摘 要:介紹了混凝土中水的類型及特性,通過論述水及其相轉變對混凝土的影響,說明了水在混凝土形成過程中的重要作用,同時指出認識水在混凝土中宏觀、微觀的作用,對于提高混凝土的性能、做好混凝土的配合比設計及配制混凝土是至關重要的。
關鍵詞:混凝土,特性,結晶水,含水量,預熱養護
中圖分類號: TU528 文獻標識碼:A
水在混凝土配制及至達到設計強度的不同階段的作用對混凝土的性能具有正、負兩方面的影響,存在著不同階段從量變到質變的規律。
1 混凝土中水的類型及特性
1) 游離水:新拌混凝土存在于混凝土表面或砂、石、水泥顆粒之間的水膜,在初始狀態下為加入到混凝土中的全部用水量。游離水的正作用:a. 使混凝土具有流動性; b. 提供混凝土中水泥水化所需水;c. 維持與外界環境濕度下相平衡的含水量。游離水的負作用:a. 水的蒸發使混凝土中出現了毛氣孔,混凝土截面減小,強度降低;b. 游離水量超過“臨界數量”,由于“尖劈作用”,降低混凝土強度;c. 負溫度下凍結,嚴重損傷混凝土結構。
2) 毛細孔水:相對于游離水,由于冰點降低,可在負溫度下提供水泥水化所需的水,且容易保水,提供水泥后期水化的水。
3) 凝膠水:包括C2S2H ,C2A2H 凝膠水及Al (OH) 3 , Fe (OH) 3凝膠水等,凝膠水使膠體形成相互交錯的纖維。凝結主要是體系中膠體的凝結和緊密作用。
4) 結晶水: 主要是C3S2 ·3H2O , C3A·6H2O , C2S·nH2O 和C3A·3CaSO4·32H2O 等。硅酸鹽水泥水化物晶體的結晶水通常要占混凝土重量的4 %左右。結晶水亦不凍結,游離水轉化成結晶水對混凝土也是有利的。
2 常溫下水的作用
2. 1 作為流動相的水
新拌水泥混凝土的流動性雖受懸浮粒子濃度大小的影響,但水起著決定性的作用,是確保混凝土和易性必不可少的條件,也是混凝土配合比設計計算的一個步驟;膠體是在液相中形成的,膠體粒子受凝聚狀態的影響很大,凝聚狀態受混合料攪拌條件、水泥化學礦物組成及細度等因素的影響。
2. 2 AE 劑、減水劑和水
水的容重與水泥、骨料相比小得多,粘稠凝聚體系中形成三維立體結構方能保證砂漿、混凝土的流動性和抗離析性。AE 劑分布在氣—液界面,減水劑分布在固—液界面,使界面性質發生變化,并生成穩定氣泡,使粒子分散,水泥水化點增多,但這些效應均是由于AE 劑、減水劑溶于水中反復運動,形成憎水基、親水基作用于氣—液界面、固—液界面的結果。AE 劑、減水劑在干硬混凝土中作用甚小,以致消失,就是水含量小于臨界值的緣故。
2. 3 加壓慣性力與水分重分布
流態混凝土泵送,水受離心壓力作用擠入骨料空隙中,引起水分重新分布,導致失水、堵管,使用AE(引氣) 型減水劑、泵送劑使浮游在水中的粒子和氣泡凝聚成集合體,浮變性和“滾珠”作用,使混凝土保持良好的泵送性能。
2. 4 作為振動傳播相的水
混凝土施工中,常使用振動器(棒式或平板式) 搗實成型,振動器的功是通過水傳播的,水成為混凝土拌合物振實的媒介。
2. 5 作為反應物質的水
水既是與水泥反應的物質,同時作為反應場,提供生成物質的填充空間,隨著反應的進行,水占領的空間減小,由于毛細管凝縮,其存在的位置也起變化。
水泥水化階段的兩個重要特點:
1) 水化初始階段未水化水泥具有水化生成固體體積的1. 6 倍的體積,隨著水化的進行,水化的反應生成物、固體和水的體積比例增加,變成新的固體膠。
2) 當水化生成物的體積占反應前水泥及其與水泥反應的水總體積的90 %左右時,稱作硬化收縮或化學收縮。
2. 6 混凝土硬化和養護的水
由于混凝土有“濕脹干縮”特點,保水養護極其重要。1) 防止水分轉移,不影響水泥水化硬化;2) 防止干燥收縮導致裂紋。養護水對混凝土強度增長和提高耐久性具有重要的意義。
2. 7 作為毛細管張力傳遞媒介的水
無論是混凝土的干燥收縮還是自行收縮,均為毛細管張力引起固相變形所致,水則是毛細管張力的傳遞媒介,采用干燥收縮抑制劑可降低混凝土中液相表面張力,能有效減少收縮。
2. 8 作為空氣隔斷相的水
混凝土的透氣性由于含水率不同而有較大變化。因為水具有空氣隔斷相的功能,而空氣中的CO2 能夠溶于水中,加f蒧隚快了混凝土的碳化。
1) 水的相轉變伴生9 %的體積增大。根據統計資料和我國寒地建設研究院實驗,將產生204 N/ mm2～240 N/ mm2 壓力,對混凝土造成嚴重破壞。
2) 積聚在粗骨料周圍的游離水在負溫下形成“冰夾層”,影響水泥石與骨料的粘結強度。弗格蘭德研究認為將降低強度13 %。
3)水分轉移加之負溫下水泥水化緩慢,致使混凝土結構酥脆。首先應明了,水泥在負溫下的水化不外乎依靠低冰點的毛細水,防凍劑能夠降低混凝土溶液冰點,推動水泥在負溫下初始水化。接著產生水泥水化熱復合防凍劑帶來的微膨脹,形成早強“抗凍結構”的綜合效應。于是相應的對策是:a. 最大限度減少混凝土中的游離水。b. 采取高壓振動、重復振動或引入膨脹劑等措施改善混凝土中毛細水結構。c. 水泥預水化或熱水攪拌延長攪拌時間,促進游離水轉化為凝膠水、結晶水,結晶水是不凍結的。d. 覆蓋養護或混凝土預熱養護,也可緩解凍害;不同預熱養護時間的可凍結水及強度損失見表1 。
由表1 可看出,如預熱養護36 h ,則- 10 ℃凍結,混凝土強度損失可降低至7. 4 %。
仍需著重強調的是:由于冬季施工混凝土本身內外溫度梯度大,內部溫度高有較高壓力,表面溫度低有較低壓力,水分易于向表面移動,向四周散失,所以覆蓋一層薄膜塑料,再加1 層～2 層草墊“保溫”是非常必要的。冬季施工采用綜合蓄熱法養護混凝土是最為合理的。
4 工程實例
滄黃高速公路八合同段在施工預應力混凝土箱梁過程中,發現部分箱梁頂板出現收縮裂紋,分析原因有:1) 夏季中午澆筑混凝土,氣溫非常高,溫差較大,造成混凝土收縮開裂。2) 新拌混凝土含水量偏大,自由水較多,在快速蒸發的情況下,水的表面張力過大,引起混凝土收縮開裂。
根據以上原因分析,施工單位采取了相應措施:1) 避免在夏季氣溫非常高的上午9 :00～15 :00 之間澆筑混凝土,混凝土澆筑完成,及時覆蓋養生。2) 加入減水劑,增加混凝土的和易性,盡量減少自由水的含量。
通過采取以上措施,解決了預制混凝土箱梁頂板產生收縮裂縫的問題。通過論述水及其轉變相對混凝土的影響,說明了水雖然在混凝土的形成過程中起了非常大的作用,但是過多的自由水無論是夏季還是冬季對混凝土的形成起了反作用,因此在進行混凝土的配合比設計時,應盡量減少自由水,同時施工時應加強養生,以確保混凝土的質量。
參考文獻:
[1 ]黃燕美. 大摻量粉煤灰混凝土性能研究[J ] . 山西建筑,2007 ,33 (1) :1782179.
