混凝土凝結(jié)時(shí)間異常問題分析 孫茂元 （天津市第三市政公路工程有限公司，天津 300112） 混凝土凝結(jié)過程，具體的講就是，水泥、砂、石子、礦物摻合料、外加劑加適量的水經(jīng)拌和形成一種可塑性的漿體，隨著時(shí)間的推移，漿體逐漸失去流動(dòng)性、可塑性，變?yōu)椴涣鲃?dòng)的緊密的狀態(tài)，最后，隨著強(qiáng)度逐漸增加，發(fā)展為具有相當(dāng)強(qiáng)度的石狀固體。這一過程是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)的過程；是水泥的凝結(jié)和硬化連續(xù)進(jìn)行、不可截然分開的一個(gè)過程。這個(gè)過程所用的時(shí)間就是水泥混凝土的凝結(jié)時(shí)間，分為初凝時(shí)間和終凝時(shí)間。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中按美國(guó)材料學(xué)會(huì)（ASTMC403）提出的貫入阻力試驗(yàn)來確定混凝土的凝結(jié)時(shí)間。認(rèn)為在貫入深度為25mm 時(shí)，若壓力與面積比為3.5MPa，則達(dá)到初凝；若壓力與面積比為28MPa，則達(dá)到終凝。初凝時(shí)間大致相當(dāng)于混凝土拌合物不再適于正常澆灌的時(shí)間，終凝時(shí)間接近于硬化開始的時(shí)間。凝結(jié)基本上由C3S 的水化作用所控制。在初凝以前新拌混凝土拌合物將失去一定的坍落度，而終凝之后一段時(shí)間內(nèi)將獲得適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。 混凝土的凝結(jié)時(shí)間在施工中具有重要的意義，初凝時(shí)間不宜過短，終凝時(shí)間不宜過長(zhǎng)?；炷恋某跄龝r(shí)間一般是根據(jù)水泥品種而定的，基本沒有統(tǒng)一的時(shí)間，但是大致范圍是2-3小時(shí)。如果加入早凝劑，初凝時(shí)間大致可以縮短到半小時(shí)；如果加入緩凝劑，初凝時(shí)間可以延長(zhǎng)到5-10 小時(shí)。為保證水泥漿在施工過程中有足夠的時(shí)間處于塑性狀態(tài)，以便于有足夠的時(shí)間來完成混凝土的攪拌、運(yùn)輸、澆搗等操作，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了水泥的最短初凝時(shí)間為45min ；為使已形成工程結(jié)構(gòu)形狀的水泥漿盡早取得強(qiáng)度，以便能夠承受荷載，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水泥終凝時(shí)間不得遲于規(guī)定的時(shí)間。 然而，在實(shí)際工程中，隨著礦物摻合料和外加劑在混凝土中的廣泛使用，以及新型混凝土在土木工程中的廣泛應(yīng)用和特殊條件下的混凝土施工，混凝土異常凝結(jié)時(shí)有發(fā)生，輕則引起混凝土質(zhì)量問題，重則引起嚴(yán)重的工程事故?；炷恋哪Y(jié)時(shí)間異常一般表現(xiàn)為緩凝、速凝和假凝三種。緩凝的特征是：混凝土施工后，長(zhǎng)時(shí)間不硬化或早期強(qiáng)度極低，甚至混凝土28d 強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。速凝的特征是：水泥和水接觸后漿體很快地凝結(jié)成為一種粗糙的、和易性差的混合物，并在大量放熱的情況下很快凝固。假凝的特征是：水泥和水接觸后幾分鐘內(nèi)就發(fā)生凝固，且沒有明顯的溫度上升現(xiàn)象，此時(shí)再次進(jìn)行攪拌，仍可恢復(fù)塑性，用于澆注，能以通常形式凝結(jié)。 混凝土的凝結(jié)時(shí)間異常在實(shí)際工程中的危害主要有：其一、水泥混凝土在施工過程中，如果迅速凝結(jié)，對(duì)于大面積澆注的混凝土極容易產(chǎn)生冷縫。其二、在大體積混凝土施工時(shí)，如果混凝土凝結(jié)迅速，致使混凝土前期水化放熱量集中，混凝土的內(nèi)部溫度升高很大，最終形成較大的內(nèi)外溫差，使混凝土開裂。其三、泵送混凝土在施工過程中，若混凝土產(chǎn)生速凝，則混凝土在輸送過程中極易引起堵管和爆管。其四、混凝土在鉆孔灌注樁施工過程中，如果混凝土在溜桶或?qū)Ч苤邪l(fā)生速凝，就會(huì)導(dǎo)致樁孔報(bào)廢或其他嚴(yán)重的質(zhì)量事故。其五、混凝土在澆注后，常常產(chǎn)生過分的緩凝現(xiàn)象，不僅阻礙了后續(xù)施工的進(jìn)行，而且還使混凝土的強(qiáng)度降低了。 混凝土的凝結(jié)時(shí)間與水泥的凝結(jié)時(shí)間，雖然由于骨料的摻入，水膠比的變動(dòng)及外加劑的應(yīng)用，使其存在一定的差異，但是混凝土的凝結(jié)過程還是主要靠水泥來完成的。也就是說，混凝土拌合物是通過水泥加水后的化學(xué)和物理化學(xué)作用凝結(jié)硬化而產(chǎn)生強(qiáng)度的?；瘜W(xué)作用主要表現(xiàn)在：混凝土中水泥初期水化生成了許多膠體大小范圍的纖維狀晶體如C-S-H(B) 和一些大的晶體如Ca(OH)2 包裹在水泥顆粒表面。物理化學(xué)作用主要表現(xiàn)在：這些細(xì)小的固相質(zhì)點(diǎn)靠極弱的物理引力使彼此無秩序的在接觸點(diǎn)處粘結(jié)起來，而連成一空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度很低而有明顯的可塑性；以后隨著水化的繼續(xù)進(jìn)行，水泥顆粒表面不大穩(wěn)定的包裹層開始破壞而水化反應(yīng)加速，從飽和的溶液中就析出新的、更穩(wěn)定的水化物晶體，這些晶體不斷長(zhǎng)大，依靠多種引力使彼此粘結(jié)在一起形成緊密的結(jié)構(gòu)。隨后，水化繼續(xù)進(jìn)行，從溶液中析出新的晶體和水化硅酸鈣凝膠不斷充滿在結(jié)構(gòu)的空間中，進(jìn)而將骨料也緊密地粘結(jié)包裹在一起，形成完整的結(jié)構(gòu)。 從水泥漿體結(jié)構(gòu)的形成過程可知，必須使水化產(chǎn)物長(zhǎng)大、增多到足以將各種顆粒初步連接成網(wǎng)，形成凝聚結(jié)構(gòu)，才能使水泥漿體開始凝結(jié)。從水泥漿體的流變特征看，必須將外力增加到一定程度，所產(chǎn)生的剪應(yīng)力將形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)拆散，才能使?jié){體流動(dòng)。通常將拆散網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需的剪應(yīng)力稱為“屈服值”。水泥拌水后，屈服值立即隨水化的進(jìn)展而提高，然后變慢，接著再以更快的速度上升。一般認(rèn)為，開始的屈服值提高是由于快速形成了鈣礬石；水泥中如有半水石膏存在，還會(huì)有二水石膏形成的原因。至于屈服值的第二次快速上升則歸結(jié)于硅酸三鈣強(qiáng)烈水化所形成的C-S-H。所謂“初凝時(shí)間”實(shí)際上相當(dāng)于屈服值提高到某一規(guī)定數(shù)值，即將開始第二次快速上升的時(shí)間。由此可以表明，初凝時(shí)間既決定于鋁酸三鈣和鐵相的水化，也與硅酸三鈣的水化密切相關(guān)；而初凝到終凝的凝結(jié)階段則主要受硅酸三鈣水化的控制。 影響混凝土凝結(jié)正常進(jìn)行的因素可以分為混凝土的內(nèi)在因素和混凝土的外在因素。混凝土的內(nèi)在因素如水泥的品種；礦物摻合料品種與摻量；外加劑的品種、用量以及摻法；混凝土拌合用水；混凝土的水膠比等。混凝土的外在因素如混凝土所處環(huán)境的溫度和濕度；人為因素等。 （1）水泥品種的影響 水泥的凝結(jié)時(shí)間決定著新拌混凝土凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)粉磨后的水泥顆粒級(jí)配不合理時(shí)，使水泥熟料中的C3A 易過早水化，其活性降低。同時(shí)由于熟料與石膏一同研磨時(shí)，溫度升高引起部分二水石膏脫水生成半水石膏或可溶性的無水石膏，使C3A的活性與石膏的活性和數(shù)量不匹配，早期溶解的C3A 相對(duì)較少，而溶解的CaSO4 量較多，形成硫酸鈣過飽和溶液，而且除形成鈣礬石外，還有多余的形成較大數(shù)量的次生石膏。這就直接導(dǎo)致水泥假凝。 當(dāng)水泥熟料中的C3A 含量過高，而且水泥中所摻石膏中的亞硫酸根離子過少時(shí)，能使混凝土拌合物迅速凝結(jié)。同時(shí)，水泥中含有較多的堿類時(shí)，堿類碳酸鹽能與水泥中的Ca(OH)2 反應(yīng)，沉淀出CaCO3，這種具有促凝作用的碳酸鹽的生成能使水泥很快凝結(jié)。另外，熟料的過分煅燒，使C3A 礦物大量結(jié)晶析出，以及熟料中堿含量或游離氧化鈣過高，也能導(dǎo)致水泥速凝。 （2）礦物摻合料品種與摻量的影響 在摻有礦物摻合料的混凝土中，水泥熟料顆粒水化生成的水化產(chǎn)物累計(jì)達(dá)一定程度，才會(huì)表現(xiàn)為膠凝材料的凝結(jié)。雖然摻合料具有一定活性，其活性成份能在常溫下同水泥水化生成的Ca(OH)2 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但摻合料的水化速度比水泥熟料顆粒要緩慢得多，直接導(dǎo)致?lián)接械V物摻合料的混凝土的凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。摻合料摻量越大，水泥熟料相對(duì)量減少，凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)幅度越大。而且，當(dāng)粉煤灰和礦粉在使用中以次充好時(shí)，混凝土的工作性能不僅得不到改善，而且混凝土長(zhǎng)時(shí)間不凝結(jié)、強(qiáng)度大幅降低等現(xiàn)象會(huì)隨之發(fā)生。 （3）外加劑的影響 隨著商品混凝土的發(fā)展，外加劑的種類更是繁多，而且大多外加劑都是通過復(fù)配后再在混凝土中使用，因此其自身配方的多樣性，使得其與水泥的適應(yīng)性也存在很大的差異；還有，外加劑采用先摻法，還是后摻法，也會(huì)影響到混凝土的凝結(jié)效果。比如，當(dāng)在某種水泥所配制的混凝土中摻加速凝劑（經(jīng)檢驗(yàn)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）但卻得不到應(yīng)有的速凝效果，或摻加緩凝劑卻得不到應(yīng)有的緩凝效果。 以目前應(yīng)用最為普遍的減水劑為例，當(dāng)混凝土中摻入減水劑后，減水劑分子吸附在水泥顆粒表面，形成有一定厚度的分子吸附層，使水泥顆粒表面帶上電性相同的電荷，促進(jìn)水泥顆粒的分散性能，進(jìn)而在顆粒表面形成一層溶劑化水膜。由于減水組分對(duì)水泥顆粒的這些作用，在一定時(shí)間內(nèi)水泥漿體分散體系保持穩(wěn)定，阻礙了水化產(chǎn)物的聚結(jié)，進(jìn)而延緩了水泥的凝結(jié)時(shí)間。但是，當(dāng)其與水泥間不適應(yīng)時(shí)，往往會(huì)發(fā)生流動(dòng)性變差、減水率降低、或者拌合料板結(jié)發(fā)熱、流動(dòng)性損失過快等現(xiàn)象。尤其是水泥越新鮮，其溫度越高，減水劑對(duì)其的塑化作用相應(yīng)要越差一些，混凝土的坍落度損失也越快，甚至在某些商品混凝土生產(chǎn)廠的攪拌機(jī)內(nèi)就出現(xiàn)異常凝結(jié)現(xiàn)象。 另外，現(xiàn)在商品混凝土中都摻有泵送劑，泵送劑中含有一定量的緩凝組分，當(dāng)外加劑經(jīng)過復(fù)配后，緩凝組分含量相對(duì)較高。在混凝土生產(chǎn)過程中，如果不注意外加劑的計(jì)量，那么因摻量過大造成混凝土超緩凝現(xiàn)象是很容易的。 （4）混凝土拌合水的影響 當(dāng)攪拌混凝土的水中含有如油類、酸、糖等物質(zhì)時(shí)或者所用水源受到污染時(shí)，也可能導(dǎo)致混凝土異常凝結(jié)的情況。 （5）混凝土水膠比的影響 混凝土的水膠比大，意味著水泥顆粒之間的距離大，為使水泥顆粒之間的水化產(chǎn)物相互搭接連生，必須產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物，因此需要的時(shí)間長(zhǎng)。另外，由于水化產(chǎn)物多為膠體，它會(huì)在水泥顆粒表面形成一層薄膜，妨礙水與未水化水泥的接觸，水分子向水泥顆粒內(nèi)部擴(kuò)散必須通過這一層薄膜，從而使此后的水泥水化受擴(kuò)散控制，水化速度減慢，因此，水膠比越大，水泥熟料的相對(duì)濃度越低，凝結(jié)時(shí)間也就越長(zhǎng)，尤其在施工現(xiàn)場(chǎng)給混凝土中擅自加水，很容易導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)過分緩凝，強(qiáng)度降低。 （6）環(huán)境溫度、濕度的影響 環(huán)境溫度高，水化反應(yīng)加速，混凝土凝結(jié)時(shí)間短；反之環(huán)境溫度低，混凝土的凝結(jié)時(shí)間要長(zhǎng)，甚至也可能使混凝土出現(xiàn)超緩凝。同樣，在干燥的環(huán)境下混凝土水分蒸發(fā)較快，混凝土凝結(jié)時(shí)間較短；在濕度較大的地區(qū)，混凝土凝結(jié)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。因此，隨著環(huán)境氣候的變化，混凝土施工也會(huì)出現(xiàn)異常凝結(jié)。 （7）人為因素 在拌制混凝土?xí)r，導(dǎo)致混凝土凝結(jié)異常的人為因素也不得不重視。比如攪拌站人員未按混凝土外加劑廠家外加劑使用說明要求摻用，也未進(jìn)行外加劑與水泥的適應(yīng)性試驗(yàn)，而是盲目多摻外加劑。以及工作中出現(xiàn)的失誤：將水泥誤當(dāng)粉煤灰使用，或者將粉煤灰、礦粉誤當(dāng)水泥使用；外加劑混淆使用，將緩凝劑當(dāng)早強(qiáng)劑使用，或者將早強(qiáng)劑當(dāng)緩凝劑使用。甚至在混凝土澆筑過程中，施工人員看混凝土發(fā)干流動(dòng)性小擅自給混凝土加水等等。 通過對(duì)混凝土凝結(jié)異常的原因分析，提出以下幾項(xiàng)預(yù)防措施： （1）對(duì)進(jìn)場(chǎng)水泥進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，必要時(shí)對(duì)水泥熟料的組成、外摻料的使用、磨細(xì)顆粒級(jí)配、粉磨方法等進(jìn)行詳細(xì)的了解。進(jìn)場(chǎng)后的水泥，攪拌站或施工單位應(yīng)注重水泥的存放，防止將水泥長(zhǎng)期露天放置而吸潮結(jié)塊。 （2）在混凝土生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格把好原材料的質(zhì)量關(guān)，每種材料均要進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)合格后進(jìn)行使用，杜絕以次充好的材料出現(xiàn)，而且外加劑在使用前，必須要進(jìn)行外加劑與膠凝材料的適應(yīng)性試驗(yàn)，試驗(yàn)滿足要求后，方可確認(rèn)使用。最后，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)好的混凝土配合比進(jìn)行計(jì)量。 （3）混凝土攪拌站的攪拌樓要按強(qiáng)制檢驗(yàn)的規(guī)定對(duì)計(jì)量系統(tǒng)中所有的秤進(jìn)行檢驗(yàn)，并且根據(jù)情況的需要對(duì)某個(gè)或幾個(gè)秤進(jìn)行日常維護(hù)檢驗(yàn)。避免由于設(shè)備的誤差導(dǎo)致混凝土各種組分的計(jì)量準(zhǔn)確性失控，從而影響混凝土的正常凝結(jié)。 （4）攪拌站、各工地試驗(yàn)室以及從事混凝土相關(guān)操作人員都應(yīng)進(jìn)行崗前培訓(xùn)，了解混凝土及外加劑相關(guān)知識(shí)，嚴(yán)格按照混凝土配合比以及外加劑使用說明進(jìn)行操作。在操作過程中，不可疏忽馬虎，出現(xiàn)用錯(cuò)材料的現(xiàn)象。在施工現(xiàn)場(chǎng)，嚴(yán)格禁止為了增加混凝土的坍落度而擅自加水。 （5）根據(jù)混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫濕度條件，及時(shí)對(duì)混凝土施工進(jìn)行合理的調(diào)整。比如夏天施工應(yīng)避開高溫時(shí)段，但必須在炎熱氣候下施工時(shí)，由于混凝土?xí)崆澳Y(jié)，應(yīng)摻加適量的緩凝劑。反之，冬期施工時(shí)，要靠防凍劑的功效來滿足混凝土的施工要求了。
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