0 引言 工作性是新拌混凝土的一个重要性能。随着混凝土技术的发展，我国新拌混凝土的流动性发生了相当大的变化。在外加剂推广应用前，现浇混凝土的坍落度只有几十毫米，预制建筑构件基本上采用干硬性混凝土；减水剂推广应用后，现浇混凝土的坍落度增大到80～100mm；商品混凝土普遍应用后，为了满足泵送的要求，现浇混凝土的坍落度增大到180mm左右；近年来，现浇混凝土的坍落度还在增大，220～240mm坍落度的混凝土成为我国目前建筑工程现浇混凝土的主流，坍落度大于240mm的混凝土也不少见。即便如此，建筑工地现场加水现象还是极为普遍。与此同时，混凝土离析现象日益严重，混凝土开裂现象屡见不鲜。不仅建筑工地现场如此，一些建筑构件的生产企业也采用坍落度超过200mm的混凝土。由于混凝土浇筑是一项非常辛苦的工作，目前很少有人愿意从事这项工作。大坍落度混凝土可以减轻劳动强度，因而被普遍采用。但是，大坍落度混凝土如果控制不好，极易离析。在现实条件下如何控制新拌混凝土的质量是一个亟待解决的问题。  目前，我国新拌混凝土的技术指标主要是坍落度，其它要求很少。坍落度是新拌混凝土流动性的一个表征。一般来说，坍落度越大，新拌混凝土的流动性越好。但是，坍落度并不是对新拌混凝土质量的全面表征，至少说它不能反映新拌混凝土的稳定性。以前，我国普遍采用塑性混凝土，流动性是影响施工的主要因素，很少出现离析问题。在商品混凝土推广应用的初期，新拌混凝土的坍落度一般不超过180mm，离析现象虽有出现，但一般都出现在C20以下的低强度等级混凝土中。由于低强度等级混凝土用量较少，而且不用于重要部位，因而离析问题也不太突出。随着新拌混凝土流动性要求的提高，新拌混凝土不稳定现象日益突出。不仅低强度等级混凝土出现离析，C30混凝土和C35混凝土也出现较严重的离析，甚至C40混凝土也有不同程度的离析，这些都是目前用量最大的混凝土。因此，我国目前混凝土工程的施工质量令人担忧。在这样的背景下，新拌混凝土的稳定性应该引起工程界的重视，成为新拌混凝土不可或缺的一个质量控制指标。 文章针对目前大体积混凝土普遍存在的不稳定问题，分析了新拌混凝土不稳定可能带来的问题，尤其是分析了对硬化混凝土性能带来的问题。这些问题对混凝土工程的施工质量有着较大的影响，也是目前混凝土开裂较严重的一个重要原因，而这一点目前还没有被人们认识和关注。为了解决好新拌混凝土的稳定性问题，文章结合混凝土工程实际情况，提出评定新拌混凝土稳定性的方法，给出保证混凝土稳定性基本思路。 1 新拌混凝土工作性的含义及确定的依据 对于新拌混凝土的工作性，目前还没有一个公认的确切定义。1932年，Powers将新拌混凝土的工作性定义为:工作性是一种确定拌和物浇灌难易程度和抵抗离析能力的性能，它包括了流动性和内聚性两种作用。1947年，英国道路研究试验室的Glanville、Collins和Matthews认为，工作性只反映新拌混凝土本身的特性，并将工作性定义为使新拌混凝土达到充分密实所需要的有效功(即克服内摩擦而做的功)。Hallstom、Newman、Poppvies、Hughes及太卷等人也分别在1951年、1960年、1966年、1968年和1970年提出过工作性的定义。1983年，黄大能等将新拌混凝土的工作性定义为“混凝土拌和物在拌和、运输、浇筑、捣实、抹平一系列操作过程中，在消耗一定能量情况下，达到稳定和密实的程度”，并认为工作性的含义应包括流动性、可塑性、稳定性、易密性四种特性，缺一不可。尽管目前对新拌混凝土的工作性还没有一个统一的定义，但可以肯定，新拌混凝土的工作性并非仅仅是流动性的表征，而应是多方面特性的表征。作者尤其强调新拌混凝土的稳定性，并指出:新拌混凝土的稳定性指的是从时间上要保持稳定，从空间上也要保持稳定。从时间上说，由于新拌混凝土的制备与使用不是在同一个地方，从制备地点到使用地点需要经过一个运输过程，需要一定的运输时间，在这段时间内，新拌混凝土的性能不能发生较大的变化。从空间上说，新拌混凝土在各种作用(如重力作用、机械振捣作用等)下，能够保持原有的均匀性。从上述定义看，人们早就认识到新拌混凝土的工作性不仅仅指流动性，它具有多方面的内涵。在Powers的定义中，不仅注意到流动性，也注意到内聚性；不仅注意到浇灌的难易程度，也注意到抵抗离析的能力。在黄大能的定义中，也明确指出新拌混凝土的工作性不仅指流动性，还包括可塑性、稳定性和易密性。由此可见，对于新拌混凝土来说，稳定性或抵抗离析的能力是非常重要的。在混凝土的施工过程中，仅仅提高新拌混凝土的流动性，不改善新拌混凝土的可塑性、稳定性和易密性，就无法保证新拌混凝土的正常施工。如果为了提高新拌混凝土的流动性而使新拌混凝土的可塑性、稳定性和易密性变差，反而会影响混凝土的施工。 对于大流动性混凝土来说，稳定性与流动性是同等重要的。流动性是大流动性混凝土的特征性能，稳定性则反映保持原有均匀性的能力。目前，新拌混凝土离析现象十分严重，正是由于缺乏对新拌混凝土稳定性的控制。 2 新拌混凝土稳定性较差可能带来的问题 近年来，建筑工程普遍采用大流动性混凝土施工，因为大流动性混凝土可以减轻劳动强度，便于施工。但是采用大流动性混凝土施工时，如果没有较好的稳定性，不仅不利于施工，还会影响混凝土的性能，影响工程质量。 2.1 新拌混凝土稳定性对混凝土施工的影响 混凝土工程的施工包括混凝土的输送、浇筑、振捣等过程。在施工过程中，物料将发生运动。对于混凝土的运动，仅仅考虑流动性是不够的，稳定性也是非常重要的。新拌混凝土是一个多组分的聚集体。对于质量优良的混凝土，各组分的运动是相互制约的，是协调的。如果混凝土的稳定性较差，各组分之间的相互制约较差，在混凝土的运动过程中就会出现不协调的现象。如在新拌混凝土的泵送时，如果混凝土的稳定性较差，骨料与水泥浆之间的相互作用较弱，骨料的运动滞后于水泥浆的运动，使得泵送出去的物料中骨料含量较少，水泥浆较多。部分骨料积存在管道中，影响后续物料的运动，严重时则堵塞管道。在混凝土浇筑过程中，如果各组分之间不能相互制约，由于各种物料物理性质和几何性质的差异，运动方向和速度是不一致的。较大较重的骨料颗粒容易向下运动，较轻的水则容易向上运动，使得混凝土不均匀。遇到障碍物时，如果水泥浆的黏滞力不足，骨料颗粒容易被阻挡，在障碍物附近滞留，严重时可能阻碍后续物料的运动，使混凝土不密实。由此可见，对于混凝土的施工，无论是物料的输送还是浇筑成型，并非是混凝土坍落度越大越好，必须保证新拌混凝土具有较好的稳定性。尤其是大流动性混凝土，稳定性对施工性能更为重要。仅仅提高新拌混凝土的流动性不一定有利于施工。如果在提高新拌混凝土流动性时降低了稳定性，反而不利于混凝土的施工，甚至影响混凝土工程的施工质量。 2.2 新拌混凝土稳定性对硬化混凝土性能的影响 新拌混凝土的稳定性直接影响到浇筑出混凝土的均匀性。如果新拌混凝土没有较好的稳定性，即便新拌混凝土搅拌得非常均匀，也难以保证浇筑出的混凝土是均匀的。如果新拌混凝土离析较严重，骨料容易下沉，水分容易上移，浇筑出的混凝土构件可能下部骨料较多而上部骨料较少，也可能下部水胶比较小而上部水胶比较大。 硬化混凝土的性能与其组成有着密切的关系，混凝土组成的不均匀必然导致混凝土性能的不均匀。从混凝土的强度来看，如果新拌混凝土不离析，混凝土的设计水胶比与实际混凝土水胶比是一致的；如果新拌混凝土发生离析，不同部位混凝土的水胶比是不同的，混凝土的设计水胶比是仅仅实际混凝土的平均水胶比。在水胶比较小的区域，混凝土的强度可能高于设计强度，但在水胶比较大的区域，混凝土的强度则可能低于设计强度。对于一个混凝土构件，破坏往往是从最薄弱部位开始的，而水胶比较大的区域则成了最薄弱区域，这一区域混凝土的性能决定了混凝土构件的性能。由此可见，新拌混凝土离析越严重，浇筑的混凝土构件性能越差。 目前，在建筑工地现场加水现象屡见不鲜。在施工现场加少量的水，如果不影响新拌混凝土的稳定性，加入少量的水仅仅使得混凝土的水胶比稍有增大，其结果是混凝土的强度稍有降低。如果施工现场加水使得新拌混凝土的稳定性降低，情况则要严重得多。不仅水的加入使得混凝土的平均水胶比增大，而且由于离析造成水在某些区域富集，使得这些区域混凝土的水胶比显著增大，混凝土强度显著降低。对于大坍落度混凝土，稳定性通常较难控制，现场即便加入很少的水，也容易导致混凝土严重的离析。一些建筑工程混凝土强度远低于设计强度，有些甚至不得不炸掉重建，多与混凝土现场加水有关。因此，混凝土的施工时，不允许现场加水。 新拌混凝土稳定性不好容易造成混凝土开裂，这是另一个值得注意的问题。混凝土变形的不一致性是混凝土开裂的一个重要原因。如果新拌混凝土不稳定，在混凝土浇筑过程中，骨料下沉，水分上移。因此，构件的下部混凝土骨料较多而水分较少，构件的上部混凝土骨料较少而水分较多。在干燥过程中，构件的下部混凝土由于骨料较多而水分较少，干缩变形较小；构件是上部混凝土由于骨料较少而水分较多，干缩变形较大。由于构件中混凝土变形的不一致性，必将产生相互作用。当这种相互作用力足够大时，在受拉区域将产生裂缝。在温度变化时，构件下部混凝土由于骨料较多，热膨胀系数较小，因而温度变形较小；构件上部混凝土由于骨料较少，热膨胀系数较大，因而温度变形较大。这种温度变形的不一致性也将产生相互作用力，也可能导致混凝土的开裂。在CO2浓度较高的环境下，构件下部混凝土由于硬化水泥石体积含量较小，碳化收缩较小；构件上部混凝土由于硬化水泥石体积含量较大，碳化收缩则较大。这种碳化收缩的不一致性也将产生相互作用力，也可能导致混凝土的开裂。在混凝土受到化学侵蚀时，硬化水泥石较多的区域受到的侵蚀较严重，产生的变形较大，不同区域之间的相互作用将加速侵蚀。由此可见，如果新拌混凝土稳定性较差，在混凝土施工过程中将会造成混凝土组分的不均匀性。这种组分的不均匀性必将导致混凝土变形性能的不一致性。在使用环境下，各种变形性能的不一致性必将产生相互作用力。各种相互作用力的叠加是导致混凝土开裂的一个重要原因。 从上述这些方面看，保证混凝土的均匀性是非常重要的，而新拌混凝土的稳定性是混凝土均匀性的前提条件。用稳定性较差的混凝土不可能浇筑出均匀的混凝土构件。从保证混凝土工程的施工质量来说，稳定性应该是新拌混凝土的一个非常重要的性能，对此应该有一个清醒的认识。 干硬性混凝土和塑性混凝土比较稳定，不会出现离析现象。易产生离析的是流态混凝土，特别是大流动性混凝土。以前，我国建筑工程主要采用塑性混凝土，很少出现混凝土离析现象。现在，普遍采用大坍落度混凝土施工，出现了较多的混凝土离析问题。无论是从混凝土的施工来看，还是从混凝土的性能来看，稳定性都应该成为新拌混凝土的一个重要控制指标，稳定性不合格的混凝土就是不合格的混凝土。然而，在大幅度提高新拌混凝土流动性要求的同时，并没有提出稳定性的要求。提高新拌混凝土流动性的措施主要是增大用水量，或者增加减水剂掺量。在施工现场，则是通过加水来提高混凝土的流动性。采用这些方法提高新拌混凝土流动性，离析现象自然是在所难免了。混凝土强度不足现象并不少见，混凝土开裂现象也是屡见不鲜。这种施工状况应该引起有关方面的重视，再也不能持续下去了。 3 新拌混凝土稳定性的评定方法 坍落度方法是评定新拌混凝土性能最常用的方法，这种方法主要体现新拌混凝土的流动性。坍落度越大，表明新拌混凝土的流动性越大。既然稳定性是新拌混凝土十分重要性能，应该有一个简单易行的评定方法。分层度方法是一种评定新拌混凝土流动性的方法，但操作比较麻烦。下面介绍一种评定新拌混凝土稳定性的简单方法。 按照混凝土坍落度的试验方法装料、插捣、抹平，然后平稳地提起坍落度筒。当新拌混凝土坍塌稳定后，将坍落度筒放到坍塌的混凝土中心。用抹刀刮开坍落度筒外部的混凝土，留下坍落度筒内部混凝土。分别测定这两部分混凝土中的粗骨料含量。用这两部分混凝土粗骨料含量之差来表征新拌混凝土的稳定性。 从理论上讲，在新拌混凝土坍塌过程中，如果各组分的运动是一致的，两部分混凝土的组成应该是相同的，粗骨料含量之差应该为0。但在实际情况中，粗骨料是在水泥浆或砂浆的带动下运动的。因此，粗骨料的运动比水泥浆或砂浆慢。当水泥浆或砂浆的黏滞力较大时，它对带动粗骨料运动的能力较强，粗骨料运动速度与水泥浆或砂浆运动速度的差异则较小。在这种情况下，混凝土不会发生离析。在上述试验过程中，边部混凝土与中心混凝土组成的差异不大，两部分混凝土中粗骨料含量的差异较小。当水泥浆或砂浆黏滞力较小时，这种黏滞力不能带动粗骨料一起运动。当水泥浆或砂浆运动时，粗骨料几乎不运动或运动很慢。在这种情况下，混凝土会发生离析。在上述试验过程中，当水泥浆或砂浆向四周扩展时，大部分粗骨料不随水泥浆或砂浆运动，仍然留在中心。因此，边部混凝土中的粗骨料很少，而中心混凝土中的粗骨料很多。这两部分混凝土中粗骨料含量的差异较大。因此，这两部分混凝土中粗骨料含量之差越小，表明混凝土的稳定性越好；这两部分混凝土中粗骨料含量之差越大，表明混凝土的稳定性越差。如果这两部分混凝土中粗骨料之差大于一定的数值，表明混凝土已经离析。 这种方法与坍落度试验方法基本相同，差别仅仅是判别的依据不同。只要可以进行坍落度试验的地方都可以用这种方法进行新拌混凝土稳定性的评定。由此可见，这种方法是简单易行的，既可以用于商品混凝土的生产控制，也可以用于商品混凝土的现场检验。 4 保证新拌混凝土稳定性的思路 从前面的分析可以看出，大坍落度混凝土不一定具有好的施工性能，而且容易离析，影响混凝土的施工。因此，混凝土的坍落度应控制在适当的水平。从新拌混凝土稳定性考虑，在满足正常施工的前提下，尽可能采用较小的坍落度。目前，普遍采用200mm以上坍落度混凝土，甚至采用240mm以上的混凝土，对于大部分工程来说，是没有必要的，也是没有道理的。无限制地提高新拌混凝土的坍落度是导致目前新拌混凝土离析严重的一个重要原因，也是产生施工质量问题重要原因之一。 新拌混凝土的工作性取决于液相的体积含量和黏度。在混凝土中，砂浆是液相，它带动粗骨料一起流动。因此，砂浆的体积含量和黏度决定着新拌混凝土的工作性。传统的混凝土配合比设计首先根据骨料状况及坍落度要求确定混凝土的用水量，然后根据混凝土强度要求确定水胶比，最后确定砂率，根据这些参数计算各组分的用量。用这种方法进行混凝土配合比设计，不同强度等级的混凝土中液相体积含量和黏度差异很大。一般来说，低强度等级混凝土中液相体积含量较少，液相黏度较低；高强度等级混凝土中液相体积含量较多，液相黏度较高。由此可见，不同强度等级混凝土达到相同坍落度的技术途径是不同的。低强度等级混凝土是通过低液相黏度来达到所要求的坍落度；高强度等级混凝土是通过较多的液相体积含量来达到所要求的坍落度。 砂浆要能够带动粗骨料一起运动，必须要有足够的黏滞力，否则，则不能保证粗骨料与砂浆一起运动。高强度等级混凝土由于液相黏稠度较大，能够带动粗骨料一起运动，因而不容易离析。低强度等级混凝土由于液相黏稠度较小，难以带动粗骨料一起运动，因而容易离析。新拌混凝土坍落度要求逐年提高，大多数搅拌站都是通过提高混凝土用水量或增加减水剂掺量来实现，这两种技术途径都是降低了液相的黏稠度，从而使得新拌混凝土的稳定性降低。建筑工地现场加水更是降低了新拌混凝土中液相的黏稠度，容易破坏新拌混凝土的稳定性。 从上述分析可以得出这样一个认识:要保证新拌混凝土的稳定性，必须保证砂浆有足够的黏稠度，提高新拌混凝土的流动性可以通过增加新拌混凝土中的砂浆体积含量来实现。 新拌混凝土稳定性对砂浆黏稠度的要求与粗骨料密度、粒径和表面粗糙度有关。粗骨料密度越大，带动它运动的黏滞力越大，这就需要砂浆越黏稠。粗骨料粒径越大，要求砂浆越黏稠。粗骨料表面越光滑，也需要砂浆越黏稠。 砂浆体积含量是新拌混凝土流动性的保证，对于一定流动性要求的混凝土，必须要有相应数量的砂浆体积含量。试图用降低砂浆黏稠度来减少砂浆体积含量实质上是用稳定性的损失换取流动性的增加，是不可取的。 由于传统的混凝土配合比设计方法不能较好的把握新拌混凝土中液相的数量和黏稠度，因而无法把握新拌混凝土的稳定性。这种方法是在以小坍落度混凝土为主的时期产生的，在这一时期，不存在稳定性问题，因而这种方法能够较好地指导混凝土配合比设计。但对于大流动性混凝土，这种方法不能很好地把握新拌混凝土稳定性的弱点凸显出来。特别是超塑化剂的使用，混凝土用水量显著减少，混凝土中的液相体积含量显著降低，而液相的黏稠度显著减小，使得新拌混凝土容易离析。因此，在目前的情况下采用传统的混凝土配合比设计方法显然是不合适的。正确的设计思路应该是根据混凝土的坍落度要求确定混凝土中的砂浆体积含量，根据粗骨料粒径、密度和表面性质选择合适的砂浆黏稠度，根据混凝土的强度要求确定水胶比，在此基础上，计算出各组分的用量。 混凝土中的砂浆也存在稳定性的问题。在砂浆中，液相是水泥浆。在物料运动时，水泥浆需带动细骨料一起运动。如果水泥浆的黏滞力太小，则不能带动细骨料运动，造成水泥浆与细骨料的离析。从目前所用的原材料情况看，细骨料普遍偏细。因此，水泥浆与细骨料离析的现象并不严重。新拌混凝土的离析较多地表现为粗骨料的离析。如果新拌混凝土中的水泥浆不能带动细骨料一起运动，这样的砂浆也不足以达到粗骨料一起运动。如果新拌混凝土存在细骨料的离析，也必然存在粗骨料的离析。因此，评定新拌混凝土稳定性时，采用粗骨料体积含量之差作为新拌混凝土稳定性的评定指标是合适的，它既能科学地表征新拌混凝土的稳定性，又便于操作。 5 结语 通过上述分析可以清楚地认识到新拌混凝土的稳定性对大流动性混凝土有着特别重要的意义。为了保证混凝土的正常施工，更为了保证混凝土的性能，必须严格控制新拌混凝土的稳定性。否则，施工质量难以保证，混凝土性能更得不到保证，混凝土工程的问题将会越来越严重。这一点应该引起工程界和政府主管部门的重视。 文章给出了一个评定新拌混凝土稳定性的方法，这一方法可以较好地评定新拌混凝土的稳定性，而且简单易行。 大坍落度混凝土既不利于施工，又影响混凝土的性能。因此，在保证正常施工的前提下尽可能采用较小坍落度的混凝土。 由于传统的混凝土配合比设计方法不能控制混凝土中液相的数量和黏稠度，因而不能保证新拌混凝土的稳定性。因此，对于大流动性混凝土，传统的配合比设计方法是不适合的。文章给出了大流动性混凝土配合比设计思路，可供参考。 |
