1、初龄期混凝土的泌水、沉降、塑性收缩与开裂1 引言随着混凝土工程在基础设施建设中日益广泛的应用，尤其是在城市交通设施中的广泛应用，混凝土外观品质日益受到人们的关注，而与此同时，混凝土表面的花斑、气孔、裂纹却像令人讨厌的苍蝇一样挥之不去，有时严重到业主不得不要求工程停工，甚至造成推倒重来的事故，延误工期，损失惨重，使施工单位和混凝土公司的技术人员伤透了脑筋。其实，初龄期混凝土的泌水、沉降与收缩问题早已有之，但是如今产生这些现象的原因并不相同，因此要克服它就不能照搬以往的经验，人们需要不断更新观念、更新知识，才能认识和处理新问题，也就是说不能周而复始地重复，而需要螺旋形地上升、提高与升华。2 泌水、
2、塑性沉降与收缩现象混凝土拌合物浇筑后至初凝期间约几个小时里，拌合物呈塑性和半流动态，各组分间由于密度不同，在重力作用下相对运动，集料与水泥下沉、水上浮，出现三种现象：泌水、塑性沉降和塑性收缩。2.1 泌水泌水易于发生在非干硬性拌合物中。这种拌合物在浇筑与捣实以后、凝结(不再发生沉降)之前，表面会出现一层水分或浮浆，可达混凝土浇筑高度的2%3%或更大，这些水或向外蒸发，或因水泥继续水化被吸回，伴随发生混凝土体积减小；此外，部分上升的泌水积存在集料下方形成水囊。泌水对混凝土性能带来两方面影响：首先，顶部或靠近顶部的混凝土因含水多，形成疏松的水化物结构，对表层的耐磨性等十分有害；形成水囊则会显著削弱
3、水泥浆与集料间的界面粘结作用，影响硬化混凝土的强度和耐久性(图1(a) 。2.2 塑性沉降拌合物由于泌水产生整体沉降，浇筑深度大时靠近顶部的拌合物运动距离更长；沉降受到钢筋、预埋件等阻碍，则从表面向下直至其上方产生塑性沉降裂缝(图1(b) 。2.3 塑性收缩在干燥环境中混凝土浇注后，向上运动到达顶部的泌出水要逐渐蒸发。如果泌出水速度低于蒸发速度，表面混凝土将由于失水，由于干缩在塑性状态下开裂。这是由于混凝土表面区域受约束产生拉应变，而这时它的抗拉强度几乎为0，所以形成塑性收缩裂缝，这种裂缝与塑性沉降裂缝明显不同，与环境条件有密切关系：当混凝土受环境温度高、相对湿度小、风大、太阳辐射强烈，以及以
4、上几种因素的组合作用，更容易出现开裂(图1(c) 。3 初龄期混凝土发生上述现象的原因3.1 早期的混凝土早期的混凝土中水泥粉磨细度较小，高活性矿物(硅酸三钙)含量较少，水泥中常掺有矿渣等混合材(在混凝土里掺有的同样材料被称为矿物掺和料,或矿物外加剂)，而且当时的水泥生产时，熟料是和矿渣等同时粉磨的，由于矿渣比较难于磨细，因此在这种水泥里矿渣常以比熟料粗得多的颗粒存在。早期的混凝土的另一特点是水灰比(在有掺和料的情况下是水胶比)较大，通常没有掺外加剂，这样的混凝土拌合物尽管工作度不大，例如坍落度在2040mm，但从浇注到凝固之间的时间间隔比较长，尤其在冷天时更为突出。在此过程中发生上述泌水、沉
5、降离析等现象的原因也就不难理解了。但是，当时我国北方的混凝土还有另一个突出的问题，就是所用水泥的含碱量高(据了解，北方水泥厂生产的水泥含碱量全都在1%以上)。含碱量高增大混凝土的干缩，使混凝土易于开裂，并会由此引发一系列混凝土耐久性问题。然而，含碱量高的水泥水化硬化快，又会减小泌水、离析造成的负面影响。这体现了事物的多样性和复杂性) 有弊必有利，反之亦然。3.2 现今的混凝土现今的混凝土所用水泥与以往大相径庭，水泥的粉磨细度明显增大，高活性矿物含量增多，由于推广散装运输的方式，使水泥在储运过程中反复均化,改善了水泥的匀质性，使用时无需拆袋也带来方便,但是产生一个新问题，便是水泥的温度高居不下，
6、尤其是夏天，水泥进入搅拌机的温度有时高达90,这使得实际结构里混凝土强度的发展速率，与实验室使用已经凉下来的水泥做试验得出的结果相差甚远，不仅造成工程中大量材料的浪费，还带来结构开裂现象普遍，修补、加固则进一步造成更大的浪费。现今的混凝土中普遍掺有减水剂等外加剂，以及粉煤灰、矿粉等掺和料，水灰比(水胶比)一般都比早期混凝土明显降低；拌合物工作度，主要指泵送混凝土的坍落度大都在180mm以上。尽管工作度明显增大，但是由于水泥和水灰比等发生变化，在很长一段时间里出现上述初龄期混凝土的泌水与沉降离析现象并不常见。但是，在碱-集料反应可能会给混凝土的耐久性带来严重后果的宣传影响下，不少水泥厂生产的水泥
7、含碱量大幅度降低了，在带来减小干缩好处的同时，也遇到了新问题。如Atcin所指出1：从流变性的角度考虑，水泥存在一个最佳的可溶碱含量。现今一些水泥中的可溶碱含量达不到该最佳值，原因是一些水泥公司为满足某些机构规定使用低碱水泥的要求(以避免可能发生的，或通常只是想象中的碱-集料反应)，销售出去的水泥中可溶碱含量不必要地过分低。目前国内最普遍使用的高效减水剂是萘系减水剂，而控制萘系减水剂- 水泥相容性良好有几个关键因素。2000年在法国召开的第六届国际化学外加剂会议上，我国留学生姜施平博士等发表的文章指出2：水泥的可溶碱含量(事实上，SO2-4就来自可溶碱)、细度、C3A含量和石膏类型，是控制掺萘
8、系减水剂水泥浆和混凝土流变性能的关键参数。最佳可溶碱含量在0.4%0.6%当量Na2O。萘系减水剂在水泥颗粒上的吸附率和水泥水化速率受这些参数影响，它们控制混凝土流动度的损失速率。使用可溶碱含量低的水泥时，不仅当减水剂剂量不足时坍落度损失会较快，且当剂量稍高于饱和点时，又会出现严重的离析与泌水。由于工程使用低碱水泥，给选用减水剂造成困难的不乏实例，如江苏的润阳大桥工程在选用高效减水剂时就费了很多周折，后来放弃了使用萘系高效减水剂，才满足了工程施工的需要3。除了萘系高效减水剂，以及性能与其接近的密胺类高效减水剂之外，国内在20世纪90年代开发出来，现在已经得到广泛应用的氨基磺酸盐减水剂,特别是近
9、年来开发的聚羧酸系减水剂，用于配制的拌合物工作度损失明显减小，比较适于在工作度要求高，例如自密实混凝土、水下不分散混凝土的配制中应用。但是从本质上说来，高效减水剂之所以可以大幅度减小用水量，机理就在于可以有效地破坏水泥浆体的絮凝结构，释放出内里的自由水，也就是削弱了水泥颗粒与水之间的作用，从这种角度来说,它加剧了泌水现象。聚羧酸系减水剂虽然依靠其他基团，例如引气基团的作用，可以改善浆体的稳定性，但是在表面密实性和外观要求很高的工程中，还必须复合使用保水性良好的组分，例如羧甲基纤维素，羟乙基或羟丙基纤维素等。当然由于单价较低，目前国内工程主要还使用萘系高效减水剂，为了改善拌合物坍落度损失较大的不
10、足，常复合缓凝剂使用。尤其羟基羧酸类缓凝剂延缓坍落度损失的效果十分显著，早已在国内外普遍使用。但是这类产品的剂量对其缓凝作用大小十分敏感，很难掌握适量，因此常会出现凝结过度延缓，并造成泌水、沉降严重的后果。反之，当混凝土掺用膨胀剂时，由于它的水化要将大量自由水转变成结合水，可显著改善泌水、沉降问题，可是引起坍落度损失剧烈又成为令人难以解决的问题。以上事实说明：现今混凝土中普遍掺有外加剂，水泥- 外加剂的相容性如何，对混凝土的许多性能起至关重要的影响，需要给予充分的重视。除此之外，还有许多因素影响初龄期混凝土的上述性能。集料级配对于拌合物的泌水、沉降离析起十分关键的作用。欧盟一些国家在预制混凝土
11、业已获得较广泛应用的自密实混凝土，其水泥等胶凝材料用量仅400450kg/m3，其组分材料的重要特点，就是其砂率大(超过60%) 且砂子的级配良好(各筛的筛余接近)。这种自密实混凝土的塑性粘度与普通混凝土接近，因此易于泵送、浇注速度快、不会形成冷缝。由于胶凝材料用量没有多大差异，也就不会出现收缩变形增大造成的不利影响。与此相反，国内集料的级配不良，会使配制工作度更小一些的拌合物也容易出现泌水和沉降离析。矿物掺和料的应用中存在的误区，也是加剧拌合物泌水、沉降离析的一个原因。事实上，需水量越小的掺和料，例如 级粉煤灰、磨细矿渣等用于配制的拌合物，就越容易出现泌水、沉降离析。换句话说，需水量小的矿物
12、掺和料只适用于配制低水胶比,即强度级别较高的混凝土，而现今在配制C30这类用量最大的普通级别的拌合物时，一些规范中限定采用级粉煤灰的做法，实际上是一种误导，笔者前不久就听北京一家混凝土公司抱怨上述规范条款给他们造成很大的困难。除了技术原因以外，近年国家出台限制现场搅拌，推行预拌混凝土的政策，使得施工单位和预拌混凝土公司出于双方各自的利益，不必要地过度增大拌合物的坍落度，也是加剧拌合物产生泌水、沉降离析的重要原因。为了使到达现场交付时的拌合物工作度满足用户的要求，混凝土公司即使在气温不高的季节也不得不掺用缓凝剂，以延缓拌合物的坍落度损失，而这样一来，混凝土浇注后的泌水和离析就会明显地加剧。4 泌
13、水、沉降可能产生的影响如上所述，初龄期混凝土拌合物产生的泌水、沉降离析，以及表面失水相关的塑性收缩现象，不仅会损伤硬化后表面的耐磨性能，还会使混凝土内部的集料与浆体界面、钢筋与混凝土界面形成薄弱的过渡区。实际上，过渡区就是混凝土体内的原生裂缝,在随后混凝土的温度收缩、自生收缩以及干燥收缩受到约束作用时，产生的应力不断积累、叠加，当混凝土的抗力(抗拉强度，或者更确切地说，是断裂能)被应力超过时，就出现可见的宏观表面裂缝，或贯穿裂缝。图24分别表示泌水、沉降对混凝土路面、桩和预应力梁造成的影响。图3所示的混凝土桩上半截由于严重的泌水、沉降，使钢筋外侧的混凝土已经不复存在，只有凿掉后重新浇注。图4所
14、示后张预应力梁孔道灌浆由于泌水、沉降，泌出水聚集在波纹管上方，经历冬季水分结冰体积膨胀，引起沿波纹管方向出现裂缝，这种现象在国内外许多后张预应力桥梁上很常见。为此，有的国家(如英国)曾一度禁止使用后张法生产预应力桥梁。5 混凝土出现泌水、沉降的防治根据上述对初龄期混凝土出现泌水、沉降，以及由此而产生的塑性收缩及开裂现象的分析，笔者提出以下防治措施供混凝土生产供应和施工企业参考。1) 当水泥可溶碱含量偏低，与萘系减水剂相容性不好，因此出现泌水、沉降离析现象时，除上述改换减水剂品种外，还可以考虑少量掺用硫酸盐(如芒硝等)，当然在掺量需要较大时，须注意可能带来其他不利后果。2) 粗集料最大粒径控制不
15、严，有时甚至明显超过钢筋间距或箍筋与模板的距离；粗集料级配不良,中间断档，例如在常用的530mm或540mm石子中很少甚至根本没有510mm颗粒(这种现象非常普遍，严重的时候甚至只有15 或20mm以上的颗粒)；细集料)砂子(通常更不注意，例如明显缺少2.55mm颗粒)，这些都是引起初龄期混凝土产生泌水、沉降离析的重要原因。3) 施工时控制拌合物的坍落度尽量小一些为好，尤其是掺有粉煤灰时，120mm左右的坍落度就可以很好地泵送。然而很多施工单位盲目地提出加大坍落度要求，有时还采取在现场加水随意增大坍落度的错误做法。显然坍落度越大，越容易泌水、沉降离析，也因此更容易出现堵泵现象，延误施工。4)
16、施工时的振捣操作不当，对出现泌水、沉降离析现象也有重要影响。目前国内振捣棒的频率一般都超过12000次/分(称高频振捣棒)，且操作工普遍缺乏技术培训，使得振捣工序的质量严重失控，如漏振(没有振到)、过振(振捣时间过长)、拖振(在拌合物表面连续拖动振捣棒)等现象十分常见，从这个角度看来，在质量要求非常高的工程中，采用免振自密实混凝土十分必要。5) 改变混凝土配合比只和设计强度等级相关的现状，在环境(例如施工过程遇到小寒流降温等),或施工条件(例如泵送高度)等发生变化时，都需要及时调整配合比(例如高效减水剂、缓凝剂、引气剂以及矿物掺和料的掺量等)。现今普遍实行一个强度等级固定一个配合比，不加任何调
17、整的做法是很不利于控制的。质量保证措施一具体质量目标本合同段质量确保一次性验收合格率100%，不允许出现不合格工程，坚决杜绝不合格项目，不论是自检，还是业主监理的中检、抽检、终检，随机检查都达到100%的合格率，率取良好的信誉。二质量控制机构和创优规划质量管理领导小组是整个工程质量管理的最高领导机构，由项目经理、项目技术负责人、质检员、专业工长组成，制定整个工程质量控制计划、方针、措施。公司技术质量科直接介入抓现场质量管理。施工队所属各施工班组根据自己的创优任务，拟定项目工程具体的分项实施计划，责任到人，严格要求，全员全过程质量控制。三强化质量意识，健全规章制度1建立施工组织设计审批制度(1)
18、施工组织设计必须由公司技术质量科编制，经营科、安全科、材料科科长会签，总工程师审核，再报监理工程师与业主代表审阅。(2)施工组织设计必须在工程实施前15天报监理工程师和业主工程部。(3)施工组织设计必须经各级审批并最后由监理工程师审批后，并且按审批意见进行修改完善，方可进行施工。2技术复核、隐蔽工程验收制度(1)技术复核应在施工组织设计中编制技术复核计划，明确复核内容、部位、复核人员及复核方法。(2)技术复核结果应填写分部分项工程技术复核记录，作为施工技术数据归档。(3)凡分项工程的施工结果被后道施工所覆盖，均应进行隐蔽工程验收。隐蔽验收的结果必须填写隐蔽工程验收记录。3技术、质量交底制度技术
19、、质量的交底工作是施工过程基础管理中一项不可缺少的重要工作内容，交底必须采用书面签证确认形式，具体可分为以下几方面：(1)项目经理必须组织项目部全体人员对图纸进行认真学习，并同设计代表联系进行设计交底。(2)施工组织设计编制完毕并送业主和总监审批确认后，由项目经理牵头，项目技术负责人组织全体人员认真学习施工方案，并进行技术、质量、安全书面交底，列出关键分部工程和施工要点。(3)本着谁负责施工谁负责质量、安全工作的原则，施工员、安全员在安排施工任务同时，必须对施工班组进行书面技术质量、安全交底，必须做到交底不明确不上岗，不签证不上岗。4三级验收及分部分项质量评定制度(1)分项工程施工过程中，质量
20、检查员必须督促班组做好自检工作，确保当天问题当天整改完毕。(2)分项工程施工完毕后，质量检查员必须及时组织班组进行分项工程质量评定工作，并填写分项工程质量评定表交技术负责人确认，最终评定由公司的技术质量科专职质量员检定。(3)项目经理部每月组织一次班组之间的质量互检，并进行质量讲评。(4)公司的技术质量科对每个分项进行不定期抽样检查，发现问题以书面形式发出限期整改指令单，项目质量检查员负责在指定期限内将整改情况以书面形式反馈到公司的技术质量科。5现场材料质量管理(1)严格控制外加工、采购材料的质量。各种地方材料、外购材料到现场后必须由项目质量检查员和材料员进行抽样检查，发现问题立即与供货商联系
21、，直到退货。(2)搞好原材料二次复试取样、送样工作。水泥必须取样进行物理试验；其它原材料也必须取样进行试验，有效期超过三个月的水泥必须重新取样进行物理试验，合格后方可使用。6计量器具管理(1)公司的技术质量科负责所有计量器材的鉴定、督促及管理工作。(2)现场计量管理器具必须确定专人保管、专人使用。他人不得随意动用，以免造成人为的损坏。(3)损坏的计量器必须及时申报修理调换，不得带病工作。(4)计量器具要定期进行校对、鉴定；严禁使用未经核对过的量具。7工程质量奖罚制度(1)遵循“谁施工、谁负责”的原则，对各施工管理人员，班组进行全面质量管理和追踪管理。(2)凡各班组、施工管理人员在施工过程中违反
22、操作规程，不按图施工，屡教不改或发生了质量问题，项目部有权对其进行处罚，处罚形式为整改停工，罚款直至赶出本工地。(3)凡各班组、施工管理人员在施工过程中，按图施工，质量优良且达到优质，项目部对其进行奖励，奖励形式为表扬、表彰、奖金。(4)项目部在实施奖罚时，以平常检查、抽查、业主大检查、监理工程师评价等形式作为依据。四分部分项工程质量控制1排水工程质量控制(1)管沟、检查井等排水设施的位置、断面、尺寸、坡度、标高及使用材料严格遵照设计图纸要求。(2)管沟线型美观，直线线形顺直，曲线圆滑。(3)砌体砂浆配比正确，砌筑紧密，嵌缝饱满、密实，勾缝平顺无剥落，缝宽一致。(4)沟槽开挖后实时平整夯拍密实，遇有空洞陷穴，应堵塞夯实。水泥砂浆随拌随用，砌筑完后注意养护，砌筑过程中随时注意沟底沟壁的平整坚实，砂浆要饱满，无空隙松动。
