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外加剂掺和方法对混凝土和易性的影响

摘 要：外加剂的掺和方法可分为同掺法、后掺法和分次加入法三种，每种掺和方法的添加方式及其对混凝土和易性的影响都不一样，根据工地现场混凝土施工存在的一些问题以及水泥与外加剂相互作用的机理，特对外加剂的三种掺和方法在不同温度环境下分别进行了试验，并将试验结果进行比较，分析了每种掺和方法的优、缺点，希望能对现场混凝土施工起到一定的借鉴作用。
关键词：外加剂、同掺法、后掺法、分次加入法、混凝土和易性

1. 工程概况
由中交一公局承建的莞惠城际轨道GZH-5标工程位于广东省东莞市寮步镇和松山湖管委会境内，里程桩号为DK25+080～DK33+022，正线长7.942km，全部为地下工程，其中明挖段长3.946km，暗挖段长3.555km，两个地下车站：寮步车站和松山湖北站，包含4个功能井，1个风井，桩号分别为DK30+300、DK30+750、DK31+700、DK32+300及DK29+883，功能井前期作为该区间暗挖段的施工进出口通道，后期完成其主体结构。

2. 混凝土外加剂的定义、作用及掺和方法
2.1有关混凝土外加剂确切的定义，目前仍然存在争议。1983年12月我国混凝土外加剂专业委员会在“混凝土外加剂质量标准”讨论会的讨论稿中提出如下定义：“在混凝土（包括砂浆、净浆）拌和时或拌和前掺入的，掺量不大于水泥重量的5%特殊情况除外），并能对混凝土的正常性能按要求而改进的工业产品，称为混凝土外加剂。” 按上述定义，混凝土外加剂与水泥混合料有所区别。一般，混合料的掺量均较大（远远大于5%），并且大多在水泥生产过程中掺入的。为满足水泥性能的特殊要求而掺和的少量物质，如石膏、助磨剂等，一般不划归为混凝土外加剂的范畴。
2.2各类外加剂都有各自的特殊功能。综合起来，外加剂可以在以下三方面发挥作用：（1）对新拌混凝土工作性能的作用；（2）对混凝土强度的作用；（3）对混凝土耐久性的作用。
2.3试验证明，混凝土外加剂的掺和方法对外加剂的掺量及效果影响很大，尤其是属于表面活性剂类的减水剂、引气剂及含有表面活性剂成分的外加剂。外加剂常用的掺和方法有以下三种：
2.3.1同掺法：粉状外加剂与混凝土集料混合在一起，一同加水搅拌，液体外加剂则加入拌和水中共同进入搅拌机。同掺法使混凝土在一开始水化时就有外加剂介入，立即被吸附到水泥表面，从而迅速降低了液相中的浓度。
2.3.2后掺法（滞水法）：在混凝土加水搅拌了一段时间后，再加入外加剂进一步搅拌，即水泥水化反应进行了一段时间后，外加剂才介入水化反应，从而保持了混凝土液相中的外加剂浓度不会很快降低。
2.3.3分次加入法：在混凝土搅拌过程中，把外加剂分几次加入到混凝土拌和物中，这种方法对混凝土拌和物的坍落度损失效果很好。

3. 混凝土和易性的定义及测定方法
3.1混凝土和易性是指新拌水泥混凝土易于各工序施工操作（搅拌、运输、浇灌、捣实等），并能获得质量均匀、成型密实的性能，也称混凝土的工作性。和易性是一项综合的技术性质，它与施工工艺密切相关。通常包括流动性、黏聚性和保水性等三个方面的含义：
3.1.1流动性是指新拌混凝土在自重或机械振捣的作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。流动性反映出拌合物的稀稠程度。若混凝土拌合物太干稠，则流动性差，难以振捣密实；若拌合物过稀，则流动性好，但容易出现分层离析现象。
3.1.2黏聚性是指新拌混凝土的组成材料之间有一定的黏聚力，在施工过程中，不致发生分层和离析现象的性能。黏聚性反映出混凝土拌合物的均匀性。若混凝土拌合物黏聚性不好，则混凝土中集料与水泥浆容易分离，造成混凝土不均匀，振捣后会出现蜂窝和空洞等现象。
3.1.3保水性是指在新拌混凝土具有一定的保水能力，在施工过程中，不致产生严重泌水现象的性能。保水性反映出混凝土拌合物的稳定性。保水性差的混凝土内部易形成透水通道，影响混凝土的密实性，并降低混凝土的强度和耐久性。
新拌混凝土的和易性是流动性、黏聚性和保水性的综合体现，新拌混凝土的流动性、黏聚性和保水性之间既互相联系，又常存在矛盾。因此，在一定施工工艺的条件下，新拌混凝土的和易性是以上三方面性质的矛盾统一。
3.2目前，还没有能够全面反映混凝土拌和物和易性的简单测定方法。通常，通过试验测定流动性，以目测和经验评定黏聚性和保水性。混凝土的流动性用稠度表示，其测定方法有坍落度仪法和维勃稠度法两种。

4. 写作背景及目的
4.1写作背景
莞惠城际轨道GZH-5标段共建有1#、2#两个集中拌合站，主要为全线主体结构施工提供混凝土。今年工地的重点为暗挖隧道施工，对混凝土和易性要求较高，但坍落度损失大却一直是个难题。现在混凝土现场施工主要存在以下问题：
4.1.1混凝土运送距离远、施工温度高：混凝土在拌合站出机时和易性较好，因本地区温度高，混凝土中水分蒸发快，再加上运送距离较远，混凝土搅拌时间增长，导致到达现场的混凝土和易性变差；
4.1.2 混凝土经过多次倒运：混凝土从拌合站运送至施工现场后，先要由下料斗通过串筒倒入到竖井下的罐车内（如图1），再由罐车运送至洞内施工泵车处，最后通过地泵将混凝土浇筑入模，这一系列的倒运会加大混凝土中浆体的损失，降低混凝土的施工和易性；
图1 混凝土倒运过程

4.1.3现场施工对混凝土和易性要求高：今年工地的重点为暗挖隧道施工，对混凝土和易性要求较高，尤其是隧道二衬施工，混凝土和易性的好坏将会影响到结构物的外观质量与强度，并且混凝土和易性不好会提高泵管堵塞的机率，对现场工、料、机造成直接的影响。
4.2写作目的
加强混凝土和易性的控制，能有效保证混凝土的施工质量，节约人力物力，降低损失，对结构物外观质量与强度的控制也能起到显著的作用。同时也希望能够在地下混凝土施工方面积累些许经验，为其他项目类似施工提供一定的借鉴作用。

5.水泥与外加剂相互作用的机理
通过研究外加剂在混凝土中与水泥相互作用的机理，我们了解到掺外加剂的混凝土坍落度损失较大的原因可大致归纳为以下三方面：第一、水泥矿物对外加剂的吸附性。水泥中不同的矿物对外加剂的吸附性能是不一样的，水泥矿物的吸附作用顺序为：C3A＞C4AF ＞C3S ＞C2S，这个顺序恰与水泥矿物的水化速度顺序相同。加水搅拌（指外加剂同掺法）就促使较多的分散剂涌到水泥颗粒表面，使整个液相中外加剂的浓度明显下降，对水泥起分散作用的外加剂渐显不足，因而坍落度值将随时间而逐渐减小；第二、气泡外溢及水分蒸发。外加剂掺入混凝土中，即使是非引气型外加剂也总有一定的气泡引入，由于气泡在运输、停放过程中可能不断外溢消散，并伴随着水分蒸发，因而混凝土坍落度值较明显下降；第三、掺加外加剂(尤其是高效减水剂) 后，由于分散、湿润等作用，使水泥的初期水化速度有所加快，水化产物增多，固体量增加，故而整个体系的粘度增加，致使坍落度值下降较快，在高温条件下更甚。综上所述，外加剂对水泥适应性差的原因主要在于水泥矿物C3A之类的矿物对外加剂的吸附能力强， 如果将水泥与水和其它骨料、掺和料等原材料先进行搅拌，外加剂在搅拌一定时间后加入，让水泥颗粒表面先形成一层水膜，C3A之类的矿物组分对外加剂的吸附能力就会大大减弱，使溶液中保持有足够量的外加剂，因而外加剂对水泥的适应性将会得到改善。这就是我们通常所说的外加剂后掺法，它明显提高了外加剂对水泥的适应性，以及显著的减水增强作用。

6. 掺和方法试验
我们以暗挖隧道二衬C45混凝土配合比为例，采用公称容量为60L的单卧轴式强制搅拌机，试验拌合量均为30L，对“外加剂掺和方法对混凝土和易性的影响”进行试验。考虑到施工现场与室内试验的差异，我们将试验分别在两个不同环境温度下进行，一个是满足规范要求的试验温度21℃，另一个是不满足规范要求但相对比较能接近现场混凝土施工环境的试验温度30℃。
6.1配合比选用（见表1）
表1 C45混凝土配合比各项原材料用量（单位：kg/m3）
水泥
粉煤灰
细骨料
粗骨料
水
外加剂
304
143
702
1099
152
4.47
6.2原材料选用
水泥采用东莞华润42.5普通硅酸盐水泥，其28d实测强度为47.0MPa；粗骨料采用大片美石料场5～31.5mm碎石，其表观密度为2680kg/m3；细骨料采用东江砂场河砂，其表观密度为2610kg/m3，细度模数为2.7；外加剂采用北京建工AN4000型聚羧酸高性能减水剂，其减水率为27.2%；粉煤粉采用徐州华润F类Ⅱ级粉煤灰，其需水量比为102%。

7. C45混凝土配合比试验（环境温度21℃）
7.1外加剂同掺法
7.1.1投料顺序
加入全部水泥、粉煤灰、细骨料和粗骨料，搅拌30s →加入全部拌和用水和减水剂（减水剂先加入到拌和水中），搅拌120s →混凝土出机
7.1.2和易性测定
混凝土搅拌完成出机后，在铁板上人工翻拌至均匀，采用坍落度仪法测得混凝土出机坍落度215mm，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。试验完成，立即将混凝土装入试样筒内，容器加盖，静置至30min（从加水搅拌时开始计算），然后倒出，在铁板上用铁锹翻拌至均匀后，再采用坍落度仪法测得混凝土30min后坍落度200mm，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。
7.2外加剂后掺法
7.2.1投料顺序
加入全部水泥、粉煤灰、细骨料和粗骨料，搅拌30s →加入全部拌和用水，搅拌30s →加入全部减水剂，搅拌90s →混凝土出机
7.2.2和易性测定
混凝土搅拌完成出机后，在铁板上人工翻拌至均匀，采用坍落度仪法测得混凝土出机坍落度225mm，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。试验完成，立即将混凝土装入试样筒内，容器加盖，静置至30min（从加水搅拌时开始计算），然后倒出，在铁板上用铁锹翻拌至均匀后，再采用坍落度仪法测得混凝土30min后坍落度225mm，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。
7.3外加剂分次加入法
7.3.1投料顺序
加入全部水泥、粉煤灰、细骨料和粗骨料，搅拌30s →加入全部拌和用水，搅拌30s →加入4/5减水剂，搅拌90s →混凝土出机 →30min后加入剩余1/5减水剂，人工翻拌至均匀
7.3.2和易性测定
混凝土搅拌完成出机后，在铁板上人工翻拌至均匀，采用坍落度仪法测得混凝土出机坍落度185mm，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。试验完成，立即将混凝土装入试样筒内，容器加盖，静置至30min（从加水搅拌时开始计算），然后倒出，加入剩余的1/5减水剂，在铁板上用铁锹翻拌至均匀后，再采用坍落度仪法测得混凝土30min后坍落度230mm，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。
7.4 C45混凝土配合比试验结果整理（见表2）
表2 C45混凝土配合比试验结果（环境温度21℃）
掺和方法 试验项目
外加剂同掺法
外加剂后掺法
外加剂分次加入法
出机坍落度（mm）
215
225
185
出机30min后坍落度（mm）
200
225
230
黏聚性
良好
良好
良好
保水性
无
无
无

8. C45混凝土配合比试验（环境温度30℃）
8.1外加剂同掺法
8.1.1投料顺序
加入全部水泥、粉煤灰、细骨料和粗骨料，搅拌30s →加入全部拌和用水和减水剂（减水剂先加入到拌和水中），搅拌120s →混凝土出机
8.1.2和易性测定
混凝土搅拌完成出机后，在铁板上人工翻拌至均匀，采用坍落度仪法测得混凝土出机坍落度210mm，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。试验完成，立即将混凝土装入试样筒内，容器加盖，静置至30min（从加水搅拌时开始计算），然后倒出，在铁板上用铁锹翻拌至均匀后，再采用坍落度仪法测得混凝土30min后坍落度175m，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。
8.2外加剂后掺法
8.2.1投料顺序
加入全部水泥、粉煤灰、细骨料和粗骨料，搅拌30s →加入全部拌和用水，搅拌30s →加入全部减水剂，搅拌90s →混凝土出机
8.2.2和易性测定
混凝土搅拌完成出机后，在铁板上人工翻拌至均匀，采用坍落度仪法测得混凝土出机坍落度220mm，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。试验完成，立即将混凝土装入试样筒内，容器加盖，静置至30min（从加水搅拌时开始计算），然后倒出，在铁板上用铁锹翻拌至均匀后，再采用坍落度仪法测得混凝土30min后坍落度210mm，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。
8.3外加剂分次加入法
8.3.1投料顺序
加入全部水泥、粉煤灰、细骨料和粗骨料，搅拌30s →加入全部拌和用水，搅拌30s →加入4/5减水剂，搅拌90s →混凝土出机 →30min后加入剩余1/5减水剂，人工翻拌至均匀
8.3.2和易性测定
混凝土搅拌完成出机后，在铁板上人工翻拌至均匀，采用坍落度仪法测得混凝土出机坍落度180mm，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。试验完成，立即将混凝土装入试样筒内，容器加盖，静置至30min（从加水搅拌时开始计算），然后倒出，加入剩余的1/5减水剂，在铁板上用铁锹翻拌至均匀后，再采用坍落度仪法测得混凝土30min后坍落度220mm，目测黏聚性“良好”，保水性“无”。
8.4 C45混凝土配合比试验结果整理（见表3）
表3 C45混凝土配合比试验结果（环境温度30℃）
掺和方法 试验项目
外加剂同掺法
外加剂后掺法
外加剂分次加入法
出机坍落度（mm）
210
220
180
出机30min后坍落度（mm）
175
210
220
黏聚性
良好

良好
良好
保水性
无
无
无

9.外加剂同掺法、后掺法、分次加入法三者的对比
由图2、图3不难看出，后掺法30min后坍落度值与分次加入法30min后坍落度值明显要大于同掺法30min后坍落度值，并且同掺法30min坍落度损失值也明显大于后掺法30min坍落度损失值。考虑到外加剂的添加工艺、混凝土的和易性以及成本问题，特对外加剂同掺法、后掺法、分次加入法三者的优、缺点作出如下分析，具体情况见表4。
图2 21℃环境温度下，不同外加剂掺和方法在不同时间所测得的混凝土坍落度值

图3 30℃环境温度下，不同外加剂掺和方法在不同时间所测得的混凝土坍落度值

表4 外加剂同掺法、后掺法、分次加入法三者的优、缺点分析
外加剂 掺和方法
优点
缺点
同掺法
添加工艺简单，外加剂分布均匀
混凝土坍落度损失较大
后掺法
添加工艺较简单，外加剂分布均匀，混凝土坍落度损失值较小，保持了混凝土的流动性，可以降低外加剂的掺量，节约成本
容易造成泌水现象
分次加入法
改善水泥与外加剂的适应性，增强使用效果，外加剂二次添加搅拌均匀后，混凝土和易性很好，可以降低外加剂的掺量，节约成本
添加工艺繁琐，需要专用的添加装置和搅拌设备，否则外加剂二次添加后分布可能不太均匀，增加了成本

10.结束语
大量试验研究表明，在相同的条件下，外加剂后掺法、分次加入法较同掺法都可以改善混凝土的和易性，降低外加剂的掺量，特别是对水泥矿物中C3A及C4AF含量高的水泥。日本学者对“水泥矿物对外加剂的吸附性能”研究最早，因此国外不少商品混凝土中外加剂都不是在搅拌中加入，而是在运拌车中或是运到现场后再加入，用以改善混凝土的和易性，保证混凝土的正常施工。这是一种先进的掺加技术，但这个方法需要增加一些添加装置，目前国内基本上没有采用，但有条件时应当提倡这种方法。

参考文献
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2.《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080-2002中华人民共和国国家标准 2003-06-01中华人民共和国建设部 发布 北京
3.《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTG E30-2005中华人民共和国行业标准 2005-08-01中华人民共和国交通部 发布 北京
4.《混凝土外加剂》刘其城 徐协文 陈曙光 编著 化学工业出版社 2012.01 北京
5.《混凝土外加剂原理与应用》（第二版）陈建奎 著 中国计划出版社 2004.04 北京
6.《公路工程试验检测人员考试用书-材料》李福普 李闯民主编 人民交通出版社 2010.5北京

姚威，男，1986年8月生，本科，助理工程师