水泥瞬凝與假凝的研究與防治

（鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院土木工程學(xué)院， 河南 鄭州 450000）

0 前言

瞬凝和假凝現(xiàn)象作為水泥凝結(jié)中兩種比較常見的異常凝結(jié)現(xiàn)象，對工程帶來的危害是極為嚴(yán)重的，這兩種異常凝結(jié)有著近乎一致的迅速凝結(jié)現(xiàn)象，但其產(chǎn)生的機(jī)理以及防治方法是完全不同的。為了確保施工進(jìn)度以及工程的質(zhì)量，我們需要從根源上來預(yù)防這兩種異常凝結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。

1 瞬凝與假凝現(xiàn)象的定義及其原理

1.1 瞬凝現(xiàn)象

水泥瞬凝(cement flash set)是水泥與水混合形成水泥凈漿或水泥砂漿后在短時(shí)間內(nèi)立即發(fā)生的一種異常的凝固現(xiàn)象，指的是水泥砂漿在遇水拌合時(shí)會放出大量的熱，同時(shí)漿體迅速結(jié)硬，就算再次加水?dāng)嚢橐膊粫蛊浠謴?fù)塑性的現(xiàn)象稱為水泥的瞬凝現(xiàn)象，也稱閃凝現(xiàn)象。

1.2 假凝現(xiàn)象

水泥假凝(false set of cement)是水泥用水調(diào)和形成水泥凈漿或水泥砂漿后發(fā)生的一種異常的早期固化或是硬化現(xiàn)象。水泥在發(fā)生假凝現(xiàn)象時(shí)沒有明顯的大量放熱現(xiàn)象和迅速硬化現(xiàn)象，且在不需要另外加水的情況下經(jīng)攪拌后漿體仍能恢復(fù)其塑性，并達(dá)到正常凝結(jié)，對強(qiáng)度影響不大的現(xiàn)象稱為水泥的假凝現(xiàn)象。

2 瞬凝與假凝現(xiàn)象產(chǎn)生的因素

2.1 水泥瞬凝現(xiàn)象出現(xiàn)的原因

1.C3A的含量或活性過高對瞬凝現(xiàn)象的影響

水泥瞬凝現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是因?yàn)樗郈3A的含量和活性過高引起的。

C3A在硅酸鹽水泥中，含量通常要求在 15%以下，遇水反應(yīng)最快，水化熱最高，其含量決定了水泥的凝結(jié)速度和釋放熱量的數(shù)量。通常我們在使用的時(shí)候需要加入石膏作為緩凝劑來調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)的速度，如果 C3A的含量和活性與加入石膏的數(shù)量和活性不相匹配時(shí)，就會導(dǎo)致水泥發(fā)生瞬凝現(xiàn)象。

還有一種情況就是水泥中的C3A含量過高，而同時(shí)C3AF的含量又過低，這樣的水泥遇水拌合后會迅速形成鋁酸鹽水化物導(dǎo)致瞬凝現(xiàn)象的發(fā)生。

2.熟料中堿含量對瞬凝現(xiàn)象的影響

熟料中如果含堿量過高時(shí)，水泥發(fā)生瞬凝和需水量以及早期的水化速率都會增加，原因是因?yàn)樗嘤鏊l(fā)生水化反應(yīng)時(shí)會產(chǎn)生氫氧化鉀以及氫氧化鈉，這兩種堿性物質(zhì)會與石膏發(fā)生反應(yīng)從而消耗掉一部分原本用來作為緩凝劑的石膏，這樣就會導(dǎo)致C3A的數(shù)量及活性與石膏的數(shù)量及活性不相匹配，從而使得水泥發(fā)生瞬凝現(xiàn)象。

3.在嚴(yán)重還原氣氛下煅燒熟料對瞬凝現(xiàn)象的影響

在還原氣氛下煅燒的熟料，煅燒爐中的溫度較低，硅酸鹽礦物固熔氧化鐵、氧化鋁的能力會下降，C4AF固熔氧化鋁的能力也會下降，這樣就會使得氧化鋁會大量以C3A的形式存在。

同時(shí)熟料中的三價(jià)鐵會被還原為二價(jià)鐵，形成鈣鐵橄欖石類礦物質(zhì)，會使得C4AF的含量減少，這樣氧化鋁因缺少固熔物質(zhì)就會以C3A礦物質(zhì)的形式存在，就會增加C3A的含量。

在嚴(yán)重的還原氣氛下煅燒熟料，熟料的結(jié)粒狀態(tài)比較大，冷卻效果比較差，這樣就會使C3A礦物質(zhì)形成晶體物質(zhì)，造成吸附減水劑能力最強(qiáng)的C3A礦物質(zhì)數(shù)量增多，使減水劑的飽和點(diǎn)與流動性經(jīng)時(shí)損失都增大。

4.溫度對瞬凝現(xiàn)象的影響

溫度對于水泥的性能來說具有很大的影響。在標(biāo)準(zhǔn)的溫度下水泥凝結(jié)的速度本來就比較快，如果使用的溫度一旦過高（超過35℃），其凝結(jié)速率就會變得更快，甚至?xí)霈F(xiàn)瞬凝現(xiàn)象。

2.2 水泥假凝現(xiàn)象出現(xiàn)的原因

影響水泥凝結(jié)速率和硬化強(qiáng)度的因素很多，除了熟料礦物本身結(jié)構(gòu)，它們相對含量及水泥磨粉細(xì)度等這些內(nèi)因外，還與外界條件如溫度、加水量以及摻有不同量的不同種類的外加劑等外因密切相關(guān)。

1.熟料以及緩凝劑對假凝現(xiàn)象的影響

假凝現(xiàn)象是一種不正常的硬化現(xiàn)象，其發(fā)生的原因一般是因?yàn)樗嘣谂c水混合后放熱造成石膏脫水，使石膏調(diào)節(jié)水泥緩凝的作用失效，C3A快速的水化凝結(jié)，其凝結(jié)放出熱量使得其他的熟料及礦物質(zhì)加速水化，最終使水泥漿凝結(jié)硬化出現(xiàn)假凝現(xiàn)象。

還有一種原因就是石膏作為緩凝劑加入的量過多。在水泥粉與水反應(yīng)的過程中，C3A的早期溶解的數(shù)量較少，而加入的石膏較多溶解過快，除了生成鈣礬石外，還有多余的 SO42-生成，進(jìn)而形成大量的次生石膏。次生石膏晶體呈片狀或是長條狀且體積較大，會導(dǎo)致水泥漿變硬隨即失去流動性進(jìn)而出現(xiàn)假凝現(xiàn)象。

2.水泥粉磨對假凝現(xiàn)象的影響

通常水泥粉磨的質(zhì)量和二水石膏的脫水率受粉磨工藝和溫度的影響，在這里我們引用日照一家企業(yè)所做的實(shí)驗(yàn)：

表一

通過實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，我們可以得出以下的結(jié)論:

① 開路磨的假凝值明顯低于閉路磨

② 同樣的原料由于粉磨工藝不同兩數(shù)據(jù)的結(jié)果相差很大

由此可以得出結(jié)論：粉磨的方式和粉磨質(zhì)量會對水泥的假凝現(xiàn)象產(chǎn)生很大的影響，開路粉磨比閉路粉磨的水泥更容易產(chǎn)生假凝現(xiàn)象。

3.溫度對假凝現(xiàn)象的影響

假凝現(xiàn)象的產(chǎn)生與水泥粉磨時(shí)的溫度也有密切的關(guān)系，水泥粉磨時(shí)收到高溫的影響，使得二水石膏脫水形成半水石膏，黨水泥遇水拌合之后半水石膏又會迅速水化為二水石膏形成針片網(wǎng)狀晶體進(jìn)而在水泥漿中形成晶體結(jié)構(gòu)網(wǎng)，引起水泥漿的固化。

4.堿性物質(zhì)對假凝現(xiàn)象的影響

假凝現(xiàn)象的發(fā)生也與水泥中的酸堿程度有關(guān)，水泥中如果含有的堿性物質(zhì)過多，也會使的水泥發(fā)生假凝現(xiàn)象。

① C3S是水泥熟料礦物中的重要組成部分，當(dāng)水泥遇水拌合之后，C3S會發(fā)生水解反應(yīng)生成 Ca(OH)2，如果水泥中含有的堿性物質(zhì)過多，其中的碳酸鹽就會與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)形成CaCO3沉淀，使得水泥出現(xiàn)假凝現(xiàn)象。

② 對于某些含有堿性物質(zhì)的水泥，其中所含的硫酸鉀會與二水石膏發(fā)生反應(yīng)形成鉀石膏（K2SO4·CaSO4·H2O）結(jié)晶并且迅速長大，使得水泥出現(xiàn)假凝現(xiàn)象。

3 瞬凝與假凝現(xiàn)象的危害及案例

3.1 瞬凝現(xiàn)象的危害

水泥瞬凝現(xiàn)象發(fā)生時(shí)會伴隨著放出大量的熱量，若此時(shí)水泥在近乎密閉的空間里發(fā)生瞬凝現(xiàn)象，就會使得熱量不斷積累，混凝土溫度不斷升高，而溫度的升高又會使水泥加快水化，導(dǎo)致混凝土的凝結(jié)速率加快影響施工。

2001 年，安徽省某一施工隊(duì)在進(jìn)行建筑工程實(shí)際操作的過程當(dāng)中，由于前期忽視了在制造硅酸鹽水泥過程中水泥漿體的前期變化，其中的氫氧化鈣濃度飽和時(shí)所水化的 C4A晶體由于處理不當(dāng)，從而急速生成了大量的片狀水化鋁酸鹽礦物（C4AH19、C2AH8）互相搭接在漿體中形成網(wǎng)絡(luò)骨架，同時(shí)C3A含量或活性過高，而石膏摻量偏低最終導(dǎo)致其在水泥漿體的堿性介質(zhì)中迅速增長，從而致使產(chǎn)生了瞬時(shí)凝結(jié)。最終導(dǎo)致了所建大型建筑物的坍塌，所幸建筑處于完善期并無出現(xiàn)人員傷亡。隨后，施工隊(duì)改變了水泥中石膏的摻量和形態(tài)，通過對水泥的流變性進(jìn)行了評價(jià)與測定，最終解決了這一問題。

3.2 假凝現(xiàn)象的危害

假凝現(xiàn)象雖然在不用在加水的情況下二次拌合就能恢復(fù)水泥的塑性，但這種不正常的早期固化現(xiàn)象會嚴(yán)重影響施工，延緩工程的施工進(jìn)度，也會導(dǎo)致其配置的混凝土的質(zhì)量上大打折扣。

2005 年，四川省成都市某一建筑施工隊(duì)在進(jìn)行對濕拌砂漿的生產(chǎn)加工過程當(dāng)中，在生產(chǎn)預(yù)拌砂漿時(shí)，當(dāng)砂漿在剛生產(chǎn)出來時(shí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到給定要求，但是在未達(dá)到開放時(shí)間時(shí)由于施工對于時(shí)間的要求提前進(jìn)行了對砂漿的使用，使砂漿在1-3h內(nèi)的稠度突然變化降低了80%以上，導(dǎo)致了砂漿最終失去了和易性從而造成了不正常的早期固化，水泥漿經(jīng)過劇烈的攪動還破壞了二水石膏的結(jié)構(gòu)網(wǎng)，在攪動過程中水泥溫度過高還破壞了砂漿的穩(wěn)定性，最終使?jié)癜枭皾{的質(zhì)量大打折扣并且導(dǎo)致接下來的施工難度不斷升級。

4 瞬凝與假凝現(xiàn)象的判定、預(yù)防與調(diào)控

4.1 瞬凝與假凝現(xiàn)象的判定方法

瞬凝現(xiàn)象和假凝現(xiàn)象都屬于水泥的異常凝結(jié)現(xiàn)象，都是水泥的一種不正常的早期固化或早期硬化現(xiàn)象，但兩種現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理以及兩者帶來的危害是大為不同的。當(dāng)水泥遇水拌合發(fā)生異常的凝結(jié)時(shí)，我們可以根據(jù)以下幾點(diǎn)來判斷究竟是發(fā)生了哪種異常凝結(jié)現(xiàn)象：

1.通過時(shí)間來判定

按照國標(biāo)《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007規(guī)定：硅酸鹽水泥等其他種類的初凝時(shí)間不得早于45min ，而兩種異常的凝結(jié)現(xiàn)象的凝結(jié)在遇水拌合后都是迅速凝結(jié)，其凝結(jié)時(shí)間都少于45min。

瞬凝現(xiàn)象是水泥遇水?dāng)嚢柚笤跀?shù)秒至數(shù)分鐘內(nèi)迅速凝結(jié)硬化，而假凝現(xiàn)象是在長于幾分鐘內(nèi)迅速凝結(jié)硬化，我們可以初步通過凝結(jié)時(shí)間的長短來判斷；

2.通過溫度變化來判定

瞬凝現(xiàn)象的產(chǎn)生會伴隨著放出大量的熱量，而假凝現(xiàn)象則無明顯溫度變化。

3.通過二次拌合的塑性變化來判定

水泥加水并且經(jīng)過二次攪拌后仍不能恢復(fù)其原有塑性，并對強(qiáng)度有明顯影響的現(xiàn)象是瞬凝現(xiàn)象。

在不需要另外加水的情況下經(jīng)攪拌后漿體仍能恢復(fù)其塑性并達(dá)到正常凝結(jié)，對強(qiáng)度影響不大的現(xiàn)象為假凝現(xiàn)象。

4.2 瞬凝現(xiàn)象的預(yù)防與調(diào)控

瞬凝現(xiàn)象產(chǎn)生后會放出大量的熱，在拌和前應(yīng)該注意各種摻合料的添加量，同時(shí)控制好溫度的變化。所以瞬凝現(xiàn)象的預(yù)防手段，可以從下列幾個(gè)方面入手：

① 避免C3A的含量過高產(chǎn)生水化現(xiàn)象，我們需要加入適應(yīng)數(shù)量的石膏作為緩凝劑（注：最好將硬石膏和二水石膏按一定的比例搭配作為水泥的緩凝劑）；

② 注意控制熟料中堿類物質(zhì)的添加量，過高可能會產(chǎn)生瞬凝現(xiàn)象；

③ 注意不要在嚴(yán)重還原條件下煅燒熟料；

④ 控制好水泥使用時(shí)的溫度以及周邊環(huán)境的溫度變化。

4.3 假凝現(xiàn)象的預(yù)防與調(diào)控

假凝現(xiàn)象不僅存在于水泥的拌和過程中，生產(chǎn)預(yù)拌砂漿時(shí)也同樣會產(chǎn)生。假凝現(xiàn)象主要是在前期拌和過程中混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)失水而導(dǎo)致的早期固化或者變硬的現(xiàn)象。

關(guān)于假凝現(xiàn)象的有效預(yù)防措施，可以從以下幾點(diǎn)著手：

① 確保熟料中各物質(zhì)的含量與加入石膏和水的數(shù)量相匹配；

② 注意粉磨的工藝方式以及應(yīng)適當(dāng)延長攪拌的時(shí)間，產(chǎn)生避免假凝現(xiàn)象；

③ 在粉磨時(shí)適當(dāng)降溫，避免溫度過高造成二水石膏脫水形成半水石膏；

④ 注意堿性物質(zhì)的添加量不宜過多。

5 總結(jié)

① 雖然瞬凝和假凝發(fā)生的表面現(xiàn)象都是水泥遇水拌合后迅速失去塑性，但其內(nèi)在結(jié)構(gòu)、熱量變化以及產(chǎn)生的機(jī)理是截然不同的，我們可以根據(jù)一些細(xì)微的現(xiàn)象或措施來進(jìn)行判斷。

②瞬凝現(xiàn)象和假凝現(xiàn)象的發(fā)生雖然機(jī)理不同，但究其本質(zhì)確實(shí)萬殊一轍的，是由于C3A、石膏、溫度、堿性等因素造成的。

③瞬凝現(xiàn)象和假凝現(xiàn)象的發(fā)生都會對施工過程以及工程質(zhì)量帶來危害，所以我們要從根源上來預(yù)防這兩種異常凝結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。

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