混凝土表层出现“黑色泡沫土”成因及解决方法分析

曲新业

（济南铁路诚意工程检测有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

中国高速铁路快速发展，速度350km/h 的铁路不断涌现，混凝土方量越来越大、混凝土强度和耐久性指标越来越高，对混凝土质量的要求更加严格。但伴随着优质地材等原材料的衰减，混凝土的各种病态不断出现，“黑色泡沫土”只是其中一种，因此在混凝土生产过程中不仅要严格控制原材料质量，优化配合比设计，还需要在混凝土浇筑过程中严格把关。

“黑色泡沫土”是一种几乎没有任何质量和强度并充斥了大量气泡的混凝土副产品，形状犹如“发泡胶”，在工程中没有任何用处。在混凝土浇筑过程中，由于材料、工艺及混凝土离析、环境条件等多方面的原因往往会导致混凝土表面产生“黑色泡沫土”，特别是高标号混凝土更易形成“黑色泡沫土”。

1 项目背景

新建济南至莱芜高速铁路是设计速度350km/h的高速铁路，新建济南至莱芜高速铁路JLTJ-1 标为先期开工标段，起讫里程DK71+583.55—DK76+261.95，标段全长4.678km，其中路基段长158m，占标段总长的3.38%；隧道长4.520km，占标段总长的96.62%。新建济南至莱芜高速铁路工程JLZQTJ-4 标起讫里程为：DK55+655—DK71+583.55，线路长度15.929km。该标段包含桥梁10 座共计4.531km；隧道4 座共计7.912km。

在隧道施工过程中部分仰拱、边墙混凝土浇筑过程中发现混凝土表面出现大量黑灰色气泡凝固后形成泡沫层，无强度，泡沫层与混凝土表面分层明显，剔除黑色泡沫层后就是硬化的混凝土层，混凝土强度明显偏高。为日后更好地控制混凝土质量，避免出现“黑色泡沫土”，现将施工过程中原材料、混凝土搅拌、混凝土运输、混凝土浇筑等过程中的质量控制措施进行研究分析，找出出现“黑色泡沫土”的原因及控制措施。

2 “黑色泡沫土”研究的内容及目的

2.1 内容

研究“黑色泡沫土”的物理、化学成分；通过水泥、粉煤灰、减水剂成分分析，研究“黑色泡沫土”中黑色粉状物形成原理；通过减水剂、混凝土拌制研究“黑色泡沫土”中气泡产生的原理；通过粉煤灰、水泥与减水剂相容性试验寻找黑色油状物的具体来源[1]。

2.2 目的

通过室内试验寻找黑色粉状物的来源及混凝土“黑色泡沫土”的解决方法。

3 “黑色泡沫土”室内试验

第一，原材料，包括：山东山铝环境新材料有限公司“山铝牌”P·O42.5 水泥；华能莱芜发电有限公司I级粉煤灰；安徽中铁工程材料科技有限公司聚羧酸系减水剂。

第二，材料成分，表1 为水泥成分，表2 为粉煤灰成分，表3 为减水剂成分，表4 为黑色泡沫土成分。

表4 黑色泡沫土成分

第三，根据成分分析，“黑色泡沫土”烧失量及二氧化硅含量较高，主要成分均为水泥或粉煤灰中的轻质材料。黑色成分、大量气泡通过减水剂性能和相容性试验（无粉煤灰）及试件外观和颜色可以明确判定是水泥中的成分引起的，经过调查发现水泥厂的助磨剂为原灰（电厂的初级副产品），对原灰进行相应试验显示：低质量原灰是“黑色泡沫土”的黑色轻物质的主因，其次是粉煤灰引起的。水泥厂剔除原灰后，“黑色泡沫土”已经杜绝，没有再次出现黑色轻物质的情况，但现场还存在不定期的“气泡层”。

4 “气泡层”形成原因

“气泡层”顾名思义是上浮于混凝土表面的一层或几层气泡或存在混凝土中的含有气泡的不密实结构，气泡会降低混凝土承载能力。大的气泡多了之后，混凝土不能包裹好钢筋，与空气、水接触后，混凝土耐腐蚀性降低，影响结构外观和质量。

气泡的来源可以分为：一是原材料引入（粗、细骨料、水等）；二是混凝土拌和站搅拌过程中引入；三是混凝土运输、浇筑过程中引入；四是胶凝材料与减水剂不相容产生气泡；五是混凝土和易性差。对上述存在的问题逐一分析。

4.1 原材料原因

4.1.1 粉煤灰脱硫不充分

由于粉煤灰脱硫工艺不充分或燃烧不充分等原因，在混凝土表面形成一层油脂，导致混凝土产生气泡无法排出，气泡附着轻质材料，堆积在混凝土表面，形成灰色泡沫层。

4.1.2 水泥助磨剂不合格

水泥厂采用质量低下的原灰、矿渣、钢渣等在燃烧不充分的条件下，在混凝土表面形成一层油脂，导致混凝土产生气泡无法排出，气泡附着轻质材料，堆积在混凝土表面，形成灰色泡沫层[2]。

4.1.3 减水剂、引气剂引入

很多减水剂气泡含量过高或试拌过程中加入了与胶凝材料不相容的化工原料都能造成气泡过多。

引气剂能显著改善新鲜混凝土拌和物的匀质性和施工性能，也使混凝土结构的耐久性得到增强，但实际情况是低质量的引气剂非但没有改善混凝土的和易性，反而造成混凝土废气泡激增。

4.2 混凝土拌和站搅拌、运输过程中引入

在混凝土生产过程中，粗、细骨料、水等在搅拌、运输过程中将空气引入。

4.3 胶凝材料与外加剂不相容产生气泡

粉煤灰、水泥、减水剂之间不相容，按照一定比例将粉煤灰、水泥、减水剂加水搅拌。《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB 10424—2018）中减水剂含气量技术要求增加了3%～6%规格要求，目前施工中，减水剂规格均为3%～6%，导致混凝土含气量偏高，产生大量气泡，同时粉煤灰或水泥与减水剂混合过程中产生化学反应出现大量气泡，在混凝土水化过程中轻质材料（石粉、粉煤灰）随水泡、气泡上浮至表层，形成灰色泡沫层。

5 “黑色泡沫土”形成过程原因分析

5.1 原材料

5.1.1 水泥中的助磨剂应要求水泥厂选择质量合格且稳定的原材料，在混凝土试拌过程和生产过程中水泥厂家应全程参与，调整水泥助磨剂、混合材料种类。

5.1.2 胶凝材料与减水剂的相容性按照标准要求进行试拌试验合格后方可使用。当水泥出现质量波动时，也应逐批与外加剂进行相容性试验。

5.1.3 粗骨料选择粒形良好、级配合理、质地坚固、吸水率低、线膨胀系数小的洁净碎石，重点关注空隙率试验，选择空隙率最小的二、三级配的碎石。

5.1.4 细骨料选择级配合理（细度模数为2.3～3的中砂），质地坚固，吸水率、空隙率小的细骨料，空隙率与砂率相对应。

5.2 混凝土配比

混凝土试配过程中除了满足基本的方法要求外，重点关注胶凝材料与减水剂的相容性和空隙率。胶凝材料过多会造成混凝土黏度增加，大气泡不易排出，可以用添加粉煤灰或是矿粉解决。

5.3 混凝土生产

拌和站生产过程中应严格按照施工配比执行，严禁在生产、运输、施工过程中肆意加水，施工时要满足坍落度和流动性的要求，在浇筑混凝土时先进行混凝土坍落度和流动度试验，否则不得浇筑。在满足坍落度和流动性且水灰比在合理范围内（不会对后期混凝土的振捣产生影响和不产生对可避免的结构表面有害的气泡）可以加入少量外加剂（如减水剂、引起剂）。外加剂的用量、水的用量这两者都要符合规范要求。

在规定时间内混凝土搅拌要均匀，当发现混凝土和易性差使用外加剂进行调整时，应在30min 内掺加外加剂。否则外加剂搅拌不均匀起不到相应的作用，反而对混凝土和易性、结构强度造成影响。需要特别强调的是，混凝土搅拌站的技术工作人员在进行二次调配时，要均匀搅拌，使新加的外加剂均匀分布在原来的混凝土拌和物中。同时也要保证混凝土的和易性、坍落度、流动度都满足要求。搅拌时间也不能过长，不得超过混凝土搅拌规范时间。为了提高均匀性，要用机械搅拌[3]。

5.4 混凝土浇筑、振捣问题，振捣力度不够气泡不易排出

混凝土浇筑过程中经常会用到地泵或天泵。天泵的泵送效率应与混凝土最大粒径相适应；泵送下料口宜能移动且混凝土自由倾落高度不宜超过2m。

现场管理人员要督促、监督到位，对现场施工敷衍了事、不按照施工程序步骤施工的人员要严厉批评并给予及时纠正。施工步骤和注意事项是：应分层布料，分层振捣。

5.5 脱模剂问题

选用质量差的脱模剂，会造成气泡排不出。选择质量好的脱模剂，在混凝土浇筑、振捣的过程中，质量高的脱模剂有利于气泡的流动并沿着模板流动上升并排出。

5.6 模板问题

首先，模板的选取要光滑且优质耐腐蚀。混凝土拌和物是碱性的且具有腐蚀性，如果模板是劣质的，不仅不能起到模具的作用而且会造成混凝土拌和物流失，造成不必要的经济损失。其次，模板要选用通气性好的，促进有害气泡的排出。

5.7 二次振捣和二次收面

二次振捣的混凝土是要接近于初凝阶段的混凝土，这个时间阶段的混凝土在强度上较第一次浇筑时有所增大，所以要用高频率的振捣棒才会振捣均匀，新添加的外加剂才会均匀分布在混凝土搅拌物中。

二次收面可以消除表面气泡和浮浆，减少混凝土裂缝。

6 结论

综上所述，流动性、和易性优质的混凝土，避免“黑色泡沫土”应采取以下措施：

第一，水泥中的助磨剂应与厂家协商选择质量合格且稳定的原材料（粉煤灰、矿粉、钢渣等），在混凝土试拌过程和生产过程中水泥厂家应全程参与，当发现混凝土出现黑色物质时应及时与水泥厂家沟通调整配方。第二，粉煤灰脱硫工艺不完善或燃烧不充分已经成为剔除黑色“黑色泡沫土”关键。第三，减水剂的含气量宜选择在小于3%以下。第四，配合比试配过程中原材料的相容性和空隙率是关键指标，尤其是胶凝材料和减水剂的相容性。第五，现场相应的管理也是重中之重。