混凝土坍落度损失的机理、影响因素及控制措施

安夫宾 彭新成 董 明（青岛泰昊工程测试有限公司，山东 青岛266101）

混凝土从拌制后到浇筑,总需要一段运输、停放时间,这往往会使混凝土和易性变差,或称为坍落度损失。泵送混凝土坍落度具体要求视工程性质不同而异。坍落度过高或过低均会对工程质量产生影响。坍落度大虽然泵的输送效率高，但由于单位用水量大，混凝土压送过程会易产生离析并且易产生收缩裂缝，从而影响了工程质量。坍落度过低，造成泵送困难，有些不负责任的施工人员向混凝土中加水，增大了水灰比，降低了混凝土的强度，影响了工程质量，坍落度损失过快成为商品混凝土生产企业最为头疼的问题之一。因此，通过适当的技术手段控制混凝土的坍落度，减小混凝土坍落度的经时损失是目前混凝土科学中需要解决的中心技术问题之一。

1 混凝土坍落度损失机理

1.1 物理机理

1.1.1 用水量的影响

水泥完全水化大约需本身质量的23%的水，标准稠度用水量一般在25%~28%之间，但实际上混凝土拌和时加入的水量远大于此数，其中相当大一部分是由于改善浆体的流动性。新拌混凝土中水的存在有3种形式，即结合水、吸附水和自由水。结合水是由于化学反应被固定在水化产物中的水，吸附水则受到强烈的固体表面力场的作用，他们都成为固相的一部分，不能改善混凝土的流动性。对混凝土的流动性真正起作用的是自由水。在水泥水化过程中，自由水的不断减少导致坍落度损失。自由水减少的原因大致有以下几个方面。

（1）水泥水化。水泥水化是消耗水的反应，如1gC3A完全水化生成钙矾石需要1.73g水。另外，水泥水化使体系的固相表面积增大也会吸附更多的水。临近终凝时，结合水可以达到总用水量的4%~5%，吸附水则可以达到15%~20%。结合水和吸附水的增加，必然引起自由水的减少。

（2）水分损失。在施工过程中，混凝土中水分损失的主要原因是蒸发，水分蒸发的快慢与温度、湿度、风速及水的粘度等因素有关。

（3）集料吸水。集料的吸水一般被认为只发生于轻集料和多孔集料，事实上，普通集料也具有吸水的特性。

1.1.2 含气量的影响

新拌混凝土是固－液－气三相组成的体系，其中空气的含量约为1%~3%。空气以球形微细气泡的形式存在，吸附在固体颗粒的表面，如同摩擦很小且颇具弹性的细骨料，起到了“滚珠”或“轴承”的作用，减小了颗粒之间的摩擦阻力，使新拌混凝土容易流动。根据资料介绍，空气含量每增加1%，对坍落度的影响相当于增加用水量3.0%-3.5%。

1.1.3 高效减水剂的影响

高效减水剂的加入可以明显改善混凝土的坍落度损失，其作用机理主要有以下两方面。

①高效减水剂是一种表面活性剂，当高效减水剂掺入水泥混凝土中后，通过搅拌，水泥颗粒表面吸附高效减水剂分子，使得水泥粒子的Zeta电位提高。带电粒子之间存在静电斥力，阻止了带电水泥颗粒的凝聚，使得被包裹在水泥颗粒之间的自由水被释放出来，从而增大了混凝土拌和物的坍落度。

②水泥水化过程中，由于物理、化学分散，液相中的粒子增多，分散的粒子由于布朗运动、重力、机械搅拌等，粒子表面吸附的高效减水剂减少，使得水泥颗粒之间Zeta电位降低，相互间作用位能下降，产生凝聚，引起混凝土的坍落度损失。

1.2 化学机理

水泥水化产生Aft、Ca（OH）2、CSH等水化产物，使新拌混凝土粘度增大是引起混凝土坍落度损失的主要原因。随着水泥水化产生Ca（OH）2、CSH等水化产物的进行，固相颗粒不断增加，颗粒之间的相斥力下降，降到一定程度后，网状结构形成，并随着数量的增加，内摩擦阻力相应增大，表现为坍落度损失。

2 影响坍落度损失的因素

2.1 环境温度的影响

温度升高会使混凝土坍落度损失增大，这是水泥水化过程加快的结果。因此高温季节施工的混凝土尤其是要控制坍落度的损失。天气干燥，水分容易蒸发，也促使坍落度损失。

2.2 外加剂加入时间的影响

目前外加剂加入方法主要有同掺法和滞水法两种，同掺法是指外加剂与水一同加入的方法，滞水法是先加水搅拌后再加入外加剂的方法，经试验表明，滞水法的坍落度保持性要优于同掺法，目前，有的商品混凝土公司还采用分次加入外加剂的方法也取得了良好的效果。

2.3 水泥品种及用量

水泥的矿物组成不同会影响减水剂的坍落度损失，因为水泥中不同的矿物组分对减水剂的吸附能力有大有小。水泥中几种主要矿物组分对减水剂的吸附能力顺序如下：

C3A＞C4AF＞C3S＞C2S

在水泥加水和外加剂搅拌后，外加剂随之被吸附到水泥颗粒表面，按上述顺序减水剂很快被吸附到C3A和C4AF表面，而水泥水化的顺序也是C3A＞C4AF＞C3S＞C2S，并且C3S和C2S两种组分含量在水泥总组分中含量最高。因此，C3A、C4AF首先吸附减水剂迅速水化，而占水泥矿物组分绝大部分的C3S和C2S开始吸附，水化时液相中外加剂的浓度已变得很低。并且随着水化时间的延续，水泥颗粒表面的电位值减小。因而混凝土和易性变差，坍落度下降。所以，对于C3A和C4AF含量高的水泥，即表现为混凝土的坍落度损失要更大些，即平常所说的水泥适应性不好。

另外，水泥用量过高和过低都会影响混凝土的坍落度，水泥用量过高，造成拌和物粘性较大，坍落度过小，如果水泥用量过低，拌和物中水泥浆料过低，造成拌和物的和易性较差，易产生泌水及离析，不利于泵送施工，所以配合比设计时应选择好合理的水泥用量。

2.4 骨料的级配及砂率的影响

粗集料如果不是连续级配而是单粒级，则会造成拌和物的和易性较差，易产生泌水离析等问题。细骨料过粗，同样会造成拌和物的和易性变差，如果过细，则细骨料的比表面积增大，会加大对水分的吸收，所以相同用水量时，表现为坍落度变小。另外，砂率也会对坍落度产生影响，砂率过低，细集料的含量小，造成混凝土拌和物和易性较差，如果砂率过高，细集料的含量大，相应的比表面积大，则对水分的吸收也增大，所以砂率过大对混凝土拌和物的坍落度不利。

2.5 掺和料和外加剂的影响

外加剂的种类繁多，用于泵送混凝土中的主要有减水剂和泵送剂。外加剂的选择对混凝土的坍落度的损失控制可以说起决定性作用，所以，在实际应用之前，一定要用现场的原材料与外加剂做适应性试验，选择与水泥适应性良好的外加剂使用。

3 混凝土坍落度损失的控制

坍落度损失是不可避免的，因为这是水泥水化的内在要求，即在相当短的时间内凝结硬化。因此，正确而恰当的方法也难以保证混凝土在2h内坍落度损失为0，但通过合适的技术手段却可以尽量减少坍落度的损失。

根据以往的工程实践及笔者的经验，解决坍落度损失的方法大致有以下几种。

3.1 采用复合高效减水剂

在高效减水剂中复合一些其它外加剂是目前国内外控制混凝土坍落度损失的一种最简便、最常用且效果显著的措施之一。

实践和研究证明，高效减水剂与缓凝剂复合使用，可以使混凝土在施工浇筑前不因水化而明显降低流动性，有助于解决坍落度损失问题。常用的缓凝剂主要有以下几种：

⑴糖类：糖钙、葡萄糖酸盐等

⑵木质素磺酸盐类：木质素磺酸钙、木质素磺酸纳等

图6的每条T2分布曲线代表测试的试样总孔隙中的含水量，即反映了试样的总孔隙率；各孔径区间的占比也可通过对T2谱的面积积分得出。由图6可知，各试样的T2曲线分布都包含1个主峰和1～2个次峰，且各试样的分布曲线主峰大部分分布在微毛细孔。主峰的峰高和峰面积均远大于次峰，分布多跨越了3个数量级，占据优势地位。对比组1的主峰峰值较高，且次峰也都覆盖于第2、3、4和5等其它4组混凝土的次峰上，与总孔隙率及水和气体渗透性反映的规律相同。

⑶羟基羧酸及其盐类：柠檬酸、酒石酸钾钠等

⑷无机盐类：锌盐、磷酸盐等

⑸其它：胺盐及其衍生物、纤维素醚等

但应用缓凝剂时也要特别注意几个问题：

①缓凝剂宜用于日最低气温5℃以上施工的混凝土中，因为气温较低时，本身水泥的水化速度变慢，加入缓凝剂后，则更延长了混凝土的凝结时间，会影响施工速度和进程。

②当掺用含有糖类及木质素磺酸盐物质的外加剂时，应先做水泥适应性试验，合格后方可使用，因为用硬石膏或用工业副产石膏作调凝剂的水泥，掺用上述二类缓凝剂会引起混凝土拌和物速凝。造成拌和物无法施工。

③缓凝剂的掺量一定要计量准确，以往的工程实践中，曾经出现过因缓凝剂超掺造成混凝土长时间不凝结的质量事故。

另外，在高效减水剂中加入一定量的引气剂，加入混凝土拌和后，会在混凝土拌和物中引入大量微小的封闭气泡，这些气泡起到了“滚珠”的作用，减少了颗粒之间的摩擦阻力，使新拌混凝土容易流动，也可以有效地减小坍落度损失。目前，常有的引气剂主要有：

①松香树脂类：松香热聚物、松香皂；

②烷基和烷基芳烃磺酸盐类：十二烷基磺酸盐。

但加入引气剂也应该严格控制其产量，在混凝土中引入大量微小气泡固然可以有效地减少坍落度的经时损失，但混凝土的含气量过大则会降低其强度，实践证明，混凝土的含气量控制在5%以内，对其强度不会造成大的降低，如果超过这一限值，含气量每增加1%，混凝土的强度则会降低3%~5%。

3.2 分次添加高效减水剂

将高效减水剂分两次添加是一种有效地控制坍落度损失的方法。第二次加入减水剂，可以弥补液相被消耗掉的高效减水剂，从而使混凝土坍落度得到一定的恢复。根据高效减水剂的减水效率和水泥的活性，高效减水剂的初次掺量一般为总掺量的60%~75%。实践证明，两次添加高效减水剂是解决由于运输时间过长或气温过高等原因引起坍落度损失过大的有效措施。必要时可采用多次添加高效减水剂的方法减少坍落度损失。

3.3 选用新型高效减水剂

新一代高效减水剂的开发应用为混凝土坍落度损失的控制提供了有效的技术途径。近年来兴起的聚羧酸系高效减水剂，因其优良的性能而成为外加剂领域中受关注的热点，聚羧酸系高性能减水剂在对混凝土坍落度保持性能方面均优于萘系和脂肪族系高效减水剂。在发达国家，聚羧酸系高性能减水剂已经被广泛应用，在国内，也已经广泛应用在一些重大工程中，如京沪高速铁路、杭州湾跨海大桥、青岛海湾大桥等。

近年来，加拿大和日本等国家研究开发了一种反应型高分子物质，通过其缓慢释放控制混凝土的坍落度损失。这种缓慢释放的特征受化学反应控制，因此若能调节反应条件，就可以任意地控制其释放速度，从而达到控制混凝土坍落度损失的目的。

3.4 优选水泥

高效减水剂对水泥普遍存在适应性问题，因此可以在注意以下原则的基础上，做水泥－高效减水剂的适应性试验，选择净浆流动度损失小的水泥－高效减水剂组合。原则如下：

a.尽量避免选用C3A、C4AF含量高的和细度高的水泥。实验表明，水泥中C3A含量在5%~6%，C3S含量在50%~60%，水泥细度在2800~3000cm2/g时混凝土坍落度损失较小。

b.尽量避免选用硬石膏和氟石膏代替和部分代替二水石膏调凝的水泥和掺入采用这种石膏作为组分的混合材的水泥。

c.尽量少用立窑水泥，优先选用旋窑水泥。

3.5 优化配合比设计

主要包括以下几个方面：

⑴混凝土的胶凝材料总量不宜少于300kg/m3，不宜大于550 kg/m3。用量少，水泥浆量过小影响和易性，用量过大则增加了浆体的粘性，同样对坍落度的保持不利。

⑵混凝土的砂率宜为35%~45%，砂率过大增加了骨料的比表面积从而增加了吸水量，表现为相同单位用水量坍落度较低，砂率过小则影响拌和物的和易性易产生泌水离析等现象。

⑶适当增大混凝土的含气量，但含气量不宜超过5%。

⑷选用优质的掺和料 在选用粉煤灰、矿渣粉等掺和料时，应选用需水量比小的颗粒形状圆滑、细度不宜过高的优质掺和料。由于掺和料在拌和物中起到的“滚珠”效应，也能有效地降低混凝土拌和物的坍落度损失。

通过以上技术措施可以在一定程度上减小混凝土的坍落度损失。但是混凝土材料本身的复杂性，决定了其不是一成不变的。如何采用经济有效的方法来控制混凝土坍落度经时损失仍是目前需要更好解决的应用技术问题之一。

[1]GB/T50080-2002，普通混凝土拌合物性能试验方法标准[S]。

[2]JGJ55-2000, 普通混凝土配合比设计规程[S]。