混凝土外加剂在水工混凝土中的应用.pdf

试验研究 混凝 土外加剂 在水 工混凝 土 中的应 用 臻陈 文耀 ( 中国水利水电第三工程局有 限公司) 【 摘要】 本文简要回顾了水工混凝土外加剂应用的历 史，介绍 了引气剂、高效减水剂、聚羧酸减水剂、无碱 一 譬 速凝剂、矿物外加剂等在水工混凝土中的应用情况以及 出现的问题。 。 【 关键词】 水工混凝土 引气荆 高效减水剂 聚羧酸减水剂 无碱速凝剂 矿物外加剂 水工混凝 土 主要 用 于拦 河大 坝 、水 电站 厂房 、通 航 建筑物 等水利枢 纽工 程 ，一般体 积 大 、散 热条 件 差。为 了减少混凝 土水化热温升 ，多用 8 O 1 5 0 mm 的最大 骨料 粒径 ，最低胶凝材料用量 为 1 4 0 k g m3 ，属 低贫 混凝 土范 畴。常用外加剂 除缓凝减 水剂 、引气 剂外 ，还有 速凝剂 、 矿 物外加剂 等。本 文将 介绍水 工混 凝 土外 加剂应 用方 面 的做法 和存 在的问题 。 1 水工混凝土外加剂应用 回顾 混凝土外加剂在我国水电工程中的应用历史，可追 溯到 2 o世纪 5 o 年代 。 自 1 9 5 4年 佛子岭 工程开始 ，水 电 工程就广泛使用 减水剂 、引气 剂等混 凝土外 加剂 。2 O世 纪 8 O年代末 以前 ，水 电工 程 主要 使用 纸浆 废 液 、木 钙 、 糖蜜等普通减水剂和松 香皂 、松香热 聚物 引气剂 。8 O年 代末以后，随着天然骨料的逐步匮乏和人工骨料使用量 的 日益增多，混凝土用水量矛盾凸现出来，加之工程技 术人员对耐久性 的 日益 重视 ，萘 系高 效减 水剂 开始 在水 电工程 中逐步广 泛使用 。随着施 工技 术 和外加 剂技 术 的 进步 ，9 O年代末 三峡工程在成功 使用减 水率 2 O 以上 的 萘系缓凝高效减水剂 以后 ，于 2 0 0 0年成 功将聚羧 酸盐类 减水剂应用于高强度等级的抗 冲耐磨混凝土，随后又将 聚羧酸盐类 减水 剂应 用 于泵 送 混凝 土 和 自流 平 混凝 土 。 外加剂技术的进步 ，推动 了水工混凝土施工技术 的进步 。 混凝土速凝剂开 始只是 应用 于边 坡等 临 时性 支护 工 程 ，多是干喷工艺 ，采用 粉 状速 凝剂 。随 着湿 喷施 工 技 术 的出现 ，液体速凝 剂 开始 得到 应用 。由于 大型水 电工 程逐步 向高 山峡 谷推 进 ，大 型地 下工 程越来 越 多 ，有 的 工程 的永久支 护只用 喷射 混凝 土 ，不 再衬砌 和装 修。 由 于碱性速凝剂 喷射混 凝土 裂缝较 多 ，施工 时对 人体皮 肤 和呼吸系统有较 强 的灼伤 和刺激 作用 ，为 了提 高喷射 混 凝土的耐久性，改善施工环境和维护施工人员 的健康。 三峡工程 自2 0 0 5 年开始 ，地下电站永久性支护全部使用 了无碱速凝剂 。无碱 速凝 剂 已成为大 型水 电地 下工程 的 主流产 品。 矿物外加剂在水 电工程 的应用 也始 于 2 O世 纪 5 0年 代 ，响洪甸工程 、古 田一 级工 程和 三 门峡 工程 分别将 白 土、黏土、粉煤灰等用作掺合料。2 O世纪 8 O年代以后， 水 电工程广泛 使用粉 煤灰 为掺合 料 ，特别 是三 峡工程 开 始使用 I 级粉煤 灰后 ， I级粉 煤灰在 大 型工程 中得 到广 泛应用 。对缺少粉煤灰 的地 区也有使用 凝灰岩 、磷矿 渣、 火 山灰 等掺合 料 的实例 。如大 朝 山水 电站工程 采用磷 矿 渣 和凝灰岩作 为 常态混凝 土和碾 压混 凝 土掺合料 ，构皮 滩水 电站高拱 坝 坝体混 凝 土 曾采 用磷 矿 渣作 为 掺合 料 ， 都取得 了较 好 的效果 。近年对 石灰 石粉 的应用 研究 取得 不少成果，如景洪工程成功使用的双掺料等。水工混凝 土对掺合料的认识 已从简单的节约水泥降低成本，提高 到改善混凝 土性 能的高 度 ，将掺 合料作 为混 凝土 改性材 料使用 。 2引气剂的应用 水工混凝土使用 引气剂 的作 用除 了提 高混凝 土 的抗 冻 、抗渗等 耐久 性 能外 ，还 可起 到 降低 混凝 土 用水 量 、 提高混凝土和易 性改 善施工 性能 等作 用。水 电工 程 多为 大体积 混凝 土 ，强 度 要求 不 高 ，为 了减 少 水化 热 温升 ， 81 辫 水 利 水 电 施 工 2 0 1 1 第 4 期 总 第1 2 7 期 一 般采用低坍落度大骨料粒径混凝土 ( 1 5 0 ram) ，胶凝材 料用量较少 ，属低贫 胶凝材 料混凝 土 ，改善 其和易 性是 使用引气剂 的重要 目的之一 。因此 ，水工混 凝土使 用引 气剂较为普遍 。 由于不同强度 等级混 凝土掺 合料掺 量变化 、砂 石骨 料中石粉含量变化 、水泥品质 变化等 诸 多因素都会 影响 引气剂的引气效果，因此水工混凝土一般是将引气剂和 减水剂分别添 加，以便 于调整 引气剂 掺量 和有效控 制混 凝土的含气量 ，不 主张采用 引气 型减水 剂 。严格控 制新 拌混凝土出机含气量 ，对最 大骨料粒径大 于 4 0 mm 的三 、 四级配混凝土，则控制湿筛 ( 孔径 4 0 ram 筛)混凝土含 气量。根据施工工艺或含气量历时损失，调整机 13拌和 物含气量 。新拌混凝土含气量一般按 4 5 5 5 控制 ， 当含气量损失较大时 ，按 5 O 6 O 控制 。 引气剂使用 中也存 在一些 问题 ，如 当原材 料发生 变 化需要大幅度调整引气剂掺 量时 ，施工 或监理 人员顾 虑 强度问题而不敢调整引气剂 掺量 ，导致 混凝 土含气量 不 足而影响混凝 土抗 冻 性 。如某 工 程 引 气 剂 正常 掺 量 为 0 2 左右 ，当原材料性质变化后 引气剂掺量达 到 0 5 0 左右 ，由于监理坚持不让增加 引气剂掺 量 ，导致 2 3 个 月混凝土抗冻性达不到要求 ；某 工程在 配合 比试 验 阶段 引气 剂掺量为 0 2 0 o ，混 凝土 试生 产时 ，由于人 工砂 生 产工艺的差别 ，导致引气剂掺量提 高到 0 4 5 0 左右 ；某 工程施工中新拌混凝土含气量平均只有 4 2 ，且 4 O 的样 品含气量小于 4 o ，加之 由于水 泥等 原 因导致混 凝土坍落度和含气量损失较大 ，致使硬化混凝土含气量 只有 2 5 左 右 ，混凝 土 抗冻 性难 以达 到 F 3 0 0的设 计 要求 。 因此 ，对水 工混凝 土来说 ，含 气量是 控制混 凝土抗 冻性 的首要因素 ，应予 以足够 重视 。当原材料发 生变化 时，要及时调整 引气剂 掺量 ，保证 混凝 土有足够 的含气 量 以满足抗冻 性要求 ，并分 析引起 引气剂 掺量 大幅度变 化 的原因 ，有针对 性地采取 措施保 证混凝 土 的含 气量 和 气泡的质量。 3 缓凝高效减水剂的应 用 缓凝 高效减水剂 的使 用对减 少混凝 土用 水量 、改善 工作性和耐久性具 有重 要作用 ，对推 动水工 混凝 土技术 的发展起 到 了积极 作用 。三峡 工程 为 了降 低温 控 负担 、 改善 混 凝 土 抗 裂 性 ，针 对 四 级 配 混 凝 土 用 水 量 高 达 1 1 O k g m3的问题 ( 使 用 0 5 普通 高效减水 剂与 引气剂 联掺 ) ，采用减水率达到 2 O 以上 的优质缓凝高效减水剂 与引气剂联掺 、高掺量 I级 粉煤灰 等综 合技术 措施 ，将 混凝 土用水量降低 到 8 5 k g m3左右 ，其 中优 质缓 凝高效 8 2 减水剂起到重要作用 。 水工混凝土# l- ； 0 u 剂 验收检 验 以# l- ；0 u 剂混 凝土性 能检 验结果 为准 ，匀质性 检验 结果作 为参考 。 目前大 型水 电 工程使用的缓凝高效减水剂减水率按 国家标准检验在 2 O 左 右，掺量在 0 5 0 7 N ，并 限制减 水剂 的含气 量不大于 3 。 对水工四级配混凝土来说，用水量在 8 O 9 0 k g m3 范围较为合适 ，如果 用水 量再少 ，拌 和物 中的 自由水就 更少 ，不利于保持混 凝 土的工作 性。加之最 低胶凝 材料 用量受施工规 范 限制 ，往 往使 混 凝 土产 生大 幅度 超 强， 超强越多混凝土裂缝的风险越大。因此从保持工作性和 减少超 强的角度 看 ，在混 凝土原 材料条 件较好 时 ，不宜 追求减水剂的高减水率。虽然采用低掺量可以使减水率 降低 ，但又会与缓凝要求相矛盾 。 缓凝高效减水剂在水 工混 凝土 中也会遇 到与水 泥适 应 性的问题 。水工混凝 土大多 使用低 碱和低 铝酸三 钙的 中热水泥 ，有的中热水泥碱含量会低于 o 4 ，铝酸三钙 含量低于 3 ，经常 出现坍落度损失快等问题 。当水泥三 氧化硫含量过低 时，还会 出现 混凝土早 期强度 发展 过慢 的现象 。另外 ，也有 引气气 剂掺 量高 的 问题、含气量 损 失快等 问题 。 4 聚羧酸盐减水剂 的应用 聚羧酸盐减水剂具有分散性和触变性好、减水率高、 收缩率 比小 、坍 落度损 失小 等优 良特性 ，对推 动混凝 土 技术进步有着重要意义。2 0 0 0年三峡工程率先在抗冲耐 磨混凝土中使用 了聚羧酸盐类 减水 剂 。目前水 工混凝 土 使用聚羧酸盐 减 水 剂 已较 为普 遍 ，但 多为 泵送 混凝 土 、 自密实混凝土、湿喷混凝土等胶凝材料用量较高的混 凝土 。 水工大体积混凝土采用低坍落度、大骨料粒径、高 效减水剂等措施是为了降低混凝土用水量 ，从而降低胶 凝材料用量 ，达到降低混凝土水化热温升的目的。聚羧 酸盐减水剂具 有减水 率高等一 系列优 良特 性 ，人 们也 一 直试图将其用 于大体 积水工 混凝土 ，但 至今在 国 内还 没 有成功应用 的实例 。究其 原因与其 分散性 和触 变性好 有 关 ，也与低坍落度 、大骨料粒 径 的低贫混 凝土施 工特 性 有关 。低坍落度混 凝土需 要振 捣密实 ，由于聚 羧酸盐 减 水剂的分散性 能和触 变性能好 ，振 捣后容 易产 生砂浆 上 浮和粗 骨料 下沉 现象 ，浮浆 厚度甚 至达 到 1 0 0 mm 左右 ， 致使混凝 土均 匀性变差 。加 之大 骨料粒径 的低 贫混凝 土 容易出现大骨 料分离 现象 ，也使施 工 中容 易 出现超振 现 象 ，加剧 了浮浆上 浮和 骨料下 沉现象 。混 凝土仓 面厚 的 浮浆 ，除了影响混凝 土结 构 的均匀性 外 ，还使 表层混凝 土容易出现龟裂、水平裂缝等问题。 在 自密实 混 凝土 中还存 在 混凝 土 含气 量 损 失过 快 ， 致使抗冻性大 幅降低 的问题 。因此 ，将 聚羧 酸盐 减水 剂 用于水工大体积混凝土，还需不断探索其使用条件。为 了适应新 材料 的 特性 ，可 以适 当 改变施 工 工 艺 和方 法 ， 避免其不利影 响。如聚 羧酸 盐减 水剂 的减 水率 高 ，可探 索采用大坍落度 富砂率 混凝 土 的可能 性 ，以及 用 于碾压 混凝土等 。 5 无碱速凝剂 的应用 2 O世纪 9 O 年代 以后 ，欧洲无碱液态速凝 剂迅速发展 起来 。无碱速凝剂 中的 当量 N a z O含量小 于 1 。使用无 碱速凝剂可以得 到以下技 术效 益 ：减 少碱 骨料 危害 反应 的风险 ，减少混凝 土 开裂 的风 险 ，减 少对 皮肤 灼 伤 、视 力伤害和呼吸道 的刺 激 ，减少 混凝 土强 度损 失 ，混 凝土 耐久性优异等。无碱速凝剂和碱性速凝剂 2 8 d强度 比和 圆环抗裂试验结果 见表 1和图 1 。 表 1 速凝 剂种类对 圆环 开裂时间 和裂缝 数量的影响 速 凝剂 种类 初裂 时 间 ( h ) 开 裂后 4 8 h裂缝 宽度( f n m) 裂缝条 数 无 碱 2 1 2 0 O 1 5 1 无 碱 3 8 8 8 0 2 2 1 碱 性 1 7 5 O 1 5 6 碱 性 2 7 O 8 O 2 4 8 越 疆 础 磊 图 1 速 凝剂种 类对抗 压强度 比的影 响 无碱速凝剂 的掺量较 碱性 速凝 剂要 高 些 ，如果 综合 考虑 回弹率低和强度损失小的优点 ，在经济上是相 当的。 无碱速凝剂凝 结 时间检 验结 果受 水泥 品质 变化 影 响 较大 ，用同一厂家 不 同批 次 的水 泥检 验速凝 剂 时 ，可 能 会得 出不同结论 ，容 易造 成误 判 。用 现行 标准 对无 碱速 凝剂凝结时间 的检 验结果 ，宜用 于判 断速 凝剂 与水 泥 的 适应性 ，不宜作为产 品是否 合格 或确 定施 工时 速凝 剂掺 量的依据 ，无碱速凝剂的掺量应通过施工确定 。 自 2 0 0 5 年三峡地下 电站使 用无碱 速凝剂 后 ，无碱 速 试验研究 凝剂在水电工程 中的应用逐渐广泛起来，目前无碱速凝 剂 的使用量约 占 5 O 以上 。 6 矿物外加剂 的应用 水工混凝土使用矿物# b J l 剂的历史也十分悠久 ，目前 使用最为广泛和使 用量最 大 的矿物 外加 剂 为粉煤灰 ，特 别是近十年来 I级粉 煤灰 在 大 型工 程 中得 到广 泛应 用 。 对工程附近缺少粉 煤灰资 源 的工程 ，有 的工程 成 功采用 了磷 矿渣 与凝 灰岩 混磨而 成 的双掺 料 ，有 的工程成 功采 用了铁矿 渣粉 和石 灰石粉 混合 而成 的双掺 料 ，有 的工程 正在使用火山灰作 掺合 料应 用于工程 。 三峡 工程使用 I级粉 煤灰 后 ，对 l级粉 煤灰 的应用 起到推动作用。很多大型工程先后采用了 I级粉煤灰， 甚至碾压混凝 土都非 用 I级粉 煤灰 不可 。使用 什 么等级 的粉煤灰要结合工程实际，如果用水量矛盾不突出到非 用 I级粉煤灰不可的程度，可采用等级较低 的粉煤灰， 减少用水量 可通过适 当提 高减 水剂 掺量来 解决 。选 用粉 煤灰时应选择质量相对稳定的灰源，并结合工程实际需 要选 择 ，不宜盲 目追求 I级粉煤灰 。 ( 1 )I级粉煤灰 资源 占粉 煤灰 总量 的 2 O 左右 ，只 强调使用 I级粉煤灰会造成资源紧缺。 ( 2 )不利于综合利用和节能减排，同一厂家的级灰 和 I级灰 中的玻璃 微珠含 量 区别不 大 ，分选后 稍粗 些 的 微珠 被弃 掉或用 于水泥混 合材 ，不 能充 分发挥 其粒 形效 应，分选粉煤灰还要耗能和造成污染。 ( 3 )“ 统 灰”也 可配制 出性 能优 异 的高性 能混 凝土 ， 如加 拿 大 的 Ma l h o t r a及 其 同 事 以 总 胶 凝 材 料 用 量 3 5 0 k g m3( 其 中水 泥 1 5 0 k g m。 、粉 煤 灰 2 0 0 k g m3 ) 配制 出 的高性 能混 凝 土 ，使 用 的是 北 美 十余 家 电厂 排 放的 “ 统 灰” ( 4 5 y m 筛 余 为 1 5 3 2 ，烧 失 量 0 3 2 8 ) 。 7 结束语 水工混凝土除大坝使用低坍落度大粒径骨料混凝土 外，其他建筑物使用的混凝土种类也很多，因此外加剂 的使用种类 与工 民建 等工 程基 本相 同。水工 大体积 混凝 土外加剂 的应用与外加 剂技术 的进 步基本 同步 ，混 凝土 外加剂技 术的进 步 ，也 推 动 了水 工混 凝 土技 术 的进 步 。 但在减水 剂的选择 、粉煤 灰等级 的选择 等方 面仍需 深化 认识 ，应 综 合考 虑 工 程 实 际应 用需 要 、资 源 的合 理利 用 。混凝 土中气泡 的稳定 性 问题仍需 探索 和改 进 。聚羧 酸盐减水剂用于水工大体积混凝土还需不断探索其使用 条件 。 8 3