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一、假凝現(xiàn)象的成因剖析
(1)水泥粉磨因素:
假凝現(xiàn)象在混凝土工程中較為復(fù)雜,其產(chǎn)生與多種因素緊密相關(guān)。從根源上看,主要是水泥粉磨時(shí)磨內(nèi)溫度過高,致使二水石膏(CaSO?·2H?O)脫水轉(zhuǎn)化為半水石膏(CaSO?·0.5H?O)。在水泥粉磨工業(yè)流程里,磨機(jī)內(nèi)部溫度是關(guān)鍵控制點(diǎn),過高溫度會(huì)顯著改變水泥礦物成分。
當(dāng)含半水石膏的水泥與水拌和,半水石膏迅速水化重新生成二水石膏。這一水化反應(yīng)并非簡單物理變化,而是復(fù)雜化學(xué)過程。二水石膏以針狀結(jié)晶析出并相互交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),極大限制水泥漿體中水分子的自由移動(dòng),使?jié){體流動(dòng)性迅速降低,進(jìn)而引發(fā)漿體固化,這是假凝現(xiàn)象產(chǎn)生的重要原因之一。
此外,水泥中的堿含量也不容忽視。在含堿較高的水泥中,硫酸鉀(K?SO?)與二水石膏反應(yīng)會(huì)生成鉀石膏(K?SO?·CaSO?·H?O)。鉀石膏晶體生長迅速,短時(shí)間內(nèi)會(huì)在水泥漿體中形成類似骨架的結(jié)構(gòu),阻礙漿體正常流動(dòng),導(dǎo)致假凝現(xiàn)象。
以某建筑工地為例,施工團(tuán)隊(duì)使用某廠生產(chǎn)的硅酸鹽水泥,加水拌和后,水泥漿體短時(shí)間內(nèi)迅速凝結(jié),失去流動(dòng)性且變硬。但經(jīng)劇烈攪拌,漿體又恢復(fù)塑性,約三小時(shí)后才完成正常凝結(jié),這就是典型的假凝現(xiàn)象。
(2)水泥成分因素:
當(dāng)水與高吸濕性水泥粒子接觸時(shí),水泥中的Na?、K?、Ca2?、SO?2?、OH?等離子迅速脫離晶格進(jìn)入溶液,隨即參與表面水解反應(yīng),在極短時(shí)間內(nèi)于水泥粒子表面形成一薄層無定形膠體產(chǎn)物,這為后續(xù)水化反應(yīng)提供了反應(yīng)界面。
初始溶解階段結(jié)束后,水化反應(yīng)進(jìn)入成核階段,存在液相均勻成核與固液界面非均勻成核兩種形式。液相均勻成核是溶液中離子在過飽和度條件下自發(fā)聚集形成微小晶核;固液界面非均勻成核則以水泥粒子表面的活性位點(diǎn)為“種子”,因所需活化能較低而更為常見。
成核后,水化產(chǎn)物開始生長,但其生長受多種因素嚴(yán)格制約。溶液濃度決定了水化反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力,反應(yīng)處水和離子的可得量影響反應(yīng)進(jìn)程,反應(yīng)過程的活化能決定反應(yīng)難易程度,晶體生長的定向要求也影響著水化產(chǎn)物的生長。
在第一階段水化反應(yīng)后期,水泥粒子表面被一層完整的水化產(chǎn)物覆蓋。這層水化產(chǎn)物如同“保護(hù)膜”,阻礙了反應(yīng)物在反應(yīng)界面向內(nèi)外擴(kuò)散,增加了擴(kuò)散阻力,極大地降低了反應(yīng)速度。此階段從水泥粒子與水接觸開始,大約持續(xù)15分鐘,它經(jīng)歷了從快速成核到生長受限的轉(zhuǎn)變。
(3)反應(yīng)階段因素:
在水泥水化進(jìn)程里,第二階段是誘導(dǎo)期,從水泥與水接觸 15 分鐘起,持續(xù)到 4 小時(shí),對(duì)水泥漿體性能影響重大。誘導(dǎo)期早期,鋁酸鹽反應(yīng)占主導(dǎo)。鋁酸鹽在水泥礦物里反應(yīng)活性高,此時(shí)溶液中 SO?2?濃度關(guān)鍵。當(dāng) SO?2?濃度低,水泥體系成核作用過度,水化鋁酸鈣(C - A - H)生長過快,短時(shí)間內(nèi)漿體快速凝結(jié),即閃凝。像水泥生產(chǎn)中,若石膏摻量不足,SO?2?濃度低,易引發(fā)閃凝,影響混凝土施工質(zhì)量。
若 SO?2?濃度過高,大量成核使石膏晶體瘋長。假凝的水泥漿體里,石膏晶體生長和分布異常,干擾漿體結(jié)構(gòu),出現(xiàn)過早硬化假象,但不是正常凝結(jié)硬
SO?2?濃度合適時(shí),水泥體系發(fā)生利于水化的反應(yīng)。鈣釩石(AFt)晶體大量生成,其針狀、柱狀結(jié)構(gòu)填充漿體孔隙,增強(qiáng)密實(shí)度。水化硅酸鈣(C - S - H)膠體生成量增加,對(duì)強(qiáng)度發(fā)展關(guān)鍵。溶液中 SO?2?和 OH?濃度上升,推動(dòng)水化向水泥粒子內(nèi)部擴(kuò)展,產(chǎn)生滲透壓和機(jī)械力,決定水泥漿流變和凝結(jié)性能。
外加劑與水泥反應(yīng)物相互作用復(fù)雜,影響水泥擴(kuò)散、成核、生長過程。減水劑能改變水泥粒子表面電荷,利于分散,加速水化;緩凝劑則可延緩成核或抑制水化產(chǎn)物生長,影響混凝土工作性、強(qiáng)度、耐久性等性能。
水泥礦物成分與水反應(yīng)活性順序?yàn)?C?A(鋁酸三鈣)>C?S(硅酸三鈣)>C?S(硅酸二鈣)>C?AF(鐵鋁酸四鈣)。鋁酸鹽相及其水化產(chǎn)物在水化早期作用關(guān)鍵。鋁酸三鈣(C?A)與硫酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石(AFt)和單硫鋁酸鈣(AFm),調(diào)控鋁酸鹽反應(yīng)速度。鋁酸三鈣反應(yīng)活性高,直接與水反應(yīng)易閃凝,硫酸鈣參與反應(yīng)使水化更平穩(wěn)。摻外加劑影響硫酸鹽對(duì)水化速度的控制,進(jìn)而影響整體水化。水泥漿里,硫酸鈣要充分溶解,提供足夠離子生成硫鋁酸鈣,保證水化正常,避免閃凝、假凝。
實(shí)際中,假凝和閃凝特性、處理不同。假凝是石膏晶體異常生長致漿體暫時(shí)硬化,劇烈拌和能破壞結(jié)構(gòu),恢復(fù)流動(dòng)性,后續(xù)正常凝結(jié)。閃凝是鋁酸鹽與水快速反應(yīng)形成不可逆剛性結(jié)構(gòu),不加水只拌和無法消除。水泥生產(chǎn)時(shí),熟料溫度高,與石膏共磨使石膏脫水成半水、無水石膏,它們快速水化生成石膏,干擾正常水化,導(dǎo)致假凝。
二、混凝土假凝的表現(xiàn)及危害 在混凝土生產(chǎn)與施工中,假凝現(xiàn)象影響顯著。當(dāng)混凝土自攪拌機(jī)出料后,若 5 - 10 分鐘內(nèi)迅速喪失滾動(dòng)性、發(fā)硬,半小時(shí)內(nèi)完全失去流動(dòng)性,成型后有大量蜂窩麻面,硬化后強(qiáng)度降低,即可判定為假凝。 在水泥漿體系里,假凝常于水泥與水拌和后十分鐘內(nèi)出現(xiàn),15 分鐘后水泥變硬。用佛石膏時(shí),水泥漿變硬更快,因其晶體結(jié)構(gòu)與反應(yīng)活性影響水泥水化調(diào)節(jié)。 三乙醇胺用量超標(biāo),會(huì)使水泥初凝過短致假凝。它與水泥礦物反應(yīng),適量有緩凝作用,超標(biāo)則加速水化,使?jié){體過早失流。水泥自身初凝不合格,如鋁酸三鈣含量高、粉磨溫度不當(dāng)改變礦物組成與結(jié)構(gòu),也易引發(fā)假凝。 拌合物溫度過高,水泥水化反應(yīng)加快。溫度升高,水泥顆粒與水分子碰撞頻繁,水化產(chǎn)物生成過快,短時(shí)間出現(xiàn)假凝,像夏季高溫施工易因溫度控制不當(dāng)引發(fā)。速凝劑用量過大,促使水泥水化過于劇烈,打破水化平衡,也會(huì)導(dǎo)致假凝。 三、假凝問題的應(yīng)對(duì)策略 (1)緩凝劑的合理選用: 對(duì)于經(jīng)常發(fā)生假凝的水泥,我們可以嘗試使用羥基羧酸鹽、醚類和二甘醇等緩凝劑。這些緩凝劑有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),就是不會(huì)讓硬石膏等的溶解度降低,反而會(huì)使其增高,從而有效避免假凝現(xiàn)象。 (2)施工工藝的優(yōu)化: 采用先加水拌合混凝土,稍后過 1 - 2 分鐘再加入緩凝劑的措施,也能夠避免假凝的發(fā)生。這是因?yàn)橄茸屗嗯c水進(jìn)行初步反應(yīng),穩(wěn)定一下體系,再加入緩凝劑,能更好地調(diào)節(jié)水泥的水化進(jìn)程。 (3)外加劑與水泥的適配調(diào)整: 如果遇到假凝問題,還可以考慮更換復(fù)合外加劑品種,或者要求生產(chǎn)廠家調(diào)整外加劑的組分。同時(shí),更換水泥用量 1 - 2% 的無水硫酸鈉,也可能改善假凝情況。此外,直接更換水泥品種或批號(hào),從源頭解決問題,也是一個(gè)可行的辦法。 (4)溫度控制: 降低拌合物水溫也是控制混凝土出現(xiàn)假凝的有效手段。因?yàn)榘韬衔餃囟冗^高容易引發(fā)假凝,降低水溫能夠讓水泥的水化反應(yīng)更加平穩(wěn)地進(jìn)行。
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