【砼行论道】混凝土凝结时间异常问题(中)
【砼行论道】混凝土凝结时间异常问题（中）
2015-07-02
混凝土凝结时间异常问题分析
孙茂元
（天津市第三市政公路工程有限公司，天津 300112）
混凝土凝结过程，具体的讲就是，水泥、砂、石子、矿物掺合料、外加剂加适量的水经拌和形成一种可塑性的浆体，随着时间的推移，浆体逐渐失去流动性、可塑性，变为不流动的紧密的状态，最后，随着强度逐渐增加，发展为具有相当强度的石状固体。这一过程是一个复杂的物理和化学的过程；是水泥的凝结和硬化连续进行、不可截然分开的一个过程。这个过程所用的时间就是水泥混凝土的凝结时间，分为初凝时间和终凝时间。我国标准中按美国材料学会（ASTMC403）提出的贯入阻力试验来确定混凝土的凝结时间。认为在贯入深度为25mm 时，若压力与面积比为3.5MPa，则达到初凝；若压力与面积比为28MPa，则达到终凝。初凝时间大致相当于混凝土拌合物不再适于正常浇灌的时间，终凝时间接近于硬化开始的时间。凝结基本上由C3S 的水化作用所控制。在初凝以前新拌混凝土拌合物将失去一定的坍落度，而终凝之后一段时间内将获得适当的强度。
混凝土的凝结时间在施工中具有重要的意义，初凝时间不宜过短，终凝时间不宜过长。混凝土的初凝时间一般是根据水泥品种而定的，基本没有统一的时间，但是大致范围是2-3小时。如果加入早凝剂，初凝时间大致可以缩短到半小时；如果加入缓凝剂，初凝时间可以延长到5-10 小时。为保证水泥浆在施工过程中有足够的时间处于塑性状态，以便于有足够的时间来完成混凝土的搅拌、运输、浇捣等操作，国家标准规定了水泥的最短初凝时间为45min ；为使已形成工程结构形状的水泥浆尽早取得强度，以便能够承受荷载，国家标准规定水泥终凝时间不得迟于规定的时间。
然而，在实际工程中，随着矿物掺合料和外加剂在混凝土中的广泛使用，以及新型混凝土在土木工程中的广泛应用和特殊条件下的混凝土施工，混凝土异常凝结时有发生，轻则引起混凝土质量问题，重则引起严重的工程事故。混凝土的凝结时间异常一般表现为缓凝、速凝和假凝三种。缓凝的特征是：混凝土施工后，长时间不硬化或早期强度极低，甚至混凝土28d 强度达不到设计要求。速凝的特征是：水泥和水接触后浆体很快地凝结成为一种粗糙的、和易性差的混合物，并在大量放热的情况下很快凝固。假凝的特征是：水泥和水接触后几分钟内就发生凝固，且没有明显的温度上升现象，此时再次进行搅拌，仍可恢复塑性，用于浇注，能以通常形式凝结。
混凝土的凝结时间异常在实际工程中的危害主要有：其一、水泥混凝土在施工过程中，如果迅速凝结，对于大面积浇注的混凝土极容易产生冷缝。其二、在大体积混凝土施工时，如果混凝土凝结迅速，致使混凝土前期水化放热量集中，混凝土的内部温度升高很大，最终
形成较大的内外温差，使混凝土开裂。其三、泵送混凝土在施工过程中，若混凝土产生速凝，
则混凝土在输送过程中极易引起堵管和爆管。其四、混凝土在钻孔灌注桩施工过程中，如果混凝土在溜桶或导管中发生速凝，就会导致桩孔报废或其他严重的质量事故。其五、混凝土在浇注后，常常产生过分的缓凝现象，不仅阻碍了后续施工的进行，而且还使混凝土的强度降低了。
混凝土的凝结机理
混凝土的凝结时间与水泥的凝结时间，虽然由于骨料的掺入，水胶比的变动及外加剂的应用，使其存在一定的差异，但是混凝土的凝结过程还是主要靠水泥来完成的。也就是说，混凝土拌合物是通过水泥加水后的化学和物理化学作用凝结硬化而产生强度的。化学作用主要表现在：混凝土中水泥初期水化生成了许多胶体大小范围的纤维状晶体如C-S-H(B) 和一些大的晶体如Ca(OH)2 包裹在水泥颗粒表面。物理化学作用主要表现在：这些细小的固相质点靠极弱的物理引力使彼此无秩序的在接触点处粘结起来，而连成一空间网状结构，此时结构的强度很低而有明显的可塑性；以后随着水化的继续进行，水泥颗粒表面不大稳定的包裹层开始破坏而水化反应加速，从饱和的溶液中就析出新的、更稳定的水化物晶体，这些晶体不断长大，依靠多种引力使彼此粘结在一起形成紧密的结构。随后，水化继续进行，从溶液中析出新的晶体和水化硅酸钙凝胶不断充满在结构的空间中，进而将骨料也紧密地粘结包裹在一起，形成完整的结构。
从水泥浆体结构的形成过程可知，必须使水化产物长大、增多到足以将各种颗粒初步连接成网，形成凝聚结构，才能使水泥浆体开始凝结。从水泥浆体的流变特征看，必须将外力增加到一定程度，所产生的剪应力将形成的网状结构拆散，才能使浆体流动。通常将拆散网状结构所需的剪应力称为“屈服值”。水泥拌水后，屈服值立即随水化的进展而提高，然后变慢，接着再以更快的速度上升。一般认为，开始的屈服值提高是由于快速形成了钙矾石；水泥中如有半水石膏存在，还会有二水石膏形成的原因。至于屈服值的第二次快速上升则归结于硅酸三钙强烈水化所形成的C-S-H。所谓“初凝时间”实际上相当于屈服值提高到某一规定数值，即将开始第二次快速上升的时间。由此可以表明，初凝时间既决定于铝酸三钙和铁相的水化，也与硅酸三钙的水化密切相关；而初凝到终凝的凝结阶段则主要受硅酸三钙水
化的控制。
混凝土凝结时间异常的原因分析
影响混凝土凝结正常进行的因素可以分为混凝土的内在因素和混凝土的外在因素。混凝土的内在因素如水泥的品种；矿物掺合料品种与掺量；外加剂的品种、用量以及掺法；混凝土拌合用水；混凝土的水胶比等。混凝土的外在因素如混凝土所处环境的温度和湿度；人为因素等。
（1）水泥品种的影响
水泥的凝结时间决定着新拌混凝土凝结时间。当粉磨后的水泥颗粒级配不合理时，使水泥熟料中的C3A 易过早水化，其活性降低。同时由于熟料与石膏一同研磨时，温度升高引起部分二水石膏脱水生成半水石膏或可溶性的无水石膏，使C3A的活性与石膏的活性和数量
不匹配，早期溶解的C3A 相对较少，而溶解的CaSO4 量较多，形成硫酸钙过饱和溶液，而且除形成钙矾石外，还有多余的形成较大数量的次生石膏。这就直接导致水泥假凝。
当水泥熟料中的C3A 含量过高，而且水泥中所掺石膏中的亚硫酸根离子过少时，能使混凝土拌合物迅速凝结。同时，水泥中含有较多的碱类时，碱类碳酸盐能与水泥中的Ca(OH)2 反应，沉淀出CaCO3，这种具有促凝作用的碳酸盐的生成能使水泥很快凝结。另外，熟料的过分煅烧，使C3A 矿物大量结晶析出，以及熟料中碱含量或游离氧化钙过高，也能导致水泥速凝。
（2）矿物掺合料品种与掺量的影响
在掺有矿物掺合料的混凝土中，水泥熟料颗粒水化生成的水化产物累计达一定程度，才会表现为胶凝材料的凝结。虽然掺合料具有一定活性，其活性成份能在常温下同水泥水化生成的Ca(OH)2 发生化学反应，但掺合料的水化速度比水泥熟料颗粒要缓慢得多，直接导致掺有矿物掺合料的混凝土的凝结时间延长。掺合料掺量越大，水泥熟料相对量减少，凝结时间的延长幅度越大。而且，当粉煤灰和矿粉在使用中以次充好时，混凝土的工作性能不仅得不到改善，而且混凝土长时间不凝结、强度大幅降低等现象会随之发生。
（3）外加剂的影响
随着商品混凝土的发展，外加剂的种类更是繁多，而且大多外加剂都是通过复配后再在混凝土中使用，因此其自身配方的多样性，使得其与水泥的适应性也存在很大的差异；还有，外加剂采用先掺法，还是后掺法，也会影响到混凝土的凝结效果。比如，当在某种水泥所配制的混凝土中掺加速凝剂（经检验符合有关标准）但却得不到应有的速凝效果，或掺加缓凝剂却得不到应有的缓凝效果。
以目前应用最为普遍的减水剂为例，当混凝土中掺入减水剂后，减水剂分子吸附在水泥颗粒表面，形成有一定厚度的分子吸附层，使水泥颗粒表面带上电性相同的电荷，促进水泥颗粒的分散性能，进而在颗粒表面形成一层溶剂化水膜。由于减水组分对水泥颗粒的这些作用，在一定时间内水泥浆体分散体系保持稳定，阻碍了水化产物的聚结，进而延缓了水泥的凝结时间。但是，当其与水泥间不适应时，往往会发生流动性变差、减水率降低、或者拌合料板结发热、流动性损失过快等现象。尤其是水泥越新鲜，其温度越高，减水剂对其的塑化作用相应要越差一些，混凝土的坍落度损失也越快，甚至在某些商品混凝土生产厂的搅拌机内就出现异常凝结现象。
另外，现在商品混凝土中都掺有泵送剂，泵送剂中含有一定量的缓凝组分，当外加剂经过复配后，缓凝组分含量相对较高。在混凝土生产过程中，如果不注意外加剂的计量，那么因掺量过大造成混凝土超缓凝现象是很容易的。
（4）混凝土拌合水的影响
当搅拌混凝土的水中含有如油类、酸、糖等物质时或者所用水源受到污染时，也可能导致混凝土异常凝结的情况。
（5）混凝土水胶比的影响
混凝土的水胶比大，意味着水泥颗粒之间的距离大，为使水泥颗粒之间的水化产物相互搭接连生，必须产生更多的水化产物，因此需要的时间长。另外，由于水化产物多为胶体，
它会在水泥颗粒表面形成一层薄膜，妨碍水与未水化水泥的接触，水分子向水泥颗粒内部扩
散必须通过这一层薄膜，从而使此后的水泥水化受扩散控制，水化速度减慢，因此，水胶比越大，水泥熟料的相对浓度越低，凝结时间也就越长，尤其在施工现场给混凝土中擅自加水，很容易导致混凝土出现过分缓凝，强度降低。
（6）环境温度、湿度的影响
环境温度高，水化反应加速，混凝土凝结时间短；反之环境温度低，混凝土的凝结时间要长，甚至也可能使混凝土出现超缓凝。同样，在干燥的环境下混凝土水分蒸发较快，混凝土凝结时间较短；在湿度较大的地区，混凝土凝结时间相对较长。因此，随着环境气候的变化，混凝土施工也会出现异常凝结。
（7）人为因素
在拌制混凝土时，导致混凝土凝结异常的人为因素也不得不重视。比如搅拌站人员未按混凝土外加剂厂家外加剂使用说明要求掺用，也未进行外加剂与水泥的适应性试验，而是盲目多掺外加剂。以及工作中出现的失误：将水泥误当粉煤灰使用，或者将粉煤灰、矿粉误当水泥使用；外加剂混淆使用，将缓凝剂当早强剂使用，或者将早强剂当缓凝剂使用。甚至在
混凝土浇筑过程中，施工人员看混凝土发干流动性小擅自给混凝土加水等等。
混凝土凝结时间异常的预防措施
通过对混凝土凝结异常的原因分析，提出以下几项预防措施：
（1）对进场水泥进行严格把关，必要时对水泥熟料的组成、外掺料的使用、磨细颗粒级配、粉磨方法等进行详细的了解。进场后的水泥，搅拌站或施工单位应注重水泥的存放，防止将水泥长期露天放置而吸潮结块。
（2）在混凝土生产过程中，严格把好原材料的质量关，每种材料均要进行抽样检验合格后进行使用，杜绝以次充好的材料出现，而且外加剂在使用前，必须要进行外加剂与胶凝材料的适应性试验，试验满足要求后，方可确认使用。最后，严格按设计好的混凝土配合比进行计量。
（3）混凝土搅拌站的搅拌楼要按强制检验的规定对计量系统中所有的秤进行检验，并且根据情况的需要对某个或几个秤进行日常维护检验。避免由于设备的误差导致混凝土各种组分的计量准确性失控，从而影响混凝土的正常凝结。
（4）搅拌站、各工地试验室以及从事混凝土相关操作人员都应进行岗前培训，了解混凝土及外加剂相关知识，严格按照混凝土配合比以及外加剂使用说明进行操作。在操作过程中，不可疏忽马虎，出现用错材料的现象。在施工现场，严格禁止为了增加混凝土的坍落度而擅自加水。
（5）根据混凝土施工现场的环境温湿度条件，及时对混凝土施工进行合理的调整。比如夏天施工应避开高温时段，但必须在炎热气候下施工时，由于混凝土会提前凝结，应掺加适量的缓凝剂。反之，冬期施工时，要靠防冻剂的功效来满足混凝土的施工要求了。
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