剂控制坍落度损失的办法。

很多学者[4]对水泥单矿物C3A、C4AF、C3S和C2S与泵送剂吸附的研究表明，对泵送剂的吸附活性铝酸盐大于硅酸盐，其顺序是C3A＞C4AF＞C3S＞C2S。当水和泵送剂一起加入时，与水泥产生了激烈的化学反应，最初C3A、C4AF的选择吸附消耗了泵送剂，降低了分散作用。

掺加泵送剂可以提高混凝土的流动性、降低用水量，但是由于初始水灰比较低，同时水泥的分散度又比混凝土大得多，所以随着水泥水化的进行，结合水增多，游离水减少，致使流动性很快降低。同时由于掺加泵送剂破坏了C3A与可溶性硫酸盐之间的平衡，引起不同程度的加速凝结甚至假凝，从而使坍落度的损失增大。

C3A和石膏对水泥初期水化和结构形成的作用特别重要。它们生成的钙矾石沉积在水泥颗粒表面，控制了水泥的水化过程。由于泵送剂的掺加能使可溶性SO3减少，导致钙矾石生成不足，使水泥水化加快，引起坍落度损失加大。

在搅拌时引入一定量的空气，或者泵送剂中含有一定的引气组分，由于混凝土运输或泵送过程中气泡逸出，也使坍落度降低。

实际上泵送混凝土开始拌制到泵送，需要一段运输和停放时间，故掌握泵送混凝土初始坍落度下降的变化与时间的关系，对泵送是十分重要的。对泵送混凝土而言，存在一个最佳的坍落度值。根据国内泵送混凝土施工经验，入泵时混凝土坍落度值一般对普通骨料混凝土以80～180mm为宜，对轻骨料混凝土以180mm以上为宜[5]。

4 控制坍落度损失的方法分析

国内外研究控制坍落度方法很多[6]，但是较好的还是对现有的外加剂进行改进，现将几种常用控制坍落度的方法分析如下：

4.1 水化控制法

该法是往混凝土中掺入一定的缓凝组分，因缓凝剂能有效抑制水泥水化，使新拌混凝土能在一定的时间内保持一定的塑性，延缓水化热的产生，因此混凝土缓凝剂可以延长混凝土的凝结时间，减少坍落度的损失[7]。目前国内泵送混凝土所用大部分都是复合缓凝泵送减水剂。

常用有机类缓凝组分有：木质素磺酸盐、糖类、羟基羧酸及其盐类以及葡萄糖酸等。无机类有磷酸、硼酸盐、锌盐、氟硅酸盐等。这些缓凝组分由于化学成分不同、分子结构不同，用于混凝土中缓凝机理也有一定的区别。因此，每种缓凝组分用于不同的水泥缓凝效果也不一样。

目前我国泵送混凝土外加剂几乎都固定掺某种缓凝组分，虽然应用某种水泥确有明显抑制坍落度损失的效果，但由于我国水泥品种复杂，很难适应多种水泥使用，只有根据不同的水泥对所用缓凝组分的品种、掺量做适当调整，才能取得较好的效果。

缓凝剂在混凝土搅拌开始3～4min时掺入，比将缓凝剂掺入拌和水中凝结时间要延长2～4h[8]，这对减少混凝土坍落度经时损失和提高缓凝剂的使用效果非常有利。

该方法主要问题是：混凝土缓凝有时可能会影响施工进度，而且不同的缓凝组分针对不同的水泥差异较大，某种缓凝组分对某些水泥可能效果较差，甚至不能使用。

4.2 对减水剂改性法

该方法主要用于改性减水剂，主要改性方法：物理改性和化学改性。在化学改性方面，作者进行了相关试验研究，采用了三种水泥和三种外加剂，其中XC泵送剂为萘系泵送剂改性，STB1和ZW2均为萘系泵送剂，试验配合比见表2，实测初始坍落度值、坍落度经时损失和抗压强度结果见表3。从表2、表3可看出：

（1）混凝土坍落度增大值。三种泵送剂与三种水泥，在适宜的掺量下，每立方米混凝土可减少用水量20kg时，仍可较基准混凝土增大坍落度120～140mm，说明三种泵送剂对混凝土拌合物都具有良好的减水效果和增大流动性的效果。

（2）混凝土坍落度经时损失。试验表明，XC泵送减水剂拌制的混凝土坍落度经时损失最小，STB1泵送减水剂和ZW-2泵送减水剂差不多。三种泵送剂拌制的混凝土初始坍落度都在20～22cm之间，但60min后XC泵送减水剂拌制的混凝土坍落度损失只有1cm，而STB1和ZW-2泵送减水剂拌制的混凝土坍落度损失4～7cm；120min后XC泵送减水剂拌制的混凝土坍落度损失2cm， STB1和ZW-2泵送减水剂拌制的混凝土坍落度损失6～11cm。

（3）掺加适宜掺量的泵送剂混凝土抗压强度。掺泵送剂混凝土不仅坍落度增加12～14cm,由于泵送剂的减水作用使混凝土水灰比降低，混凝土强度均比基准混凝土提高25%～26.8%。

（4）缓凝情况。抗压强度试件采用150mm×150mm×150mm的标准试模，同样配比，用XC泵送减水剂配制的混凝土和基准混凝土成型后20h即可脱模，用STB1泵送减水剂配制的混凝土成型后脱模时间为23.5h，而 ZW-2泵送减水剂拌制的混凝土成型后24h才可以脱模。这说明XC泵送减水剂配制的混凝土和基准混凝土脱模时间相同。

表2 混凝土试验配合比

表3 泵送剂混凝土坍落度、经时损失和抗压强度结果

4.3 粒子隔离法

泵送减水剂用于混凝土中能迅速使水泥颗粒分散，达到增大混凝土流动性，减少拌合用水的目的。但随着时间的延长，混凝土中的水泥颗粒又会重新聚合。掺入适量引气剂可以有效地将水泥粒子隔离，防止水泥颗粒凝聚，同时微小气泡还能起到润滑作用，因此对减小混凝土坍落度损失是十分有效果的。

我国有不少泵送混凝土外加剂采用粒子隔离法，但也有不少产品掺入引气剂后不但达不到减小坍落度损失的效果，而且还会加大坍落度损失。经试验认为这与引气剂品种和性能有关。

引气剂是一种掺入混凝土中能有效引入大量均匀分布的稳定且封闭的微小气泡的外加剂。这些微小、均匀分布的气泡，在砂粒表面附着时，起到“滚珠”作用，使混凝土拌合物的流动性显著增加，并改善混凝土拌合物的泌水性、水泥浆的离析现象，这对混凝土的泵送非常有利。引气剂还可以提高混凝土的抗渗性、抗冻性，改善混凝土的和易性、可泵性等[9]。许多国家将引气剂列为必不可少的混凝土组分，如日本将不掺引气剂的混凝土称为特殊混凝土。

4.4 其他方法

（1）采用后掺法，在混凝土出罐前加入外加剂。此法在采用时有一定的难度，一般不采用。

（2）采用减水剂造粒技术，此法为清华大学发明，但由于生产造粒技术难等不利因素，未能推广应用。

（3）采用碱度低的水泥，坍落度损失相对较小，且不易发生异常凝结现象。

（4）适当增加外加剂的用量。

（5）减少混凝土失水和在低温下拌和、运输。

（6）采用新型合成外加剂，在合成过程中引入相应的官能团，使混凝土工作度经时变化在2～3h内波动较小，且和易性良好。

5 外加剂发展趋势

当前国际上外加剂发展呈如下趋势：化学外加剂的理论研究向纵深发展；外加剂新品种不断涌现，性能不断完善，用途不断扩展；外加剂标准逐步向国际化迈进；具有生态功能的外加剂将飞跃发展；智能化外加剂将是本世纪外加剂研发热点。可以预见，随着材料科学技术的进步、应用领域的拓展、使用性能要求的不断多样化，更多的外加剂新品种将不断涌现，尤其各种高性能、多功能、智能化外加剂的研发将成为重要的发展方向。

21世纪随着材料科学、工程科学的发展及高新技术的涌现，将促进建筑外加剂性能和品质不断改善，新品种、高效能外加剂将不断增加，以有机材料为主的外加剂将异军突起，具有特殊功能和智能外加剂将应运而生，势必会实现建筑材料的结构-功能-智能一体化。

[1]谢开嫣，刘英利.商品混凝土及泵送剂技术探讨[J].建筑技术开发,1998(4):13-15

[2]S.Yamaguchi,F.Tomosawa,M.kimoshia,44th Cement technology Collection of learned Paper(1990),pp274-279

[3]于冬勋，尤启俊.预拌混凝土坍落度损失的研究[J].混凝土.2001,(1):57-59

[4]王义，刘军华.泵送剂与水泥适应性的研究[J].辽宁建材.2000,(3):8-11

[5]李继业编著.新型混凝土技术与施工工艺[M].中国建材工业出版社，2002.12

[6]宋波.聚羧酸盐改性萘系高效减水剂的研究[J].混凝土.2003:(4)

[7]吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土[M].中国铁道出版社1999. 9

[8]Ramachandra V S,Feldman R F,Beaudoin JJ.Concrete Science,Treatise on Current Research..Heycen Son Ltd,1981

[9]张雄主编.建筑功能外加剂[M].化学工业出版社.2004.1