全輕混凝土分層離析理論分析及控制措施淺析

陳 虎

(武漢水電測(cè)試中心有限公司，湖北 武漢 430060)

全輕混凝土是由輕粗集料、輕細(xì)集料、膠凝材料、水及外加劑等組分配制而成的一種輕集料混凝土。它具有質(zhì)輕高強(qiáng)、保溫隔熱性能良好、不燃等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用前景廣泛的無(wú)機(jī)保溫層材料。但因構(gòu)成全輕混凝土的各組分的固體顆粒大小和密度差異較大，不可避免的引起混凝土拌合物各組分的分離，進(jìn)而造成不均勻和失去連續(xù)性，產(chǎn)生分層離析不良現(xiàn)象。分層離析導(dǎo)致混凝土勻質(zhì)性變差、硬化混凝土性能劣化，從而影響全輕混凝土的推廣應(yīng)用。本文利用流體力學(xué)原理，在理論上分析了全輕混凝土分層離析的原因[1]，并通過(guò)調(diào)查現(xiàn)有的研究歸納出控制全輕混凝土分層離析的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)措施[2]。

1 理論原理分析

由于輕集料混凝土中各組分顆粒大小和密度不同，在拌合過(guò)程中，密度小的輕集料和水很容易上浮到混凝土上表面，而較重的砂漿相對(duì)下沉，形成與普通混凝土不同的分層現(xiàn)象。導(dǎo)致顆粒從分散介質(zhì)中分離的直接原因是它們之間發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生不同的位移。對(duì)于成型好的混凝土，由于各種顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不同造成了顆粒分布不均勻的現(xiàn)象。輕集料混凝土拌合物在振動(dòng)密實(shí)過(guò)程中處于“液化”狀態(tài)，這時(shí)作用在顆粒上的作用力有顆粒的自重（G）、拌合物的粘性抵抗力（F粘） 和浮力（F浮），假設(shè)以向上為正方向，根據(jù)流變學(xué)和力學(xué)原理，顆粒上浮的合立方程為：F浮-F浮-F粘-G，其中F粘=66πrην。

結(jié)合合立方程和牛頓第二定律可得輕集料顆粒的運(yùn)動(dòng)方程：

公式（1） 經(jīng)過(guò)整理式可：

對(duì)式（2） 積分，設(shè)定初始條件為t=0，ν=0，可得：

設(shè)ν 為顆粒的最終速度當(dāng)t→∞時(shí)可得到

2 全輕混凝土分層離析控制措施

在普通混凝土中，粗集料密度一般大于水泥漿體密度，即（ρc-ρ＜0），集料在拌合物中運(yùn)動(dòng)方向與假設(shè)方向相反，即朝下運(yùn)動(dòng)。對(duì)于全輕混凝土，即（ρc-ρ＞0），輕集料在混凝土拌合物中呈上浮運(yùn)動(dòng)。由公式（4） 可以看出，輕集料顆粒在混凝土拌合物中的運(yùn)動(dòng)速度ν 與輕集料顆粒半徑r 的平方成正比，與水泥漿體和輕集料顆粒的密度差（ρc-ρ） 成正比，與水泥漿體的粘度η 成反比。因此，影響全輕混凝土分層離析的關(guān)鍵因素是輕集料顆粒的粒徑大小，其次是水泥漿體的粘度和水泥漿體與輕集料顆粒的密度差。因此，根據(jù)公式（4），可歸納出以下控制全輕混凝土分層離析的關(guān)鍵技術(shù)措施[3、4]。

2.1 減小粗輕集料顆粒粒徑

粗輕集料顆粒的粒徑無(wú)疑是影響混凝土拌合物工作性能的最主要因素。粗輕集料的粒徑越小，顆粒分布越均勻，但隨著粒徑減小，輕集料顆粒的表面積增加，會(huì)導(dǎo)致水泥用量的增加，而水泥用量的增加會(huì)增加（ρc-ρ） 差值，這對(duì)降低輕集料混凝土的離析反而不利。

2.2 減小水泥漿體和輕集料顆粒的密度差

增加輕集料的密度：輕集料的預(yù)濕處理能減少混凝土拌合物的坍落度經(jīng)時(shí)損失，同時(shí)也增加了輕集料的密度。對(duì)輕集料進(jìn)行裹灰處理，在不增加輕集料本身密度的情況下，通過(guò)在輕集料表面覆蓋一層密實(shí)水泥殼，既增加輕集料的密度，同時(shí)也會(huì)降低輕集料的吸水率。降低水泥漿體密度：摻入粉煤灰等礦物摻合料等量替代水泥可在一定程度上降低水泥漿體密度；通過(guò)加入適量高性能減水劑，在保證工作性能和強(qiáng)度前提下，可減少水泥用量，降低水泥漿體密度；通過(guò)摻入適量引氣劑，在水泥漿體中引入分散均勻的細(xì)小氣泡，也可在一定程度上降低水泥漿體的密度。

2.3 增加水泥漿體粘度

增加水泥漿體粘度，可有效減緩輕集料顆粒在混凝土拌合物中的運(yùn)動(dòng)速度，降低混凝土拌合物的分層離析程度。但水泥漿體粘度增加，同時(shí)會(huì)降低混凝土拌合物流動(dòng)性能，摻入適量的增稠劑纖維素醚可有效改善全輕混凝土的粘聚性、和易性和孔結(jié)構(gòu)；在一定范圍內(nèi)，當(dāng)砂率增加時(shí)，顆粒的表面積增加，在水泥用量一定的情況下，拌和物的粘度會(huì)增加；摻入適量纖維可以在混凝土中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能有效地抑制輕集料的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于有機(jī)纖維非常細(xì)小，表面積大，需要吸附大量的水泥漿包裹其周?chē)?，使得混凝土的粘度增加；摻入適量的硅灰可提高漿體屈服應(yīng)力，增加漿體的塑性黏度。

3 結(jié)語(yǔ)

全輕混凝土是一種十分理想的高強(qiáng)輕質(zhì)的保溫材料，由于其組成材料自身特點(diǎn)的原因，在混凝土成型后很容易產(chǎn)生分層離析這種不利現(xiàn)象。如何有效降低全輕混凝土拌合物分層離析是其是否能廣泛應(yīng)用的前提。而解決混凝土分層離析的途徑，通過(guò)流體力學(xué)理論的推導(dǎo)，主要集中在粗集料顆粒粒徑、水泥漿體和輕集料顆粒的密度差和水泥漿體粘度這三個(gè)方面，同時(shí)本文總結(jié)了市面上現(xiàn)有的通過(guò)利用以上三個(gè)方面降低混凝土拌合物分層離析的各種途徑，理論結(jié)合實(shí)際，以期在解決全輕混凝土分層離析不利現(xiàn)象的研究上做出貢獻(xiàn)，以推動(dòng)全輕混凝土的研究和應(yīng)用，促進(jìn)建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。