一种解决矿渣水泥混凝土泌水的方法

中铁五局路桥公司      徐勇波   李昱强   涂凯   杨志华    王飞

摘要

矿渣水泥本质上是泌水的，在施工中随着结构物浇筑高度增加，给矿渣水泥混凝土所带来的压力也会增加，它会加剧矿渣水泥混凝土泌水。本文介绍了一种解决矿渣水泥泌水的方法，优选分子量10万及以上的甲基羟丙基纤维素改善混凝土的性能，用混凝土压力泌水率表征矿渣水泥混凝土的泌水性能，提出了测定压力泌水率的方法，结合施工过程，确定了使用增稠剂控制矿渣水泥混凝土的压力泌水率不大于0.2%时，矿渣混凝土混凝土在浇筑高度达到10米时也不会泌水。此项技术已在三个工点的桥梁和隧道混凝土中应用，取得了良好的效果。

关键词     矿渣水泥, 矿渣水泥混凝土, 泌水, 压力泌水率, 增稠剂

一、简介

混凝土作为一项工程，包括原材料品质、配合比设计、原材料检验、计量拌和、运输、浇筑振捣、养护等过程，会遇到各种问题。矿渣水泥混凝土泌水的本质在于矿渣水泥的泌水，而浇筑高度所带来的静压力会加剧矿渣水泥混凝土的泌水问题。使用增稠剂可以彻底改善矿渣水泥混凝土的性能。我们定义了混凝土的压力泌水率，用它来表征混凝土的泌水性能，并设计和确定了测定方法，并结合工程实施过程，确认混凝土压力泌水率不超过0.2%时，一次浇筑10米高，混凝土也不会泌水。使用分子量在10万以上的增稠剂改善矿渣水泥混凝土，其掺量范围在胶凝材料质量的0.02%~0.2%，使得压力泌水率不超过0.2%的规定限值，可以彻底解决矿渣水泥混凝土泌水的老大难问题，扩大了水泥原材料的可选择种类。

二、 矿渣水泥的泌水问题              

矿渣水泥是由硅酸盐水泥熟料（及石膏）和粒化高炉矿渣共同粉磨而制得，矿渣占水泥总质量的20%以上。由于矿渣比水泥熟料更难粉磨，因此在控制水泥的细度前提下，水泥熟料已充分磨细，矿渣还没有达到需要的细度，这种水泥必定会泌水。泌水的混凝土上部疏松、碎石等等粗颗粒下沉到底部，可能导致混凝土因为塑性沉降而形成裂纹；同时泌水留下的通道使得外部侵蚀介质更容易进入到混凝土内部，导致混凝土耐久性性能降低，不能达到高速铁路定义的高性能混凝土的要求。

在工程实践中，往往在浇筑高度达到3米左右时，肉眼就可以见到混凝土开始显现出泌水的问题。泌水从结构中心开始，快速向四周扩展，严重时中部会呈现泉眼一样出水，最终会显现出整体泌水。其严重程度可见图1至图3以及这个视频1。

图1 泌水改善前硬化混凝土的外观

图2 泌水改善前施工过程中泌水

图3泌水改善前施工过程中泌水

针对矿渣水泥混凝土泌水的问题，现行的解决办法是单独粉磨矿渣，使得其细度远远高于水泥细度，这就是当前正在使用的磨细矿渣粉，要求其比表面积达到4500cm²/g以上，矿渣粉作为矿物外掺料，与水泥复合使用配制混凝土不会产生严重泌水（即使有，也可以通过调整配合比解决）。它的缺点是能耗大、生产效率低、成本高；且粉磨太细会导致矿渣粉水化太快，放热量过高，放热量更集中，在水化初期，混凝土温升太快，产生温差裂缝的可能性增大。

我们提出的解决方法是直接解决矿渣水泥泌水的方法。高分子化合物，比如甲基羟丙基纤维素可以改善水的稠度，从而改善混凝土的稠度，使得水不易从混凝土拌合物中分离出来。这是我们解决矿渣水泥混凝土的基本思路。但是加多少，如何表征混凝土的压力泌水性能，如何判定泌水性能已得到彻底改善，要求我们找到表征性能的指标，并确定测定该指标的方法，还得确认此指标的限值。只有这样，才是一套完整的方法可以用于指导施工。

我们通过多种试验并多次在工程施工中实施，才确定了这一套完整的方法。

三、 解决矿渣水泥混凝土泌水的实施方式

1优选甲基羟丙基纤维素

有很多增稠剂可以用到混凝土中，比如甲基羟丙基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇以及水溶性淀粉等等，种类繁多，不一而足。通过试验，我们发现分子量为10万及以上的甲基羟丙基纤维素效果最好，可以解决矿渣水泥混凝土泌水。效果好指两个方面，第一个改善混凝土性能效果明显，第二个是指在施工中易于将其溶解到水中并将水溶液与液体减水剂混合复配使用，这样完全不必改动正常的施工工艺。增稠剂能增加水泥浆体的稠度、提高混凝土黏聚性、包裹性和保水性，如果掺量适当，则可以解决矿渣水泥混凝土泌水的问题。

2表征泌水性能改善的指标

混凝土的泌水有两种类型，一种是因为配合比设计不当造成的泌水，比如少用了细粉料、多用了水、多用或滥用减水剂，也可能是砂子中细颗粒太少等等泌水，这些泌水都可以通过调整配合比消除或大为缓解，我们称之为普通泌水，混凝土即使存在普通泌水，其泌水量也是有限的；另外一种泌水，即使用泌水性特别强的矿渣硅酸盐水泥配制的混凝土，它的泌水特别强，泌水量特别多，可以将大部分的混凝土拌合用水都分泌出混凝土，并且泌水速度还特别快，这类泌水我们称之为特殊泌水。

硅酸盐混凝土的初凝时间往往得有4~6个小时，如果使用一定的保坍剂和缓凝剂，这个过程会更长；在它初凝之前，随着浇筑高度的增加，混凝土内部压力也会增加，因此在实际施工中，混凝土处于压力和振动密实的持续作用的状态，这无疑会加强矿物混凝土混凝土的泌水。

现行的国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法》（GB/T50080-2016）提供了两种测定混凝土泌水性能的方法。一种是在无压力作用下的泌水，它测定的是在规定时间内单位面积的泌水量。另一种则是在高压力下，即3.2MPa下、10秒和140秒下的泌水量之比，它的测定对象是在泵送管道中的混凝土在高压下的泌水能力。这两种测试方法都是针对混凝土泌水设计的，但设计时所考虑的重点不一样。前一个方法是认为混凝土不应该泌水，或只能有十分少量的泌水，在这种前提下来测试某种混凝土是否会因为配合比设计、原材料的微小差异导致的混凝土泌水，是针对正常混凝土设计的。后一种方法是希望在泵送压力作用下，混凝土应该有一定的泌水量以便能持续润滑泵送管道，但又不能有太大的泌水量导致混凝土中浆液太清，稠度不足，在压力作用下混凝土浆液快速流失，会堵塞管道而导致泵送失败。但这个设计考虑了管道中混凝土在高压持续作用下的泌水，这是它与前一个方法的不同之处，仍然是针对混凝土性能以及所处的操作状态设计的。

矿渣水泥混凝土与普通水泥混凝土是不同的混凝土，其根本差别在于矿渣水泥导致混凝土的本质是泌水混凝土；使用前一种方法无法衡量在持续压力作用混凝土的泌水性能，在无压力状态下的测试会产生误判，这种误判错误我们称为第一类错误，即将具未能彻底改善判定为已彻底改善的错误；使用第二种方法压力太高，将不泌水的混凝土也判定为泌水混凝土；该测试的本意是希望此时混凝土应该泌水，所以会产生将泌水性能已大大改善的混凝土判定为未改善性能；我们称这类错误为第二类错误，即将不泌水的混凝土判定为泌水的混凝土。

为了能反应矿渣水泥混凝土泌水性能得到切实改善、使得经过加入增稠剂后的矿渣水泥混凝土在浇筑高度达到10米的情况下也不会发生泌水，必定要使用有压测量，即使用压力泌水指标来反应它的性能；由于矿渣水泥混凝土的泌水量与它的拌合水量有一定的关系，拌和水量越多，则它泌出的水越多，拌合水量越少，泌出的水相对也会越少。因此，使用压力泌水率可以反应矿渣水泥混凝土的泌水性能。所以，我们定义矿渣水泥混凝土的压力泌水率为：

ρ=\frac{w_{0}}{w} {\dots}{\dots}{\dots}{\dots}{\dots}{\dots}{\dots}(1)

其中：

ρ: 混凝土压力泌水率

w_{0}: 被测混凝土在规定试验条件下泌出水量

w: 被测混凝土拌合用水量

我们用压力泌水率来反应它的泌水性能。很明显，压力泌水率越大，则表明混凝土泌水性能越差，压力泌水率越小，表明其抵抗压力泌水的能力越高。

3测试压力泌水率

我们在压力泌水率的定义中并没有强调如何测定压力泌水率，即应该使用什么压力、持荷时间应该多长，因为这是需要认真讨论分析并通过试验和工程实践来确定的。

前面我们已讨论了并在试验及工程实践认识到了，无压力下的泌水率与高压下的泌水率会导致两类错误，所以测定这种条件下的压力泌水率，并不能指导我们正确地确认增稠剂的用量，也不能保证施工过程完全不泌水。因此，必须要在这0.0~3.2MPa之间通过试验和工程实践确认什么样的压力以及持荷时间条件下测定的泌水率，既能反应混凝土泌水性能的改善情况，又能确认压力泌水率应该达到什么限值可以保证矿渣水泥混凝土在浇筑高度十米范围内不会再泌水，从而可以确定增稠剂应该使用的剂量。

标准《普通混凝土拌合物性能试验方法》（GBT50080-2016）规定的压力泌水率检测仪十分完善，完全可以借用。

如果浇筑高度达到10米，那么对底部的压力会达到0.24MPa，如果试验时采用2倍的压力，在140秒持荷时间下，测定压力泌水率为零。在这种条件下加入增稠剂用于工程实践，在浇筑高度达到5米时仍然泌水，泌水严重程度与未加增稠剂差不多，只是在更高一点的浇筑高度处开始泌水。这说明试验中采用的0.5MPa压力、140秒的持荷时间还不足以表征混凝土的泌水性能已彻底改善，问题已得到解决，导致出现了第一类错误。

无故增加试验持荷时间不是一个好的解决方案，所以要确认测定压力泌水率的试验 方案并不需要从增加持荷时间开始，我们还是想增加压力。因此采用折半法搜索合适的测定压力，0.5~3.2MPa的中点为1.8左右，所以我们用2.0MPa的压力。在这种压力下，要在140秒持荷时间范围内混凝土不泌水，则需要增加增稠剂的掺量达到异乎寻常的高，致使混凝土十分粘稠，在工程实践中，导致搅拌、运输、转运、浇筑、振动密实都相当困难。这让我们想到有可能混凝土性能已得到彻底改善，但由于测试压力太高而认为未得到改善，导致出现了第二类错误。因此，还得减少测定的压力。通过这种折半搜索的方式，经过不断试验以及工程验证，我们确认在1.0MPa的前提下，持荷时间140秒，压力泌水率在0.0%~0.2%的范围内，能确保矿渣水泥混凝土的泌水性能得到彻底的改善。经过这种室内试验——工程验证的模式，我们还摸索出了增稠剂的使用量在0.02%~0.2%之间。

四 工程实践

我们经历了多次试验--工程实践的反复，其中有多次失败，最终才彻底解决了矿渣水泥混凝土泌水的问题。在这一节，我们将向读者汇报成功地用于工程实践的配合比以及压力泌水率的测定值。经过一年左右的时间，这一方案已在两个桥梁项目400个桥墩、一个隧道项目200米隧道二次衬砌混凝土中成功应用。

在桥梁实施中，一个典型的配合比可见表1。配合比设计和实践中，保证了在坍落度200~220mm、扩展度为520~560mm，其测试结果见表2（表2中仍然有几组扩展度超过了560mm的要求）。

表1                      配合比原材料使用情况数量表（kg/m³）

水胶比	水泥	粉煤灰	砂	碎石	减水剂	水
0.40	316	79	731	1096	3.96	158

表2                   混凝土压力泌水性能和工作性能试验结果

序号	压力泌水量（g）	压力泌水率（%）	初始坍落度（mm)	初始扩展度（mm)	含气量（%)	增稠质量占胶凝材料的百分数（%)
1	8.9	3.1	200	560	3.2	0.00
2	3.6	1.2	220	590	4.1	0.01
3	0.6	0.2	220	540	4.0	0.02
4	0.3	0.1	210	595	4.1	0.03
5	0.0	0.0	205	520	3.4	0.05
6	0.0	0.0	215	565	3.9	0.07
7	0.0	0.0	220	540	4.1	0.09
8	0.0	0.0	205	535	4.0	0.1
9	0.0	0.0	215	555	4.8	0.2

图4至图6是混凝土性能改善后的硬化混凝土外观以及施工过程，动态施工过程可见这个泌水改善后的视频2。无论是外观，还是施工过程没有看到任何特殊泌水的现象。

图4 改善后硬化混凝土外观

图5 改善后的施工过程

图6改善后的施工过程

在工程中使用这一技术，无论是配合比设计、坍落度及坍落扩展度要求都不会受到影响，工艺过程也不会因为这一技术受到任何限制，取得了极大的成功。目前这一技术已在两个项目工程400多个桥墩上应用，还在一个项目的隧道工程300延长米的二次衬砌混凝土中推广应用，进一步验证了它的可靠性。

五、结论

1、矿渣水泥的本质是泌水的，这种泌水与普通混凝土的泌水不同，其泌水量极大。混凝土在静压力作用下会加剧泌水问题。这种严重的泌水会导致混凝土形成内外连通的通道，外界侵蚀介质加速进入混凝土内部，使得混凝土的耐久性性能急剧下降，违背了高速铁路高性能混凝土的基本原则。这种严重泌水还有可能导致混凝土塑性沉降开裂，结构安全性能受到威胁。

2、增稠剂可以在基本不改变现行混凝土施工工艺的前提下改善混凝土的泌水性能，彻底解决矿渣水泥混凝土泌水的严重问题,增稠剂的分子量应该不小于10万。

3、我们定义了表征矿渣水泥混凝土的特殊泌水的性能指标，即压力泌水率。它与当前标准规定的泌水率的定义都不相同，反映了矿渣水泥混凝土性能的特殊性。

4、以浇筑高度10米作为前提条件，为了测定矿渣水泥泌水性能的改善状况，需要在1.0MPa静压力下持荷140s测定压力泌水率，压力力泌水率的限定值为0.0%~0.2%的范围内，可以彻底改善矿渣水泥混凝土的泌水性能。

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