大坝混凝土中热水泥与外加剂相容性试验分析.pdf

2 0 1 3年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONCRE T E AND C EME NT P ROD UC T S 2 Ol 3 No 2 F e b r u a r y 大坝混凝土中热水泥与外加剂 相容性试验分析 李道 军 ， 汤荣平 ( 1 中国水电三局勘测设计研究院 ， 西安 7 1 0 0 1 6 ； 2 J 、 湾水电工程建设管理局 ， 大理 6 7 5 7 0 2 ) 摘 要 ： 小湾水 电站 大坝混凝 土采 用两种中热 P MH4 2 5水泥 ， 由于两种水 泥特 性不 同， 在使 用过程 中出现 了 与减水剂不相适应的现 象。 由此对水泥与外加 荆的相客性展 开分析 ，通过 系列试验研 究以及调 整减水剂配方等措 施 ， 解决了中热水泥与外加剂的适应性 问题 。 关键词 ： 大坝混凝土 ； 中热水泥 ； 外加 剂相容性 ； 试验分析 Ab s t r a c t ： X i a o w a n H y d r o p o w e r p r o j e c t d a m c o n c r e t e u s e s t w o k i n d s o f m o d e r a t e h e a t P MH 4 2 5 c e m e n t b e c a u s e of d i ff e r e n t c h a r a c t e ri s t i c s o f t wo c e me nts ，d u ri n g t h e u s e p r o c e s s ，t h e mo d e a r t e h e a t c e me nt a p p e a r s i n c o mp a t i b l e p h e n o me n o n wi t h w a t e r - r e d u c i n g a g e n t ，I 1h e c o mp a t i b i l i t y o f c e me n t a n d a d d i t i v e s i s a n a l y z e d T h r o u s h t h e s e ri e s e x p e ri m e n t al s t u d y a n d a d j u s t i n g t h e s u p e r p l a s t i c i z e r p r o p o r t i o n ， t h e c o m p a t i b i l i t y p r o b l e m o f t h e mo d e r a t e h e a t c e m e n t a n d a d d i t i v e s i s s o l v e d Ke y wo r d s ： Da m c o n c r e t e ； Mo d e r a t e h e a t c e me n t ； Ad d i t i v e s c o mp a t i b i l i t y ； Ex p e r i me n t a l a n a l y s i s 中图分类号 ： T U 5 2 8 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 2 2 2 0 5 0前 言 小湾工程大坝为受力复杂 的双曲拱坝结构 ， 同 时设计服役寿命大于 l 0 0年 ， 这对于坝体用混凝土 的制备 、 施工提出了很高的要求 ， 必须实现大坝混 凝土具有高强度 、 高抗拉 、 中弹模 、 低热和微膨胀 的 特点 ，以保证大坝混凝土具有较高的抗 开裂能力 。 因此 ， 在大坝整个建设过程中 ， 业 主、 设计 、 施工 、 监 理等各 方对原材料 的选用 、 混凝土的配制 、 施工过 程的质量控制均提出了严格 的要求 。然而 ， 不可避 免的是 ， 在大坝施工过程 中， 出现了一些异常现象 。 本 文主要介绍在浇筑大坝 1 8 、 2 8坝段混凝土 过程 中出现 中热水 泥与外加 剂不相容 的问题 ， 对 此 ， 参建各方展开了大量 的试验分析 ， 并提 出了解 决方案及措施。 1 水 泥与外 加剂 不相 容 问题 1 1 中热水泥的特性 目前 ， 国内水 电工程大多采用中热水泥 。中热 水泥的主要性能特点可概括为 ：水泥含碱量低 ， 低于 0 6 ； 水泥的抗风化能力和长期强度增长率 较高 ， 有利 于提高混凝土结构性能 ； 水 泥水化热 低 ， 放热速度慢， 有利于温度控制。小湾电站双曲拱 坝混凝土采用云南滇西红塔和祥云建材集 团生产 的中热水泥 P MH4 2 5 。这两家水泥理化性能及矿 物成分检验分析如表 1 和表 2所示。从检验结果分 析表明 ， 水泥的物化性能指标和矿物质成分含量均 符合 国家水 泥标准及小湾专供 中热水泥施工技术 表 1 中热 P MH 4 2 5水泥理化性能检验分析 一 22 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李道军 ， 汤荣平 大坝混凝土中热水泥与外加剂相容性试验分析 要求 。 1 2 外加剂 的性能 经工程招标 ， 用于小湾大坝混凝土的外加剂 由 江苏博特和浙江龙游两家单位提供 。表 3给出了小 湾大坝用混凝土外加剂 的检验分析结果 ， 表明两种 外加剂均满 足国家相关标准和小湾工程专供混凝 土外加剂的技术要求。 1 3 水泥与外加剂不相容现象 在浇筑小湾大坝 1 8 、 2 8坝段的混凝土过程 中， 出现了混凝土坍落度经时损失过快 、流动性差 、 混 凝土表面 “ 发 白” 、 凝结时 间大大缩短 的反 常情况 ， 导致 了施工困难 ， 不易平仓 振捣 ， 振后 出现“ 棒坑 ” 的现象 。对此 ， 小湾水 电工程建管局组织成立 了由 中心实验室 、 施工单位 、 水 泥厂和外加剂公司等相 关单 位技术人员组成 的攻关小组 ，进行专 门的试 验 、 分析。 首先 ， 将大坝使用的祥云和滇西 中热水泥分别 进行了不掺、掺江苏博特 J M一型和浙江龙游 Z B l A型缓凝高效减水剂有关凝结时间的测定。 水泥凝 结时间试 验按 G B 厂 I 1 3 4 6 2 o 0 1 水泥标准稠度用 水量 、 凝结时间 、 安定性检验方法 中的相关规定进 行 。在水泥 中分别加入减水剂后 ( 比例 同施工混凝 土配合 比) ， 测定其凝结时间的用水量 分为两种 ， 一 种采用标准稠度用水量 ； 另一种根据标准稠度采用 固定水量 ， 对 比试验结果见表 4 、 表 5 。 各试验结果综合表明 ， 祥云 中热水泥分别与两 种减水剂掺用后 ，均 出现凝结时间缩短的反常现 象 ， 初凝 时间在 2 9 4 3 m i n之间 ， 低于国标规定 的 6 0 m i n标准 ，部 分单位检测 的终凝 时间甚至低 于 6 0 m i n ； 而采用 相同测试方法 ， 滇西 中热水泥则与两 种减水 剂的初 、 终凝 时间基本正常 ； 两种水泥在 未 掺外加剂 的情况下 ， 初凝和终凝时间均满足 国家水 泥标准及小湾施工技术要求 。因此 ， 经初步排查分 析 ， 问题 的根源在于祥云 中热水泥与外加剂不相容 造 成 的 。 2 水泥与外加剂适应性理论分析 按照国家标准检验合格的各种外加剂 ， 掺入水 泥混凝土 中进行拌合后 ，混凝土 的坍落度损失很 快 ， 甚至失去流动性 ， 此情况被称为水泥与外加剂 适应性不好 。如果混凝土的坍落度仍能保持 ， 也没 有 离析和泌水现象 ， 则被称为水泥与外加剂适应性 好 。由于水泥和外加剂均 由多种功能组 分复合而 成 ， 要想直接找到解决 问题 的途径 ， 必须仔细分析 研究水泥和外加剂不相容的根源 。 表 2 中热 P MH 4 2 5水 泥熟 料矿物成分检验分析 试 验编号外加剂厂减水剂掺量 含水量 表 面张力 ( mN m) 硫酸钠含量 砂浆流动度 mm 砂浆减水率 p H值 试验单位 生产厂家 水 泥品种 方法用帽， m L 一 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 2期 ( 1 ) 施工期间祥云中热水泥中的化学组分及颗 粒组成可能发生变化 ， 是导致水泥 与外加剂适应性 不好 的原因之一 ， 其变化可主要概括为原材料 的矿 物成分 、 细度 、 配料及煅烧等。其次是萘系减水剂中 的常用功能组分本身与水泥的适应性也不甚理想。 ( 2 ) 矿物组分的变化主要是 C 、 C , A F、 C 3 S以及 C 2 S之间配 比的变化 ，分析结果表明熟料单矿物中 吸 附外加剂能力 的顺序为 ： C A C 4 A F C 3 S C 2 S ，因 此 ， C F含量 高的水泥对减水剂 的相容性也 比较 差。而矿物组分检验结果显示祥云小湾专供中热水 泥熟料 中 ， 虽然铝 酸三钙含量较低 ， 但 铁铝酸四钙 含量高达 1 6 左右 ， 直接影响水泥与外加剂 的相容 性 。 ( 3 ) 对于小湾专供 中热水泥 ， 因 Mg O含量高于 2 O ， 在熟料煅烧过程 中， 多余的 Mg O如同提高 了 F e 2 0 含量 ， 使熟料烧成范围变窄 ， 不利于晶体 的发 育， 对熟料中间体的析晶程度有明显影响， 从而也 对 中热水泥与萘 系缓凝高效减水剂 的适应性产生 一 定影响。 ( 4 ) 配料过程中对水泥与外加剂影响最大的是 石膏掺量。通过对小磨试验 、 石膏掺人量与出厂水 泥分别进行试验分析 ， 中热水泥里石膏的最佳掺量 是确保 S O 3 含量在 1 8 - 2 6 ，低于 1 5 、高 于 3 0 均对水泥强度有较大影响( 降强 ) ； 同时在水泥 磨粉磨过程 中， 石膏必须使用二水石膏 ， 且须 防止 二水石膏脱水 ， 半水石膏数量过多也会引起与减水 剂的适应性变差。 ( 5 ) 水泥中的碱含量主要来源于生产所用的原 材料 ，含量过高会降低外加剂对水泥 的塑化作用 ， 但可溶性碱( N a S O ) 含量过低时 ， 也会影响与外加 剂的相容性。祥云中热水泥含碱量本身较低， 基本 稳定在 0 3 2 0 3 8 ，试验研究发现选用低浓度萘 一 2 4一 系减水剂 ( N a 2 S O 含量 1 5 )或者补充可溶性碱 ( N a S O ) 对其解决与外加剂 的相容性 问题具有显著 效果 。 ( 6 ) 细度 的变化 主要是指水 泥颗粒 大小 、 比表 面积的改变。调查发现 2 0 0 6年祥云 中热水泥粉磨 的水泥颗粒分布情况与滇西 中热水泥颗粒 分布情 况基本相似 ， 颗粒 分布宽 ， 细粉含量 比例较利于水 泥使用性能的发挥 。自2 0 0 7年 1 1 月份 以后生产 的 中热水泥 ， 平均粒径较之前有所减小 ， 粒度分布变 窄 ， 水泥 中细粉量增多 ， 比面积较大 ， 水泥与外加剂 相容性 不好 。 3水泥 与外 加剂 相容 性试 验分 析 3 1 外加剂调整方案及要求 根据初步试验和理论分析 ， 攻关小组要求祥云 水泥厂加强对水泥生产过程 的质量监控 ， 严格控 制 生产过程中的石膏形态 ， 避免掺加能引起与外加剂 适应性不 良的助磨剂等组份 ； 要求两个外加剂生产 企业 与水泥生产厂密切配合 ， 对外加剂的配方进行 调整 ， 使其对祥云和滇西 中热水 泥都具有 良好 的适 应性 。同时 ， 根据水泥特性及现场施工要求 ， 提出了 有关室内试验控制指标：( )4 5 m i n 混凝土坍落度经 时损失 6 0 。 含气量应满足设计要求 ， 同时引气 剂掺量不应大于 4 万。混凝土的初凝时间在 1 2 - 2 o h之间 ， 终凝时间不超过 3 0 h 。 3 2 掺外加剂混凝土试验成果 在现场试验室对两个外加剂 生产厂家新调配 的不同组合配方减水剂分别与滇西中热水泥 、 祥云 新 出厂的中热水泥在室内进行 了比较试验 ， 并在左 岸拌合系统进行 了生产性试验 。相应使用的配合比 参数为大坝C 8 0 3 5 F 2 5 0 W9 o 1 2 ( 三级富浆和四级配) 混凝土 ， 经试验调整后 的两种减水剂混凝土室内试 验成果及拌合楼生产性试验结果详见表 6 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李道军 ， 汤荣平 大坝混凝土 中热水泥与外加剂相容性试验分析 试验结果表 明， 调配后 的两种减水剂室 内及生 产性试验效果 良好 ， 坍落度经 时损失小 ， 凝结 时间 适宜， 含气量满足技术要求。 4水泥与外加剂相容性影响分析 4 1 水泥 自身因素的影响 水泥 自身对其 与减水 剂之间适应性影 响因素 比较多 ， 主要包括 ： 水泥矿物组成 、 熟料中游离氧化 钙 和碱含量 、 水泥 细度 和颗粒 级配 、 石膏和助磨 剂 的性能与掺量 、 混合材种类和掺量等。 ( 1 ) 比表面积和颗粒级配的影响。水泥颗粒对 减水剂分子 的吸附与水泥的 比表面积有关 ， 在掺加 减水剂 的水泥浆体 中 ， 水泥颗粒越 细 ， 其 比表面积 越大 ， 减水剂在相 同掺量情况下 ， 对于细度大 的水 泥 ， 其塑化效果要差一些 ； 同时 ， 比表 面积越高 时 ， 水泥与水接触面积越大 ， 水泥颗粒表面形成水膜所 需水量 就大 ， 在相 同水胶 比条件下 ， 颗粒之间 的 自 由水相应减少 ， 水 泥浆体流动性变差 ， 水泥与减水 剂适应性不好 。另外 ， 水泥比表面积越 大， 意味着水 泥细颗粒越多 ， 水 泥与水早期 反应速度加快 ， 水化 产物 絮状结构 形成 快 ， 水 泥浆 体流动性差 ， 水泥与 减水剂相容性不好 。研究表明 ， 降低水泥 比表面积 和提高平均粒径对外加剂相容性有一定 的改善 。 ( 2 ) 石膏品种和掺量 的影响。石膏的种类对其 与减水剂相容性的影响也很大 ， 因为不 同种类石膏 的溶解速度和溶解度差别较大 ， 它们对水泥的缓凝 作用不 同，因而对水泥 与减 水剂相容性影响也不 同。天然二水石膏与高效减水剂适应性好 ， 硬石 膏 有不利的影响应进行 限制 ， 工业副产 品石膏中的某 些微量成分可能使水泥与高效减水剂的相容性变 差 。水泥中 S O ， 含量及石膏的形态也会影响与外加 剂 的适应性 ，在水泥凝结时间可 以接受的范围内 ， 适当提高水泥中 S O s 含量有利于改善水泥与高效减 水剂的相容性 ，适宜的 S O ， 含量应根据水泥中 C s A 及碱含量和比表面积来确定 。 ( 3 ) 矿物组成的影响。水泥熟料 中四大矿物的 水化速度和水化产物的比表面积存在差异 ，因此 ， 对减水剂的吸附能力不 同， 其吸附量 由大到小的顺 序为 ： C C 4 AF C 3 S C 2 S 。相关试验表明， C A的水 化速度最快 ， 吸附量最大 ， 其次是 C 4 F ， C 。 S ， C 2 S 。 这是 因为减水剂主要吸附在水化产物上 ， 吸附量与其水 化产物的数量和表 面性质有关 ， 凡水化快 、 水化产 物 比表面积大 的熟料矿物 ， 吸附量就大 ， 因而使溶 液 中的减水剂大大减少 ， 因此 ， 含 C 多 的水泥与 减水剂的适应性差。在生产中控制熟料的 C A含量 不大于 8 ， 可 以有效改善水泥与减水剂的适应性。 ( 4 ) 水泥碱含量的影 响。水泥的碱含量主要是 指水泥 中 N a 2 0和 K z O的含量。碱含量对水泥与减 水剂的适应性会产生很大的影响。碱的存在使水泥 标 准稠度用水量增大 ， 使水泥水化速度加快 ， 减水 剂 的塑化效果变差 ， 含碱量越高 ， 水 泥与减水剂 的 适应性越差 ， 还将导致混凝土的坍落度经时损失增 大 。尤其是萘系减水剂 ， 而碱含量是控 制萘系减水 剂与水泥相容性 的关键因素之一 ， 最佳可溶性碱含 量在 0 4 - 0 6 当量 的 N a ： 0， 许多试验发现 ， 当熟 料 中碱含量大于 0 5 ， 随着碱含量 的增加 ， 掺入一 定量的高效减水剂 ，水泥浆体的流动度逐渐变小 。 无论是 K O H还是 N a O H， 随着浓度的增 大 ， 水泥浆 体的流动度均下降 ， 特别是 N a O H对流动度的影响 更显著。 ( 5 ) 水泥温度的影响。水泥粉磨温度高 ， 二水石 膏脱水会形成半水石膏和硬石膏 ， 而半水石膏和硬 石膏较二水石膏溶解度下 降， 不能有效阻止水泥快 速水化生成絮凝结构，减水剂对其的塑化作用差， 混凝土坍落度损失也快 ， 水泥与高效减水剂相容性 差。控制粉磨温度在 1 1 0 1 2 0 为宜 ， 出厂水泥温度 高 ， 水泥水化反应速度快 ， 水泥与减水剂适应性差。 4 2 外加剂 的影 响 在水胶 比一定 的条件下 ， 掺入高效减水剂可显 一 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 2期 著改善混凝 土的工作性 ， 而工作性 的改善效果与减 水剂 的类别 、 掺量及 掺入方法 、 水泥和砂石骨料的 特性、 工作温度有关 。 研究发现 ， 当掺量一定 时 ， 不 同类型减水剂 改 善混凝土工作性的效果为 ： 聚羧酸系 脂肪族系 萘 系。通常 ， 聚羧酸系减水剂或脂肪族系减水剂与水 泥的相容性优于萘系减水剂与水泥的相容性 ， 复合 型高效减水剂在水泥 中的分散效果要优于单一型 减水剂的效果 。 同种减水剂从剂型来看 ， 液剂优于粉剂。液剂 减水剂在水 泥浆体或混凝土拌合物 中的分散性要 优于粉剂减水剂 在拌合物 中的分散性 ， 因此 ， 能更 充分地被水泥颗粒所吸附 ， 从而对水泥颗粒有更好 的分散效果 ， 同时显著提高混凝土 的流动性 ， 坍落 度损失较小。 减水剂 的掺人方法对其与水泥 的相容性有很 大影响。根据掺人时间的不同， 减水剂可分为同掺 法 和后掺法 。同掺法是指减水剂与拌合水 一起加 入 ， 而后掺法是指减水剂溶液在拌合水加入之后加 入。大量试验表明高效减水剂采用后掺法或二次添 加法对改善水泥与减水剂相容性有明显 的效果 ， 这 是因为水泥遇水后 ，其矿物组分 C A、 C 4 A F能迅速 生成 C ， A H 。 和 C 4 AF H o ，在有石膏存在的环境 中主 要生成 A F m相 ， 因此大量消耗 C A与 C F， 这时加 入减水剂 ，则较 多的减水剂能够充分地被 C 2 S 、 C S 吸附 ， 水泥颗粒 的动 电电位 明显提高 ， 并在一定 时 间 内保持稳定 ，使 混凝 土拌合物具有更好 的和易 性 ， 塑化效果好 ， 能克服混凝土在运输 过程 中坍落 度 的经时损失。 5结语 通过对 中热水泥与外加剂相容性 的一 系列试 验分析及施工效果表 明， 目前在小湾水电站大坝混 凝土浇筑中， 水泥与外加剂的适应性得到了较好解 决 ， 从而确保了小湾大坝混凝土的正常施工。同时 提出在保证水 泥产 品质量稳定及各项指标符合要 求的前提下 ， 更需关注水泥使用性 能和新型外加剂 的研发应用 ， 才能真正有效解决水泥与外加剂的相 容性问题 。 参考资料 ： 1 谭烈光 浅谈 水泥与外加剂适应性 的问题 J 】 企业科技与 发展， 2 0 0 8 ( 2 0 ) ： 1 7 1 1 7 4 2 】 戴 志宇， 陈萍 影 响混凝土外加剂 与水 泥适应性的主要 因 素 J 】 山东建材， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 5 4 5 6 3 】 吴耘 几 种特殊水泥与 减水剂不相容原 因及解决措施 f J 四川 I 建材， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 5 - 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6 5 7 6 2 5 2 7 E - ma i l ： a a a k s o h u c o m 一 2 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m