摘 要:介绍了混凝土中水的类型及特性,通过论述水及其相转变对混凝土的影响,说明了水在混凝土形成过程中的重要作用,同时指出认识水在混凝土中宏观、微观的作用,对于提高混凝土的性能、做好混凝土的配合比设计及配制混凝土是至关重要的。
关键词:混凝土,特性,结晶水,含水量,预热养护
中图分类号: TU528 文献标识码:A
水在混凝土配制及至达到设计强度的不同阶段的作用对混凝土的性能具有正、负两方面的影响,存在着不同阶段从量变到质变的规律。
1 混凝土中水的类型及特性
1) 游离水:新拌混凝土存在于混凝土表面或砂、石、水泥颗粒之间的水膜,在初始状态下为加入到混凝土中的全部用水量。游离水的正作用:a. 使混凝土具有流动性; b. 提供混凝土中水泥水化所需水;c. 维持与外界环境湿度下相平衡的含水量。游离水的负作用:a. 水的蒸发使混凝土中出现了毛气孔,混凝土截面减小,强度降低;b. 游离水量超过“临界数量”,由于“尖劈作用”,降低混凝土强度;c. 负温度下冻结,严重损伤混凝土结构。
2) 毛细孔水:相对于游离水,由于冰点降低,可在负温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) 凝胶水:包括C2S2H ,C2A2H 凝胶水及Al (OH) 3 , Fe (OH) 3凝胶水等,凝胶水使胶体形成相互交错的纤维。凝结主要是体系中胶体的凝结和紧密作用。
4) 结晶水: 主要是C3S2 ·3H2O , C3A·6H2O , C2S·nH2O 和C3A·3CaSO4·32H2O 等。硅酸盐水泥水化物晶体的结晶水通常要占混凝土重量的4 %左右。结晶水亦不冻结,游离水转化成结晶水对混凝土也是有利的。
2 常温下水的作用
2. 1 作为流动相的水
新拌水泥混凝土的流动性虽受悬浮粒子浓度大小的影响,但水起着决定性的作用,是确保混凝土和易性必不可少的条件,也是混凝土配合比设计计算的一个步骤;胶体是在液相中形成的,胶体粒子受凝聚状态的影响很大,凝聚状态受混合料搅拌条件、水泥化学矿物组成及细度等因素的影响。
2. 2 AE 剂、减水剂和水
水的容重与水泥、骨料相比小得多,粘稠凝聚体系中形成三维立体结构方能保证砂浆、混凝土的流动性和抗离析性。AE 剂分布在气—液界面,减水剂分布在固—液界面,使界面性质发生变化,并生成稳定气泡,使粒子分散,水泥水化点增多,但这些效应均是由于AE 剂、减水剂溶于水中反复运动,形成憎水基、亲水基作用于气—液界面、固—液界面的结果。AE 剂、减水剂在干硬混凝土中作用甚小,以致消失,就是水含量小于临界值的缘故。
2. 3 加压惯性力与水分重分布
流态混凝土泵送,水受离心压力作用挤入骨料空隙中,引起水分重新分布,导致失水、堵管,使用AE(引气) 型减水剂、泵送剂使浮游在水中的粒子和气泡凝聚成集合体,浮变性和“滚珠”作用,使混凝土保持良好的泵送性能。
2. 4 作为振动传播相的水
混凝土施工中,常使用振动器(棒式或平板式) 捣实成型,振动器的功是通过水传播的,水成为混凝土拌合物振实的媒介。
2. 5 作为反应物质的水
水既是与水泥反应的物质,同时作为反应场,提供生成物质的填充空间,随着反应的进行,水占领的空间减小,由于毛细管凝缩,其存在的位置也起变化。
水泥水化阶段的两个重要特点:
1) 水化初始阶段未水化水泥具有水化生成固体体积的1. 6 倍的体积,随着水化的进行,水化的反应生成物、固体和水的体积比例增加,变成新的固体胶。
2) 当水化生成物的体积占反应前水泥及其与水泥反应的水总体积的90 %左右时,称作硬化收缩或化学收缩。
2. 6 混凝土硬化和养护的水
由于混凝土有“湿胀干缩”特点,保水养护极其重要。1) 防止水分转移,不影响水泥水化硬化;2) 防止干燥收缩导致裂纹。养护水对混凝土强度增长和提高耐久性具有重要的意义。
2. 7 作为毛细管张力传递媒介的水
无论是混凝土的干燥收缩还是自行收缩,均为毛细管张力引起固相变形所致,水则是毛细管张力的传递媒介,采用干燥收缩抑制剂可降低混凝土中液相表面张力,能有效减少收缩。
2. 8 作为空气隔断相的水
混凝土的透气性由于含水率不同而有较大变化。因为水具有空气隔断相的功能,而空气中的CO2 能够溶于水中,加f蒧隚快了混凝土的碳化。
1) 水的相转变伴生9 %的体积增大。根据统计资料和我国寒地建设研究院实验,将产生204 N/ mm2～240 N/ mm2 压力,对混凝土造成严重破坏。
2) 积聚在粗骨料周围的游离水在负温下形成“冰夹层”,影响水泥石与骨料的粘结强度。弗格兰德研究认为将降低强度13 %。
3)水分转移加之负温下水泥水化缓慢,致使混凝土结构酥脆。首先应明了,水泥在负温下的水化不外乎依靠低冰点的毛细水,防冻剂能够降低混凝土溶液冰点,推动水泥在负温下初始水化。接着产生水泥水化热复合防冻剂带来的微膨胀,形成早强“抗冻结构”的综合效应。于是相应的对策是:a. 最大限度减少混凝土中的游离水。b. 采取高压振动、重复振动或引入膨胀剂等措施改善混凝土中毛细水结构。c. 水泥预水化或热水搅拌延长搅拌时间,促进游离水转化为凝胶水、结晶水,结晶水是不冻结的。d. 覆盖养护或混凝土预热养护,也可缓解冻害;不同预热养护时间的可冻结水及强度损失见表1 。
由表1 可看出,如预热养护36 h ,则- 10 ℃冻结,混凝土强度损失可降低至7. 4 %。
仍需着重强调的是:由于冬季施工混凝土本身内外温度梯度大,内部温度高有较高压力,表面温度低有较低压力,水分易于向表面移动,向四周散失,所以覆盖一层薄膜塑料,再加1 层～2 层草垫“保温”是非常必要的。冬季施工采用综合蓄热法养护混凝土是最为合理的。
4 工程实例
沧黄高速公路八合同段在施工预应力混凝土箱梁过程中,发现部分箱梁顶板出现收缩裂纹,分析原因有:1) 夏季中午浇筑混凝土,气温非常高,温差较大,造成混凝土收缩开裂。2) 新拌混凝土含水量偏大,自由水较多,在快速蒸发的情况下,水的表面张力过大,引起混凝土收缩开裂。
根据以上原因分析,施工单位采取了相应措施:1) 避免在夏季气温非常高的上午9 :00～15 :00 之间浇筑混凝土,混凝土浇筑完成,及时覆盖养生。2) 加入减水剂,增加混凝土的和易性,尽量减少自由水的含量。
通过采取以上措施,解决了预制混凝土箱梁顶板产生收缩裂缝的问题。通过论述水及其转变相对混凝土的影响,说明了水虽然在混凝土的形成过程中起了非常大的作用,但是过多的自由水无论是夏季还是冬季对混凝土的形成起了反作用,因此在进行混凝土的配合比设计时,应尽量减少自由水,同时施工时应加强养生,以确保混凝土的质量。
参考文献:
[1 ]黄燕美. 大掺量粉煤灰混凝土性能研究[J ] . 山西建筑,2007 ,33 (1) :1782179.
