靜止狀態(tài)下混凝土骨料受浮力作用漂浮在水泥漿中,當在一定振動頻率和振幅作用下時,骨料粒徑小于界限值的時候,小粒徑部分顆粒將不會下沉填充到混凝土骨架本體中,反而會產(chǎn)生相對上浮運動到混凝土表面;
尤其是泵送混凝土和高流動性混凝土,在澆筑振搗后表面經(jīng)常會出現(xiàn)一層泡沫狀漿體,一般多為水泥、粉煤灰、礦粉、細骨料等組分與水、氣泡的混合物,俗稱“浮漿”。
浮漿是混凝土在澆筑過程中砂漿上浮、粗骨料顯著下沉而離析產(chǎn)生的結果,且往往與泌水伴隨發(fā)生,浮漿的存在會在一定程度上降低混凝土的表層強度、外觀質量和耐久性,在工程中迫切需要關注和重視。
本文在結合國內(nèi)外研究成果和有關工程實踐案例的基礎上,系統(tǒng)梳理分析了混凝土浮漿產(chǎn)生原因、危害以及相應的控制措施,旨在充分了解和分析浮漿產(chǎn)生原因的基礎上,
從混凝土原材料、配合比及施工等各個環(huán)節(jié)加以控制,最大限度地減少混凝土表面的浮漿問題,從而保證混凝土結構的質量與安全。
產(chǎn)生混凝土浮漿的原因很多,并且對于不同類型的工程及混凝土,浮漿產(chǎn)生的原因和機理也是有差別的。
通常情況下,混凝土浮漿的產(chǎn)生和混凝土種類、配合比、骨料質量、骨料級配、外加劑類型及摻量、摻合料種類及摻量、施工工藝、施工環(huán)境、施工管理等多種因素緊密相關。本節(jié)主要從混凝土原材料、配合比等方面介紹其對浮漿的影響機理。
2.1 原材料對浮漿的影響
(1)粉煤灰對浮漿的影響
粉煤灰已幾乎成為現(xiàn)代混凝土必不可少的組分,在混凝土中摻加粉煤灰,不但可以改善混凝土的和易性,還能達到降低混凝土的水化熱、改善混凝土的溫控和節(jié)約水泥的作用。
混凝土中采用粉煤灰替代部分水泥,就密度而言,粉煤灰的密度(約為2.1g/cm3)小于水泥(約為3.15g/cm3)。在振搗過程中,密度更小的粉煤灰較水泥上浮速度快,粉煤灰較水泥更易于在混凝土表面形成浮漿。
就細度而言,粉煤灰的比表面積一般為400~1200m2/kg,水泥的比表面積一般為300~350m2/kg,粉煤灰的顆粒粒徑較水泥顆粒小,且粉煤灰顆粒為珠狀玻璃體,從而粉煤灰的流動性和分散性能更好,粉煤灰較水泥更容易進入浮漿層。
因此,粉煤灰的摻加與混凝土表面浮漿呈現(xiàn)正相關性,即粉煤灰摻量越多,混凝土表面的浮漿也越明顯。
(2)外加劑對浮漿的影響
混凝土表面浮漿的形成,最直接原因是由于混凝土拌和物的粘聚性不夠,在進行混凝土振搗時,氣泡、水和粉煤灰等輕物質很容易上浮,形成浮漿。
外加劑對改善混凝土的性能起著很大的積極作用,如摻加引氣劑可以提高混凝土的抗凍性和耐久性,摻加泵送劑可以提高混凝土的和易性和流動性;
但部分外加劑的添加又加劇了浮漿的產(chǎn)生,特別是使用引氣劑和高分散性的母液外加劑,將加劇混凝土浮漿的產(chǎn)生,而添加消泡劑和增粘劑則又可以減少混凝土浮漿的形成。
因此,外加劑品種、類型和摻量的合理選擇對于改善與控制混凝土浮漿問題有著直接的效果。
(3)水泥品質對浮漿的影響
水泥過期、受潮以及在工程中使用性能不明的水泥等,均容易帶來外加劑適應性問題,出現(xiàn)混凝土離析、泌水等現(xiàn)象,繼而產(chǎn)生混凝土浮漿。
優(yōu)良的水泥品質是確?;炷涟韬臀镄阅艿那疤?,因此在使用過程中應尤其注意水泥保質期及儲存條件,及時加強性能檢測,確保水泥品質受控。
(4)骨料品質對浮漿的影響
骨料級配不良、含泥量或石粉含量、云母含量過高,這些都將影響混凝土拌和物的性能,易造成混凝土拌和物離析,進而產(chǎn)生浮漿。
骨料級配與其堆積密度、空隙率等緊密相關,骨料空隙率越大,在振搗過程中越容易出現(xiàn)漿體上浮的現(xiàn)象。
隨著天然砂資源的逐漸減少,目前工程建設過程中細骨料多采用人工砂,但人工砂在生產(chǎn)過程中不可避免地產(chǎn)生較多石粉,這與天然砂有著顯著的區(qū)別。
由前述可知,當在一定振動頻率和振幅作用下時,骨料粒徑小于界限值時,小粒徑部分集料將不會下沉填充密實混凝土骨架,反而會發(fā)生相對上浮,進而產(chǎn)生混凝土浮漿,因此細骨料中石粉含量或含泥量較高時,浮漿產(chǎn)生概率也大大增加。
此外,云母顆粒多呈薄片狀、密度相對較小而易在漿體中懸浮上升,因此當細骨料中云母含量較高或者石粉中云母含量較高時,也增加了表層漿體富集程度。
2.2 配合比參數(shù)對浮漿的影響
優(yōu)良的配合比是保證混凝土拌和物性能的基礎,實際工程實踐中經(jīng)常因為配合比設計不合理,而出現(xiàn)混凝土坍落度、保水性等性能不佳,伴隨發(fā)生漿骨分離,從而引起混凝土浮漿產(chǎn)生。
一般而言,砂率、單位用水量、水灰比等配合比設計參數(shù)均對混凝土的浮漿有著較大影響。
(1)單位用水量的影響
混凝土單位用水量直接影響混凝土的粘聚性、保水性,從而產(chǎn)生泌水性浮漿。由混凝土表面浮漿的形成可知,浮漿是水泥、粉煤灰、礦粉等單一組分或多組分與水的混合物,即水是浮漿的重要組成部分。
在進行混凝土的振搗作業(yè)時,混凝土中的水與骨料形成較大的相對運動,水的上浮速度遠大于骨料的下沉速度(比值約5.6倍),高速上浮的水和氣泡攜帶輕物質的固體顆粒(如粉煤灰)移動至混凝土表面形成浮漿。
很明顯,單位用水量越多、混凝土的坍落度越大,混凝土表面的浮漿就越明顯。
(2)水灰比的影響
水灰比決定水泥漿的稠度。在水泥用量不變的情況下,增大水灰比會使混凝土拌和物的流動性加大。水灰比過大,造成混凝土拌和物的粘聚性和保水性不良而產(chǎn)生流漿、離析現(xiàn)象;因此,水灰比是影響混凝土浮漿的另一個主要因素。
(3)砂率的影響
若砂率過大,則骨料的總表面積及空隙率增大,混凝土混合物就顯得干稠,流動性小,如要保持一定的流動性,則要多加水泥漿,增大單位用水量。
若砂率過小,砂漿量不足,不能在粗骨料的周圍形成足夠的砂漿層起潤滑和填充作用,也會降低拌合物的流動性,使混凝土拌和物的粘聚性、保水性變差,使混凝土拌合物顯得粗澀,粗骨料離析,水泥漿流失。
因此,砂率的過大或過小,都會導致混凝土的單位用水量增大,進而影響混凝土表面浮漿的富集程度。
在工程實踐中,往往影響混凝土浮漿的上述多種因素是疊加出現(xiàn)的,這將導致混凝土的浮漿問題異常顯著。
如某電站施工過程中,由于骨料石粉含量較高、導致混凝土粘稠性大,現(xiàn)場采用泵送混凝土入倉的澆筑方式時,為了滿足正常的施工性能,混凝土所用坍落度高達200~220mm;以致混凝土在施工中浮漿問題異常顯著。
浮漿對混凝土結構的危害主要表現(xiàn)在表面干縮大、易開裂、影響構件強度和層間粘結力等方面。從淺層來講,浮漿中水的含量比例很大,浮漿層在硬化的過程中,水分揮發(fā),體積收縮較混凝土實體體積收縮加劇,表面極易產(chǎn)生裂縫,影響混凝土構件的外觀質量。
從深層而言,浮漿問題造成混凝土內(nèi)各原材料分布不均勻?;炷恋膹姸仁墙⒃诟鞣N原材料均勻分布的基礎上,如果表面浮漿過多,那么混凝土內(nèi)部膠凝材料含量相應減少,這將直接影響到混凝土構件的整體強度,甚至會造成局部出現(xiàn)貫穿型裂縫的現(xiàn)象,影響到混凝土內(nèi)部的質量。
3.1 浮漿與混凝土開裂的關系
浮漿中水所占比例遠大于普通混凝土中水所占比例,因此浮漿層在硬化過程中水分揮發(fā)更快、更明顯,其體積收縮遠大于混凝土實體的體積收縮(即浮漿層干縮更明顯),表面極易產(chǎn)生干縮裂縫。
干縮裂縫一旦形成,在外界環(huán)境惡化下,干縮裂縫極易誘導向深層發(fā)展,甚至形成貫穿性裂縫。如某水電站尾水隧洞底板混凝土于2018年5月2日正式開始進行底板混凝土澆筑施工,截止2018年11月底,兩條尾水洞共計完成底板混凝土澆筑77倉。
由于該水電站骨料石粉含量大,混凝土粘性較大,尾水洞混凝土采用泵送澆筑方式;施工中為了獲取較好的混凝土施工性能,混凝土采用大坍落度(180~210mm)。
導致該電站尾水洞底板混凝土在澆筑過程中表面浮漿現(xiàn)象較顯著、且一直未得到有效解決;
現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)尾水洞底板混凝土澆筑一段時間后,首先在底板小邊墻多見表面干縮小裂紋,小裂紋隨著混凝土的齡期增長逐漸擴展,進而向底板延伸貫穿,最終致使部分倉號形成貫穿性裂縫。
據(jù)統(tǒng)計,截止2018年12月初,該電站尾水洞底板已澆筑的77倉混凝土中存在裂縫的倉號共有37倉,裂縫率高達48.1%;可見浮漿的存在是混凝土開裂的一個重要誘因。
究其機理,在干燥環(huán)境中的混凝土澆注后,表面的水要逐漸蒸發(fā)。如果泌出水的速度低于蒸發(fā)速度,表面混凝土將由于失水、干縮,在塑性狀態(tài)下開裂。
這是由于混凝土表面區(qū)域受約束產(chǎn)生拉應變,而這時它的抗拉強度幾乎為0,所以形成塑性收縮裂縫。
這種裂縫與環(huán)境條件有密切的關系:當混凝土受環(huán)境溫度高、相對濕度小、風大、太陽輻射強烈,以及以上幾種因素的組合作用,更容易出現(xiàn)開裂。為此,混凝土澆筑后盡早開始保濕養(yǎng)護顯得尤為重要。
3.2 浮漿對混凝土強度的影響
混凝土表面浮漿問題將改變混凝土內(nèi)各原材料的設計配比,同時也打亂混凝土中各原材料分布的均勻性。
混凝土的強度是建立在各原材料設計配比和其均勻分布的基礎上的,如果混凝土表面浮漿過多,那么混凝土內(nèi)部膠凝材料含量將相應減少,這將直接影響到混凝土構件的整體強度。
另外,從浮漿的形成可知:表面浮漿層的存在,使混凝土構件從上到下(由浮漿層向構件底部方向)粗骨料逐漸增多,而水泥漿等膠凝材料相應地逐漸減少,這勢必導致混凝土構件強度分布的不均勻性,即表層強度低、且脆性大,而底部強大、脆性小、且骨料易于架空,出現(xiàn)質量隱患和缺陷。
3.3 浮漿對混凝土層間粘結強度的影響
由于浮漿層基本沒有粗骨料,且水膠比相對較大,對于分層澆筑的混凝土構件而言,浮漿層的存在將嚴重影響混凝土的層間結合質量。
若直接在浮漿層上澆筑上一層混凝土的話,上下層混凝土將不能粘結成整體。因此,對于存在浮漿層的水平施工縫則需進行特殊處理。
3.4 浮漿對混凝土耐久性
一方面,混凝土振搗過程中水分上浮形成表面浮漿的過程中,在混凝土內(nèi)留下泌水“通道”,這些“通道”將增加混凝土的滲透性;而鹽溶液和水分以及有害物質容易通過這些“通道”進入混凝土中,從而降低混凝土的耐久性。
4.1 嚴控原材料品質
水泥、砂、石、水,混凝土形成的四大主材的質量必須嚴格控制。混凝土攪拌站采取自動化控制計量設備,確保配合比和計量準確無誤。
泵送混凝土水泥用量不小于300kg/m3,水灰比宜為0.4~0.6;當水灰比小于0.4時,混凝土的泵送阻力急劇增大,大于0.6時,混凝土則易泌水、分層、離析,也影響泵送。
泵送混凝土砂率要比普通混凝土增大,但是砂率過大,不僅會影響混凝土的強度,而且能增大收縮和裂縫,泵送混凝土砂率宜為35%~45%。
特別要注意單位用水量的控制,不得憑經(jīng)驗隨意更改;每盤混凝土攪拌后應檢測坍落度,C25泵送混凝土坍落度控制在12~18cm,達標后才可泵送。
4.2 優(yōu)化配合比設計
(1)嚴格控制粉煤灰等輕物質的摻量
由浮漿的形成原理可知,粉煤灰等輕物質材料對混凝土表面浮漿的形成有積極的貢獻作用。
為此,為了盡量減少混凝土表面浮漿現(xiàn)象及其厚度,在進行混凝土配合比設計時,在滿足混凝土相關性能的前提下,應嚴格控制粉煤灰的摻量;同時,對于粗骨料中的石粉、云母等輕物質含量也需嚴格加以控制。
(2)選用低坍落度的混凝土
由于混凝土的坍落度越大,混凝土表面浮漿的現(xiàn)象越明顯。理論上講,減少浮漿現(xiàn)象最有效的辦法是降低混凝土的坍落度。
《混凝土質量控制標準》(GB50164-2013)第3.1.3條明確規(guī)定“混凝土拌和物應在滿足施工要求的前提下,盡可能采用較小的坍落度;泵送混凝土拌和物坍落度設計值不宜大于180mm。”
在工程實踐中,由于坍落度的大小與混凝土的施工方式密切相關。為此,在施工中需提前謀劃,在施工組織設計時應選擇合適的澆筑方式,首選布料機、吊罐、溜筒等低坍落度的澆筑方式,盡量避免采用泵送等大坍落度的澆筑方式。
(3)添加增粘劑等外加劑
在配合比設計時,為了減小混凝土表面的浮漿問題,除了控制粉煤灰摻量外,還可以輔助添加消泡劑和增粘劑等消除浮漿形成的外加劑,從而減少浮漿形成;另外,混凝土配合比設計時還應注意避免使用高引氣和高分散性母液的外加劑。
4.3 澆筑施工管控措施
(1)規(guī)范現(xiàn)場施工行為
及時清除倉內(nèi)積水?;炷灵_倉前,倉內(nèi)積水必須清理干凈。如果存在滲漏點,必須在附近設置集水坑,采取相應的排水設備進行排水。
常規(guī)情況下,在泵送前需要用砂漿潤滑泵送管道,開始階段的水及稀砂漿必須排出,嚴禁直接打入倉內(nèi)。
(2)合理控制混凝土的振搗時間和工藝
混凝土在進行振搗作業(yè)時,粉煤灰等輕物質顆粒極易上浮進入浮漿,延長振搗時間只會加劇表層浮漿和離析泌水現(xiàn)象。
因此,摻加有粉煤灰等輕物質的混凝土的振搗時間應較普通混凝土稍短一些;建議在混凝土澆筑前開展工藝性生產(chǎn)性試驗,以便確定最優(yōu)的振搗時間等混凝土澆筑參數(shù)。
(3)收倉前人工清除處理
為了消除混凝土表層浮漿,澆筑過程中的工程處理措施除了合理控制混凝土的振搗時間外,必要時在每一澆筑坯層振搗完成后、上一坯層澆筑前,采用人工清除表層浮漿的方式也是一種行之有效的工程處理措施。
但該措施的關鍵得益于工程技術人員的責任心是否到位和相關方需要重新調整混凝土澆筑過程中的損耗率。
綜上可見,混凝土的浮漿危害頗多,工程實踐中影響混凝土浮漿的因素又是多方面的,從粗細集料的粒徑、質量、級配,水泥的質量、外加劑適應性、摻合料選擇到配合比設計、施工工藝等。
總體而言,混凝土浮漿的產(chǎn)生無法避免,但可以在充分了解和分析浮漿產(chǎn)生原因的基礎上,從各個環(huán)節(jié)加以控制,尤其需要嚴把原材料選擇和配合比設計等源頭關;
另外,可輔以選擇合適的澆筑方式,加強工程技術人員的質量意識和責任心的宣貫教育,多渠道嚴格控制混凝土拌和物的質量,從而降低混凝土浮漿產(chǎn)生的可能性,以保障混凝土施工質量。