混凝土表層出現(xiàn)“黑色泡沫土”成因及解決方法分析

曲新業(yè)

（濟南鐵路誠意工程檢測有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

中國高速鐵路快速發(fā)展，速度350km/h 的鐵路不斷涌現(xiàn)，混凝土方量越來越大、混凝土強度和耐久性指標(biāo)越來越高，對混凝土質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格。但伴隨著優(yōu)質(zhì)地材等原材料的衰減，混凝土的各種病態(tài)不斷出現(xiàn)，“黑色泡沫土”只是其中一種，因此在混凝土生產(chǎn)過程中不僅要嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，優(yōu)化配合比設(shè)計，還需要在混凝土澆筑過程中嚴(yán)格把關(guān)。

“黑色泡沫土”是一種幾乎沒有任何質(zhì)量和強度并充斥了大量氣泡的混凝土副產(chǎn)品，形狀猶如“發(fā)泡膠”，在工程中沒有任何用處。在混凝土澆筑過程中，由于材料、工藝及混凝土離析、環(huán)境條件等多方面的原因往往會導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生“黑色泡沫土”，特別是高標(biāo)號混凝土更易形成“黑色泡沫土”。

1 項目背景

新建濟南至萊蕪高速鐵路是設(shè)計速度350km/h的高速鐵路，新建濟南至萊蕪高速鐵路JLTJ-1 標(biāo)為先期開工標(biāo)段，起訖里程DK71+583.55—DK76+261.95，標(biāo)段全長4.678km，其中路基段長158m，占標(biāo)段總長的3.38%；隧道長4.520km，占標(biāo)段總長的96.62%。新建濟南至萊蕪高速鐵路工程JLZQTJ-4 標(biāo)起訖里程為：DK55+655—DK71+583.55，線路長度15.929km。該標(biāo)段包含橋梁10 座共計4.531km；隧道4 座共計7.912km。

在隧道施工過程中部分仰拱、邊墻混凝土澆筑過程中發(fā)現(xiàn)混凝土表面出現(xiàn)大量黑灰色氣泡凝固后形成泡沫層，無強度，泡沫層與混凝土表面分層明顯，剔除黑色泡沫層后就是硬化的混凝土層，混凝土強度明顯偏高。為日后更好地控制混凝土質(zhì)量，避免出現(xiàn)“黑色泡沫土”，現(xiàn)將施工過程中原材料、混凝土攪拌、混凝土運輸、混凝土澆筑等過程中的質(zhì)量控制措施進行研究分析，找出出現(xiàn)“黑色泡沫土”的原因及控制措施。

2 “黑色泡沫土”研究的內(nèi)容及目的

2.1 內(nèi)容

研究“黑色泡沫土”的物理、化學(xué)成分；通過水泥、粉煤灰、減水劑成分分析，研究“黑色泡沫土”中黑色粉狀物形成原理；通過減水劑、混凝土拌制研究“黑色泡沫土”中氣泡產(chǎn)生的原理；通過粉煤灰、水泥與減水劑相容性試驗尋找黑色油狀物的具體來源[1]。

2.2 目的

通過室內(nèi)試驗尋找黑色粉狀物的來源及混凝土“黑色泡沫土”的解決方法。

3 “黑色泡沫土”室內(nèi)試驗

第一，原材料，包括：山東山鋁環(huán)境新材料有限公司“山鋁牌”P·O42.5 水泥；華能萊蕪發(fā)電有限公司I級粉煤灰；安徽中鐵工程材料科技有限公司聚羧酸系減水劑。

第二，材料成分，表1 為水泥成分，表2 為粉煤灰成分，表3 為減水劑成分，表4 為黑色泡沫土成分。

表4 黑色泡沫土成分

第三，根據(jù)成分分析，“黑色泡沫土”燒失量及二氧化硅含量較高，主要成分均為水泥或粉煤灰中的輕質(zhì)材料。黑色成分、大量氣泡通過減水劑性能和相容性試驗（無粉煤灰）及試件外觀和顏色可以明確判定是水泥中的成分引起的，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)水泥廠的助磨劑為原灰（電廠的初級副產(chǎn)品），對原灰進行相應(yīng)試驗顯示：低質(zhì)量原灰是“黑色泡沫土”的黑色輕物質(zhì)的主因，其次是粉煤灰引起的。水泥廠剔除原灰后，“黑色泡沫土”已經(jīng)杜絕，沒有再次出現(xiàn)黑色輕物質(zhì)的情況，但現(xiàn)場還存在不定期的“氣泡層”。

4 “氣泡層”形成原因

“氣泡層”顧名思義是上浮于混凝土表面的一層或幾層氣泡或存在混凝土中的含有氣泡的不密實結(jié)構(gòu)，氣泡會降低混凝土承載能力。大的氣泡多了之后，混凝土不能包裹好鋼筋，與空氣、水接觸后，混凝土耐腐蝕性降低，影響結(jié)構(gòu)外觀和質(zhì)量。

氣泡的來源可以分為：一是原材料引入（粗、細(xì)骨料、水等）；二是混凝土拌和站攪拌過程中引入；三是混凝土運輸、澆筑過程中引入；四是膠凝材料與減水劑不相容產(chǎn)生氣泡；五是混凝土和易性差。對上述存在的問題逐一分析。

4.1 原材料原因

4.1.1 粉煤灰脫硫不充分

由于粉煤灰脫硫工藝不充分或燃燒不充分等原因，在混凝土表面形成一層油脂，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生氣泡無法排出，氣泡附著輕質(zhì)材料，堆積在混凝土表面，形成灰色泡沫層。

4.1.2 水泥助磨劑不合格

水泥廠采用質(zhì)量低下的原灰、礦渣、鋼渣等在燃燒不充分的條件下，在混凝土表面形成一層油脂，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生氣泡無法排出，氣泡附著輕質(zhì)材料，堆積在混凝土表面，形成灰色泡沫層[2]。

4.1.3 減水劑、引氣劑引入

很多減水劑氣泡含量過高或試拌過程中加入了與膠凝材料不相容的化工原料都能造成氣泡過多。

引氣劑能顯著改善新鮮混凝土拌和物的勻質(zhì)性和施工性能，也使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性得到增強，但實際情況是低質(zhì)量的引氣劑非但沒有改善混凝土的和易性，反而造成混凝土廢氣泡激增。

4.2 混凝土拌和站攪拌、運輸過程中引入

在混凝土生產(chǎn)過程中，粗、細(xì)骨料、水等在攪拌、運輸過程中將空氣引入。

4.3 膠凝材料與外加劑不相容產(chǎn)生氣泡

粉煤灰、水泥、減水劑之間不相容，按照一定比例將粉煤灰、水泥、減水劑加水?dāng)嚢?。《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10424—2018）中減水劑含氣量技術(shù)要求增加了3%～6%規(guī)格要求，目前施工中，減水劑規(guī)格均為3%～6%，導(dǎo)致混凝土含氣量偏高，產(chǎn)生大量氣泡，同時粉煤灰或水泥與減水劑混合過程中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)大量氣泡，在混凝土水化過程中輕質(zhì)材料（石粉、粉煤灰）隨水泡、氣泡上浮至表層，形成灰色泡沫層。

5 “黑色泡沫土”形成過程原因分析

5.1 原材料

5.1.1 水泥中的助磨劑應(yīng)要求水泥廠選擇質(zhì)量合格且穩(wěn)定的原材料，在混凝土試拌過程和生產(chǎn)過程中水泥廠家應(yīng)全程參與，調(diào)整水泥助磨劑、混合材料種類。

5.1.2 膠凝材料與減水劑的相容性按照標(biāo)準(zhǔn)要求進行試拌試驗合格后方可使用。當(dāng)水泥出現(xiàn)質(zhì)量波動時，也應(yīng)逐批與外加劑進行相容性試驗。

5.1.3 粗骨料選擇粒形良好、級配合理、質(zhì)地堅固、吸水率低、線膨脹系數(shù)小的潔凈碎石，重點關(guān)注空隙率試驗，選擇空隙率最小的二、三級配的碎石。

5.1.4 細(xì)骨料選擇級配合理（細(xì)度模數(shù)為2.3～3的中砂），質(zhì)地堅固，吸水率、空隙率小的細(xì)骨料，空隙率與砂率相對應(yīng)。

5.2 混凝土配比

混凝土試配過程中除了滿足基本的方法要求外，重點關(guān)注膠凝材料與減水劑的相容性和空隙率。膠凝材料過多會造成混凝土黏度增加，大氣泡不易排出，可以用添加粉煤灰或是礦粉解決。

5.3 混凝土生產(chǎn)

拌和站生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格按照施工配比執(zhí)行，嚴(yán)禁在生產(chǎn)、運輸、施工過程中肆意加水，施工時要滿足坍落度和流動性的要求，在澆筑混凝土?xí)r先進行混凝土坍落度和流動度試驗，否則不得澆筑。在滿足坍落度和流動性且水灰比在合理范圍內(nèi)（不會對后期混凝土的振搗產(chǎn)生影響和不產(chǎn)生對可避免的結(jié)構(gòu)表面有害的氣泡）可以加入少量外加劑（如減水劑、引起劑）。外加劑的用量、水的用量這兩者都要符合規(guī)范要求。

在規(guī)定時間內(nèi)混凝土攪拌要均勻，當(dāng)發(fā)現(xiàn)混凝土和易性差使用外加劑進行調(diào)整時，應(yīng)在30min 內(nèi)摻加外加劑。否則外加劑攪拌不均勻起不到相應(yīng)的作用，反而對混凝土和易性、結(jié)構(gòu)強度造成影響。需要特別強調(diào)的是，混凝土攪拌站的技術(shù)工作人員在進行二次調(diào)配時，要均勻攪拌，使新加的外加劑均勻分布在原來的混凝土拌和物中。同時也要保證混凝土的和易性、坍落度、流動度都滿足要求。攪拌時間也不能過長，不得超過混凝土攪拌規(guī)范時間。為了提高均勻性，要用機械攪拌[3]。

5.4 混凝土澆筑、振搗問題，振搗力度不夠氣泡不易排出

混凝土澆筑過程中經(jīng)常會用到地泵或天泵。天泵的泵送效率應(yīng)與混凝土最大粒徑相適應(yīng)；泵送下料口宜能移動且混凝土自由傾落高度不宜超過2m。

現(xiàn)場管理人員要督促、監(jiān)督到位，對現(xiàn)場施工敷衍了事、不按照施工程序步驟施工的人員要嚴(yán)厲批評并給予及時糾正。施工步驟和注意事項是：應(yīng)分層布料，分層振搗。

5.5 脫模劑問題

選用質(zhì)量差的脫模劑，會造成氣泡排不出。選擇質(zhì)量好的脫模劑，在混凝土澆筑、振搗的過程中，質(zhì)量高的脫模劑有利于氣泡的流動并沿著模板流動上升并排出。

5.6 模板問題

首先，模板的選取要光滑且優(yōu)質(zhì)耐腐蝕?；炷涟韬臀锸菈A性的且具有腐蝕性，如果模板是劣質(zhì)的，不僅不能起到模具的作用而且會造成混凝土拌和物流失，造成不必要的經(jīng)濟損失。其次，模板要選用通氣性好的，促進有害氣泡的排出。

5.7 二次振搗和二次收面

二次振搗的混凝土是要接近于初凝階段的混凝土，這個時間階段的混凝土在強度上較第一次澆筑時有所增大，所以要用高頻率的振搗棒才會振搗均勻，新添加的外加劑才會均勻分布在混凝土攪拌物中。

二次收面可以消除表面氣泡和浮漿，減少混凝土裂縫。

6 結(jié)論

綜上所述，流動性、和易性優(yōu)質(zhì)的混凝土，避免“黑色泡沫土”應(yīng)采取以下措施：

第一，水泥中的助磨劑應(yīng)與廠家協(xié)商選擇質(zhì)量合格且穩(wěn)定的原材料（粉煤灰、礦粉、鋼渣等），在混凝土試拌過程和生產(chǎn)過程中水泥廠家應(yīng)全程參與，當(dāng)發(fā)現(xiàn)混凝土出現(xiàn)黑色物質(zhì)時應(yīng)及時與水泥廠家溝通調(diào)整配方。第二，粉煤灰脫硫工藝不完善或燃燒不充分已經(jīng)成為剔除黑色“黑色泡沫土”關(guān)鍵。第三，減水劑的含氣量宜選擇在小于3%以下。第四，配合比試配過程中原材料的相容性和空隙率是關(guān)鍵指標(biāo)，尤其是膠凝材料和減水劑的相容性。第五，現(xiàn)場相應(yīng)的管理也是重中之重。