基于温度的预拌水泥混凝土坍落度经时损失的试验研究

李 俊，孙 妮

(1.长安大学 公路学院;2.长安大学 材料科学与工程学院)

1 引 言

预拌水泥混凝土采用先进的工艺技术，实行专业化生产管理，在保持良好的混凝土质量的同时，又能实现混凝土商品化供给。凭借其质量好、工效高、环境污染少等优点，预拌混凝土是混凝土行业发展的大势所趋。然而，在实际工程应用中，由于混凝土拌制、运输、施工之间存在的时间跨度，导致预拌混凝土坍落度经时损失过大，无法保持其初始状态良好的工作性，进而影响了混凝土的施工质量，这一问题在掺加高效减水剂的新拌水泥混凝土中尤为突出。研究表明:水灰比、减水剂掺量、环境温度等是影响混凝土坍落度损失的主要因素，因此从温度着手，系统分析不同水灰比和减水剂掺量对混凝土坍落度损失的影响，为今后预拌水泥混凝土的生产应用提供一定的参考意义。

2 预拌水泥混凝土坍落度经时损失机理

研究表明:混凝土拌合物坍落度的变化，本质上是拌合物中水泥浆在水泥粒子的分散和凝聚作用下，其流动性的变化。目前，国际上比较认可的混凝土坍落度经时损失机理是日本学者服部健一研究发现的水泥粒子“物理凝聚”论，即水泥颗粒的物理凝聚是造成混凝土坍落度损失的主要因素。混凝土水泥颗粒的物理凝聚在混凝土水化过程中主要表现在以下两个方面。

(1)混凝土拌合物的水化反应，以及蒸发和吸附于水化物表面等原因消耗了较多的拌合用水，造成水泥颗粒的物理凝聚。

(2)水泥水化产生的Ca(OH)2、CSH 等水化产物，使新拌混凝土的粘度增大，造成水泥颗粒随时间延长而产生物理凝聚。

服部健一通过对水泥粒子作用机理进行深入研究，认为水泥颗粒的物理凝聚本质上是水泥粒子在布朗运动、重力等作用下，微粒之间的相互吸附、靠近，当超越图1(a)所示的势垒Vmax，水泥粒子就产生凝聚，如图1(b)所示。并且服部健一根据水泥粒子碰撞理论，给出了水泥粒子半衰期(即水泥粒子由于碰撞而减少一半的时间)的计算公式，如式(1)所示。

式中:K 为试验常数;a 为水泥粒子半径;W/C 为水灰比;ρa为水泥密度;T 为绝对温度;Vmax为势垒。

式(1)表征了混凝土拌合物坍落度经时损失的一般规律，从本质上分析了混凝土坍落度经时损失的作用机理。由式(1)可以看出:水泥粒子半衰期是一个与水灰比正相关、与温度负相关的指数函数。

3 混凝土坍落度损失试验分析

结合新拌混凝土坍落度经时损失的试验结果对混凝土坍落度损失机理进行进一步验证和探讨。

图1 水泥粒子间相互作用位能曲线

3.1 原材料

(1)水泥:秦岭P.O 42.5。

(2)细集料:洁净河砂，细度模数2.4。

(3)粗集料:级配碎石，粒径分别为4.75～9.5 mm、9.5～19 mm。

(4)水:普通自来水。

(5)外加剂:聚羧酸高效减水剂。

以上几种原材料技术指标均满足《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30－2003)要求。

3.2 试验方法

(1)水泥混凝土配合比。

根据是否掺加减水剂以达到控制坍落度的目的，设计两种试验方案，每种方案根据水灰比或减水剂掺量的不同，设计3 组不同配合比的混凝土。混凝土配合比设计结果如表1。

(2)试验方法。

表1 混凝土配合比设计结果

(3)试验温度。

选取3 组试验温度:5 ℃、20 ℃、40 ℃，用以表征新拌混凝土在冬季低温、标准温度、夏季高温下的施工条件。

(4)试验时间。

选取5 组试验时间:0 min、30 min、60 min、90 min、120 min，分别表征新拌混凝土从拌制到施工之间不同的时间间隔。

3.3 试验结果与分析

(1)不同水灰比新拌混凝土坍落度经时损失试验。

不同水灰比新拌混凝土坍落度经时损失试验结果如表2 所示。绘制不同温度下混凝土经时坍落度损失率曲线，分别如图2、图3、图4。

表2 不同水灰比新拌混凝土经时坍落度 mm

由图2、图3、图4 可以看出，不同水灰比混凝土的坍落度随着时间的延长均出现不同程度的降低，时间越长，坍落度损失率就越大，并且在相同时刻下，水灰比越小，混凝土坍落度损失率就越大。例如，从图3 可以看出，环境温度为20 ℃时，0.45 水灰比混凝土120 min 坍落度经时损失率45.0%，大于水灰比为0.55时的41.8%和水灰比为0.65 时的32.5%。在相同水灰比条件下，温度越高，混凝土在相同时刻时的坍落度损失率就越大，这一规律在其他水灰比条件下仍然成立。例如，从图2、图3、图4可以看出，水灰比为0.45 时，5 ℃环境温度下混凝土120 min 坍落度经时损失率35.0%，小于20 ℃环境温度下的55.0%和40 ℃环境温度下的80.0%。

图2 5 ℃环境温度下混凝土坍落度经时损失率

图3 20 ℃环境温度下混凝土坍落度经时损失率

图4 40 ℃环境温度下混凝土坍落度经时损失率

图5 5 ℃环境温度下混凝土坍落度经时损失率

图6 20 ℃环境温度下混凝土坍落度经时损失率

图7 40 ℃环境温度下混凝土坍落度经时损失率

(2)不同减水剂掺量新拌水泥混凝土拌合物坍落度经时损失试验。

不同减水剂掺量新拌混凝土拌合物坍落度经时损失试验结果如表3 所示。

表3 不同减水剂掺量新拌混凝土经时坍落度mm

绘制不同温度下混凝土经时坍落度损失率曲线，分别如图5、图6、图7。

由图5、图6、图7 可以看出，不同减水剂掺量混凝土的坍落度随着时间的延长均出现不同程度的降低，时间越长，坍落度损失率就越大，并且在相同时刻下，减水剂掺量越大，混凝土坍落度损失率就越大。例如，从图6 可以看出，环境温度为20 ℃时，不掺加减水剂混凝土60 min 坍落度经时损失率25.0%，小于减水剂掺量为0.5%时的46.7%和减水剂掺量为1.0%时的54.3%。通过对比不掺加减水剂与掺加减水剂坍落度经时损失率可以发现，温度对掺加减水剂混凝土坍落度经时损失的影响要远远大于为掺加减水剂时混凝土的坍落度经时损失。例如，40 ℃环境温度下，不掺加减水剂时30 min、60 min 坍落度损失率13.3%、33.3%，远小于减水剂掺量为0.5% 时的52.7%、69.1% 和减水剂掺量为1.0%时的57.6%、83.2;并 且 减 水 剂 掺 量 为0.5% 时，120 min 时坍落度损失率已经达到100.0%，减水剂掺量为1.0%时，90 min 时就已经达到100.0%。这是因为，掺入减水剂，特别是高效减水剂可以显著地降低混凝土中水泥浆体的屈服应力和粘度，进而增大新拌混凝土的流动性。但是，减水剂对水泥浆体屈服应力和粘度降低的作用随时间变化呈现减弱的趋势。并且随着时间不断的延长，这种趋势明显增强，造成新拌混凝土流动性迅速减小的后果。

此外，在相同减水剂掺量条件下，温度越高，混凝土在相同时刻时的坍落度损失率就越大，这一规律在其他减水剂掺量条件下仍然成立。例如，从图5、图6、图7 可以看出，减水剂掺量为1.0%时，5 ℃环境温度下混凝土120 min 坍落度经时损失率60.0%，小于20 ℃环境温度下97.1%和40 ℃环境温度下100.0%。

通过分析不同水灰比和不同减水剂掺量混凝土坍落度经时损失试验结果，我们发现，混凝土坍落度损失与环境温度呈正相关的关系，即环境温度越高，混凝土坍落度损失就越大。这是由于，温度越高，水泥粒子之间相互吸附、靠近的作用就越明显，这样就提升了水泥粒子的水化进度，加快了水泥粒子之间的物理凝聚，从而使得混凝土坍落度损失就越大;此外，环境温度越高，水泥混凝土拌合物中水分蒸发就越快，同样造成混凝土坍落度损失的后果。这一结论，与服部健一的研究成果完全吻合。

4 结 语

(1)水灰比越小，在相同的环境条件下，新拌混凝土坍落度损失就越大，因此在满足工作性和耐久性的前提下，应尽量选择较大的水灰比，这样可以有效地控制混凝土坍落度经时损失。

(2)掺加减水剂可以有效地提高新拌混凝土初始坍落度，但是减水剂对混凝土工作性的改善随着时间的延长显著减少，并且减水剂掺量越大，这种特点就越明显，因此，可以通过采用缓凝剂等其他外加剂以控制掺加减水剂的混凝土的坍落度损失。

(3)温度与新拌混凝土坍落度损失呈正相关的关系，并且高温时的坍落度损失要远大于低温时的坍落度损失。因此为了保证混凝土的质量，必须严格控制混凝土施工温度。

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