高性能混凝土知识问答（四）

高性能混凝土知识问答（四）

 

混凝土的工作性能

01什么是水泥与混凝土外加剂之间的适应性？

水泥与混凝土外加剂之间的适应性（compatibility），也被称为水泥与混凝土外加剂之间的相容性。可以这样来定性地理解适应性的概念：按照混凝土外加剂应用技术规范，将经检验符合有关标准的外加剂掺加到按规定可以使用该品种外加剂的水泥所配制的混凝土中，若能产生应有的效果，就说该水泥与这种外加剂是适应的；相反，如果不能产生应有的效果，就说该水泥与这种外加剂之间不适应。

关于外加剂和水泥之间适应与否，目前还不能定量地表示，大多以水泥系统中，掺入某种功能外加剂，能否达到预计的效果来表示适应与否。就减水剂而言，经过按其标准检验合格的产品，可以在保持相同用水量的情况下，增加混凝土的流动性；或者在保持混凝土相同流动性的情况下，降低混凝土单方用水量。然而在实际应用中，同一减水剂在有的水泥系统中，在常用掺量下，即可达到通常的减水率；而在另一些水泥系统中，要达到此减水率，则减水剂的量要增加很多，有时甚至在其掺量增加50%以上时，仍不能达到其应有的减水率。并且，同一减水剂在有的水泥系统中，在水泥和水接触后的60~90min内大坍落度仍能保持，并且没有离析和泌水现象；而在另一些情况下，则不同程度地存在坍落度损失快的问题。这时就说前者减水剂和水泥是适应的，后者则是不适应的。另外，同一种水泥，当使用不同生产厂家生产的同一类型的减水剂时，即使水灰比和减水剂掺量相同，也会出现明显不同的使用效果。这都说明了水泥与减水剂之间存在着适应性问题。

加拿大Aitcin等研究者采用Marsh Cone（锥形漏斗法）和Mini-Slump（微型坍落度仪）等研究水泥-高效减水剂适应性的试验方法，经过大量探索性试验，得出了有益的结论。根据Aitcin等人的工作，认为水泥与高效减水剂适应性可以用初始流动性、是否有明确的饱和点以及流动性损失三个方面来衡量，固定水灰比，测定在不同高效减水剂掺量条件下水泥浆体的流动性指标，所得到的适应性特征曲线有四种类型，如图3-1所示。

图3-1 水泥与高效减水剂适应性的不同类型

W/C=0.32，试验室温度为22℃
 

图3-1所示的曲线是在水灰比为0.32、试验室温度为22℃的条件下，不同品种的水泥浆体随着高效减水剂掺量的增加，其流动性指标（流下时间）的变化曲线，这里的流下时间是反映浆体流动性的指标，与浆体的黏性密切相关，流下时间值越大，表明浆体的流动性越差。

①适应性优良，图3-1（a）所示的曲线，饱和点明显，减水剂的饱和掺量不大，为0.8%~1.0%，水泥浆体的初始流动性较好，且静停1h后浆体的流动性损失很小，表明该水泥与高效减水剂的适应性优良。

②适应性最差，图3-1（b）所示的类型，减水剂的饱和掺量较大，在1.5%左右，且水泥浆体的初始流动性不好，静停1h后浆体的流动性损失大，表明该水泥与高效减水剂的适应性差。

③初始适应性较好，但浆体流动性损失明显，图3-1（c）所示的类型适应性介于①和②之间。

④初始适应性不良，减水剂的饱和掺量较大，但浆体流动性损失不大，图3-1（d）所示的类型适应性介于①和②之间。

对同一高效减水剂，饱和点因水泥而异；对同一水泥，也会因高效减水剂而异。饱和点的流动度与掺量受水灰比、水泥细度、C3A含量、硫酸盐含量及其溶解速率、高效减水剂的质量、搅拌机类型及其参数（旋转速度、叶片的剪切作用）等多种因素的影响。对于大多数高效减水剂-水泥体系，其饱和点掺量可能在0.8%~1.2%（由于低浓高效减水剂产品含相当量的硫酸钠，其饱和点掺量可能有所增大）。在配制高性能混凝土时，高效减水剂的掺量通常要接近或等于其饱和点掺量。

02如何快速检验水泥与外加剂之间的适应性？

评价水泥与外加剂适应性最直接的方法就是混凝土坍落度法。目前，国内外也都在积极探索利用其他方法来评价水泥与减水剂的适应性，以便快速、简捷地得到结果，这主要是利用减水剂在水泥砂浆或水泥净浆中的作用效果来代替其在混凝土中的效果而进行评价，它们的原理与混凝土坍落度法相似，但设备的体积小，也经常被用于研究化学外加剂对水泥浆体流变性能的影响。

（1）混凝土坍落度法。由于水泥与减水剂的适应性问题是在混凝土的生产使用中发现并开始研究的，因而最初都是直接用混凝土来评价，评价指标为混凝土坍落度，所用设备为坍落度筒（为圆锥截筒，其尺寸为：上口Φ100mm；下口Φ200mm；高300mm。）。具体试验方法为：保持混凝土的配合比和水灰比不变，将搅拌一定时间的混凝土，按一定方法灌满坍落度筒（如我国标准要求分三层装满，每层用捣棒插捣25下，以保证混凝土充分填充坍落度筒），然后向上竖直提起坍落度筒，静停后测定混凝土坍落下来的高度，即为坍落度；混凝土流开的直径，即为坍落扩展度。分别测定混凝土在加完拌和水后搅拌出机和搅拌后静置若干时间（0.5h、1h等）的坍落度及坍落扩展度。一般来说，坍落度越大，坍落流动度值越大；静置后流动度指标损失越小，则混凝土的工作性越好，即此水泥与该减水剂间的适应性也就越好。

由于混凝土的坍落度会受到混凝土中粗、细集料和搅拌机类型等因素的影响，再现性相对较差，并且实验所用原材料（水泥、砂、石和减水剂）的数量较多，因此，目前这种测评方法一般只是在最后的混凝土施工时使用。

（2）微坍落度法（mini-slump test）。微坍落度法可用于测定水泥净浆或水泥砂浆，但用于水泥净浆和水泥砂浆的微坍落度仪的尺寸与实验中的具体操作方法有所差异，而微坍落度仪的尺寸基本上都已不再与坍落度筒的尺寸成严格的比例。截锥圆模为国内外研究者广泛采用，但各国研究者所用的截锥尺寸有较大差异。用于砂浆和用于净浆的截锥圆模尺寸也相差较大。一般评价指标有：浆体流动度——流下浆体圆饼的平均直径；流动面积——流下浆体圆饼的面积；或者相对流动面积——流下浆体扩散的圆环面积（圆饼面积减去所用试模底面面积）与所用试模底面面积的比值。流动度、流动面积或相对流动面积越大，则浆体的流动性越好，说明该水泥与这种减水剂间的适应性越好。

（3）漏斗（cone）法。测试砂浆和净浆工作性的漏斗尺寸有多种，但其原理都是测定一定体积的新拌砂浆和净浆从漏斗口流下的时间，流下时间越短，则浆体流动性越好；相反，流下时间越长，则浆体流动性越差。漏斗按其形状可分为圆形漏斗和矩形漏斗。

（4）水泥浆体稠度法。国内外都有用水泥浆体稠度法来评价水泥与减水剂之间适应性的，在水灰比和减水剂的掺量一定时，水泥浆体的稠度越小，则表明浆体的流动性越好。在试验时常用锥体在水泥浆体中沉入度的变化来反映高效减水剂的作用效果。高效减水剂掺入后，锥体沉入度的增加值越大，则减水剂的作用效果就越好，相应的这种水泥与减水剂之间的适应性就越好。

（5）水泥净浆流动度。采用水泥净浆流动度（GB8077）来检测水泥减水剂的适应性时影响因素相对较少，它还有以下明显优点：试验材料用量少；测试所需工作量小；评价指标全面。

该方法所用的装置包括净浆搅拌机、测定流动度的截锥圆模（截锥体的尺寸为上口36mm；下口64mm；高60mm）、玻璃板与直尺。以某种水泥和高效减水剂为试验对象，固定水灰比，改变外加剂的掺量拌制水泥净浆。搅拌时间为先慢搅2min，再快搅3min，将浆体迅速注入截锥圆模内用刮刀刮平后，将截锥圆模向上垂直提起，用直尺量取流淌部分互相垂直的两个方向的最大直径，取平均值作为水泥净浆流动度的初始值。静停1h，再次进行快搅2min，测定1h后的净浆流动度。

考察水泥净浆流动性的经时变化，找出使水泥浆体流动性损失达到最小的外加剂掺量。该方法实际上是对现行水泥净浆流动度试验方法的改良，操作比较简单，且重现性较好，可以普遍采用。其评价指标为减水剂的饱和掺量、水泥浆体的初始流动性和流动性随时间的损失，根据减水剂不同掺量下的水泥浆体初始流动度及1h后的流动度，绘制出水泥浆体流动度与减水剂掺量间的关系曲线，即可明确表示出减水剂的饱和掺量、水泥浆体初始流动性及流动性损失等指标。

可选用如下几个评价指标（图3-2）：

① Cd——减水剂对水泥的饱和掺量；

②ƒ0——减水剂推荐掺量（以C0表示）下水泥浆体的初始流动度；

③ƒ1——减水剂推荐掺量（以C0表示）下水泥浆体加水1h后的流动度。

图3-2 水泥与减水剂适应性评价指标示意图
 

结果表明使用水泥净浆流动度的方法，可从宏观上较好地测评水泥与减水剂之间的适应性。采用这种试验方法可以评价与比较水泥-高效减水剂的适应性，对于选择和确定配制高强与高性能混凝土的原材料及配比具有重要的参考价值。

03如何改善水泥与混凝土外加剂之间的适应性？

混凝土外加剂与水泥之间的不适应会造成混凝土质量的波动，严重时会影响施工。因此，施工单位以及水泥和外加剂生产商必须采取必要的措施减少或避免不适应的现象发生，主要可以从以下几个方面来考虑。

（1）加强磨机内物料温度的控制。由于控制C3A的水化取决于孔隙溶液中的硫酸盐离子的平衡，所以水泥生产厂家必须重视控制水泥中硫酸钙的含量和溶解速率，加强磨机内物料温度的控制，避免温度过高和过低，这种控制对水泥生产厂家来说是没有什么困难的。

实施ISO新标准后，我国水泥的细度普遍有所提高，在这种情况下，加强磨机内物料温度的控制，保持水泥中石膏组成和含量的稳定性，对于控制高效减水剂和水泥之间的适应性十分重要。

（2）单独磨细水泥混合材。水泥中超细的混合材可以起到辅助“减水”作用，提高水泥中混合材的细度，在不降低混合材掺量的条件下，可提高水泥强度；在保持水泥强度的条件下，可以增加混合材的掺量，降低水泥生产成本，改善水泥与减水剂之间的适应性。因此，在水泥厂单独磨细水泥混合材是生产优质水泥的可行技术措施之一。

（3）改变外加剂的掺加方法。配制混凝土时，可以采用后掺法或分批添加法等措施掺加减水剂，改善混凝土的工作性。后掺时，高效减水剂仅有少量被钙矾石所吸收，所以坍落度损失小。

（4）使用反应性高分子化合物。使用反应性高分子化合物作为混凝土外加剂，使该化合物在水泥水化的碱性条件缓慢反应，从而使混凝土坍落度经时损失减少，也是改善混凝土工作性的措施之一。

总之，水泥与外加剂之间的适应性是一个既有一定历史而又随着混凝土科学技术发展而发展的问题，特别是高强、高性能混凝土的研究、发展和应用已使水泥与外加剂之间的适应性成为国内外混凝土研究领域的热点，是一个十分错综复杂的问题，目前还不能完全从理论上来解释这一现象。对水泥与减水剂之间的适应性进行了一些研究，其他影响水泥与减水剂之间适应性的因素还有很多，有些还有待进一步的、深入的研究。如水泥中调凝剂石膏、水泥本身所含碱（可溶性碱与不溶性碱）等因素对水泥与减水剂适应性的影响问题。工程现场如果遇到水泥与外加剂不相适应问题，必须用尝试的方法去解决。

04 JC/T 1083《水泥与减水剂相容性试验方法》的核心内容是什么？

该标准的核心内容是确定了用净浆流动度法和Marsh筒法进行水泥与减水剂相容性试验。测定不同减水剂掺量下的Marsh时间、净浆流动度及两者的经时损失，采用流动性、饱和掺量和经时损失三个参数来评价水泥与减水剂的相容性。从广义上来讲，水泥与减水剂相容性应包括水泥浆体的流动性能、力学性能、凝结行为和泌水现象等。JC/T 1083标准虽然对相容性的评价有局限性，但是可以供水泥企业选用。

Marsh筒法影响试验结果最大的因素是Marsh漏斗的机械尺寸、加工精度，特别是下料管部分的精度对试验结果有很大影响。为了保证试验结果具有可比性和产品质量，方便试验操作、减小试验误差，中国建筑材料科学研究总院与河北科析仪器设备有限公司联合开发了自动Marsh时间测定仪。采用专用的Marsh筒，该方法试验误差影响因素少，重复性误差小于净浆流动度法。标准将两个方法并列，但有争议时，以Marsh 筒法为准。

基于减水剂的技术、生产和使用现状，选择了占市场80%以上的萘系减水剂作为基准减水剂。该方法的基准减水剂选用的是天津雍阳减水剂厂出厂的低浓萘系减水剂，选择0.8%的减水剂掺量作为水泥浆体的流动性和经时损失率的评价基准点。在规定基准减水剂的同时，为了提高标准的可操作性和降低试验成本，标准不排除使用方自己选择评价基准（但必须均匀、稳定），用以控制和考核水泥质量的稳定性。但进行横向对比和处理质量纠纷时，必须采用标准规定的基准减水剂。标准规定的初始时间指的是自加水搅拌算起，经过搅拌、装料步骤，开始测试的时间。标准规定的60min时间指的是自加水搅拌算起，经过60min后重新搅拌、装料，开始测试的时间。

05 JC/T 1083《水泥与减水剂相容性试验方法》应用范围是什么？

为了改善水泥与减水剂的相容性或进行水泥质量稳定性的考核，水泥用户和部分水泥企业可以选用JC/T 1083《水泥与减水剂相容性试验方法》评价所用水泥与减水剂的相容性。虽然该标准对相容性的评价有局限，但是可以供水泥企业选用，用于评价使用相同减水剂时，由于水泥质量的变化而引起水泥浆体流动性、经时损失的变化程度，以及为获得相同的流动性而导致减水剂掺量的变化程度。

对于水泥企业而言，采用这个标准可以对所生产的水泥产品的质量加以控制和调整，还可以用于应对发生的质量纠纷。水泥企业应该按照该标准进行一次全面的质量情况摸底，进行饱和掺量点、流动性和经时损失的试验测试，然后根据用户的要求进行调整，使水泥与减水剂的相容性达到一个理想的水平。在正常情况下，每周进行1~2次的流动性和经时损失测试，以考察水泥质量的稳定性。

06水泥性能差异对混凝土成本的影响有多大？

在商品混凝土生产中，外加剂是必不可少的材料之一。由于各个水泥厂生产的水泥在组成、细度、碱含量等方面有所不同，因此水泥与外加剂之间的适应性存在较大的差异。如果要配制相同性能的混凝土，要选用不同厂家的水泥，所需的水泥用量、外加剂用量及外加剂品种必然不同，混凝土的配合比也就有所不同，从而使得混凝土的材料成本存在很大的差别。中国建筑材料科学研究院针对四川市场上常用的三种P·O42.5R水泥进行过水泥与混凝土外加剂适应性的混凝土性能试验，并在此基础上对混凝土材料成本进行了核算。

混凝土性能要求如下：强度等级为C30、C40和C60，坍落度为200~220mm，1.5h的坍落度保留值为160~180mm。对泵送混凝土的成本分析是在同强度混凝土达到基本相同综合性能的基础上进行的。

对比分析用的A、B、C三种水泥价格均为280元/t。C水泥的性能列在表3-1中，从表3-1中数据分析，可以看出该水泥的特点：C3A含量低，水泥比表面积小，二水石膏含量高，碱含量低。

表3-1   C水泥（P·O 42.5R）的性能

 

选用两种萘系复合高效减水剂进行试验：CSP-2是珠海森瑞公司生产的，固含量38%，价格2700元/t，用于C30、C40混凝土；JF-9是上海市路加化工有限公司分公司生产的，固含量38%，价格4700元/t，用于C60混凝土。

首先将三种水泥按同一配合比进行试验，这个配合比称为“基础配合比”，找出三种水泥配制的混凝土在强度和工作性能上的差别；再根据这些结果调整混凝土中水泥、外加剂用量，使混凝土的各项性能达到设计要求，即对坍落度和坍落度保留值偏低的混凝土，增加外加剂的用量；对强度偏低的混凝土，增加其中的水泥用量。在保证新拌混凝土工作性和硬化混凝土强度达到设计等级要求的基础上比较三种水泥配制的混凝土的综合成本。不同强度等级的泵送混凝土的基础配合比见表3-2。

表3-2 试验用泵送混凝土的基础配合比

 

注：C30混凝土Ⅱ级灰超量取代系数为1.5，C40混凝土Ⅱ级灰超量取代系数为1.3，C60混凝土I级灰超量取代系数为1.2。

C30混凝土选用CSP-2外加剂，三种水泥配制的C30泵送混凝土的工作性能和强度基本保持一致，在此前提下，比较各组C30混凝土配比和材料成本见表3-3。C品种配制的混凝土的价格是最低的，与其他水泥配制的混凝土相比便宜3.4元/方。

表3-3 C30泵送混凝土成本比较

 

C40混凝土选用外加剂CSP-2，三种水泥配制的C40泵送混凝土的工作性能和强度基本保持一致，混凝土配合比和成本分析结果见表3-4。比较发现，在满足相同性能的前提下，用C品种水泥配制的混凝土的价格是最低的，与其他水泥配制的混凝土相比便宜3.4～4.4元/方。

表3-4 C40泵送混凝土成本比较

 

C60混凝土选用外加剂为JF-9，各品牌水泥配制的C60泵送混凝土的工作性能和强度基本保持一致，比较各组水泥C60混凝土的材料成本（表3-5）发现，用C品种水泥配制的混凝土的价格是最低的，与其他水泥配制的混凝土相比便宜8.5~10.9元/方。

表3-5 C60泵送混凝土成本比较

 

通过试验研究，用具体结果证明了三种强度等级相同、价格相同的水泥在配制相同性能的混凝土时，材料成本上存在显著的差异：相同基础配合比条件下，用三种不同水泥配制C30、C40和C60泵送混凝土，C品种水泥与CSP-2、JF-9等外加剂之间具有良好的适应性，配制的泵送混凝土流动度大、坍落度保留值高、抗压强度高。与其他水泥相比，在达到相同工作性能和力学性能的条件下，C品种水泥配制混凝土时可节约水泥和外加剂用量，从而较大幅度降低单方混凝土的材料价格，C30混凝土3.4元/方、C40混凝土3.4~4.4元/方、C60混凝土8.5~10.9元/方。即适应性较好的C品种水泥配制泵送商品混凝土，在满足工作性和强度的前提下，可节约材料成本，经济效益较好。

07如何检测和评价高性能混凝土的工作性？

由于高性能混凝土配比的细小变化会引起其工作性的敏感变化，加之高性能混凝土的突出特点之一是在新拌状态下具有与施工方法相适应的优良的工作性，高性能混凝土工作性的测试和现场检验就变得更为重要。从理论上讲，高性能混凝土的流变性仍近似于宾汉姆体，可以用屈服剪切应力和塑性黏度两个参数来表达其流变特性。而在实际工程中，采用变形能力和变形速度两个指标来综合反映高性能混凝土的工作性更为合理。坍落度法和改进的L型流动仪是测试高性能混凝土工作性的较好的设备和方法。

（1）坍落度与坍落流动度坍落度是常用测定普通混凝土工作性方法之一，对于塑性混凝土采用坍落度指标定性地评价其流动性，坍落度值范围为1~15cm，坍落度值越大混凝土拌和物的流动性越大，同时目测观察拌和物的黏聚性和保水性，三者结合起来综合地评价塑性混凝土的工作性这种试验方法既简单又实用，且便于现场操作，所以在世界范围内得到普遍应用。目前使用最为广泛，此方法还适用于现场施工质量控制。

但仅用坍落度值不能很好地反应高性能混凝土的工作性，在测高性能混凝土坍落度时，还开发了一些新方法。

法国 Ferraris and deLarrard 在1998年提出了改进坍落度法测试高性能混凝土工作性，示意图如图3-3所示。该装置在传统坍落度基础上增加了一个立柱和一个滑板，测试提起坍落度筒后，滑板下降100mm所需时间T，以及坍落60s时混凝土的坍落高度。该装置适宜测试坍落度120~260mm的混凝土，可以同时反映混凝土的屈服应力和塑性黏度变化的情况。

图3-3 改进坍落度试验示意图
 

日本Kuroiwa等在1993提出了坍落流动度试验方法，广泛应用在自密实混凝土和水下不分散混凝土工作性的测试上。该方法在刚性、不吸水的底板上放置坍落度筒，提起坍落度筒后，混凝土自由坍落，测试混凝土水平扩展值和混凝土扩展到直径50cm时的时间T50。T50一般在2~7s。该方法还定性评价混凝土的稳定性。

我国在进行高性能混凝土研究时，常常采用混凝土完全坍开后，测定坍落度和坍落流动度，即混凝土水平流动圆圈的直径。

（2）L型流动仪及测试指标试验。针对高性能混凝土拌和物的流变特性，为了能综合反映它的变形能力和变形速度，以及在流动过程中的成分能否保持均匀性，清华大学和中国建筑材料科学研究院先后借鉴日本方法，改进了L型流动仪，并用于测评高性能混凝土工作性，在试验方法进行了大量的研究和探索。如图3-4所示，L型流动仪左侧是一个长方柱箱形，横截面积为20cm×10cm，其高度与坍落度筒的高度相同，为30cm。改进L型流动仪的右侧为一个扁平长方体箱形。中间用拉板隔开。开始在左侧的箱中装满拌和物，抽出拉板，拌和物在自重的作用下，自动下沉并向水平方向流动。

图3-4 L性流动仪（中国）
 

使用该L型流动仪可同时测定以下指标，以综合反映混凝土拌和物的工作性。

①下塌高度Ls（cm）（L为坍落度）左侧箱中混凝土拌和物的下塌高度，可反映混凝土拌和物的变形能力。

②水平扩展流动时间t5、t10、t30、t50（s）混凝土拌和物在水平槽内流动到某一距离（分别为5cm、10cm、30cm、50cm）的时间，反映混凝土拌和物的变形速度，同时考察混凝土拌和物通过某两点的时间差与其工作性之间的关系。

③水平扩展值Lf（cm）水平方向的最大流动距离，反映混凝土拌和物的最终变形能力。

组分均匀性：L型流动仪水平方向不同部位的拌和物中粗集料的含量，反映混凝土拌和物流动后的成分均匀性。通过对不同配比高性能混凝土的工作性进行综合评价，验证了L型流动仪的有效性。可得出如下结论。

①L型流动仪适合测试坍落度超过20cm的高性能混凝土拌和物的变形能力，用水平扩展值Lf（cm）或下塌高度Ls（cm）表示；流动速度可用水平流动到达某两点的时间差来表示。达到10cm和30cm处的时间t10和t30能敏感地反映不同混凝土拌和物的流动速度，并且到达该两点的时间差（△t30-10）与混凝土拌和物的自密实性之间有一定的关系。

②用L型流动仪所测定的流动速度与混凝土拌和物的自密实性有一定的相关性。当流动速度指标（△t30-10）值小于12s时，说明混凝土的自密性优良；而当（△t30-10）值大于12s时，混凝土的自密实性不能满足要求，需要施加外力使之密实。

③在L型流动仪水平槽两端取一定量的混凝土拌和物，比较粗集料的含量变化，可以检验混凝土拌和物的组分均匀性。

④用L型流动仪测定各工作性指标，具有较好的重复性，但不如坍落度筒方法重复性好。