三峡工程二阶段降低混凝土单位用水量的试验研究

摘要：对缓凝高效减水剂、引气剂、国标I级粉煤灰及三者联掺对混凝土减水效果的试验研究表明：缓凝高效减水剂、引气剂、国标I级粉煤灰三者均有减水作用，其中高效减水剂是主要减水成分，国标I级粉煤灰(掺量30？第一辅助减水成分，引气剂(混凝土含气量5.0±0.5？第二辅助减水成分，而三者联掺能够最大限度地降低混凝土单位用水量。三峡工程应用表明，降低混凝土单位用水量取得了明显的技术、经济效益。

关键词：三峡工程　混凝土　缓凝高效减水剂

1　前 言<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

　　在影响混凝土单位用水量的因素中，骨料的影响是显著的，试验研究表明，在水胶比及坍落度相同条件下，花岗岩人工骨料混凝土较天然骨料混凝土的单位用水量高约40kg/m³左右，见表1，这主要是由于花岗岩人工骨料是粗粒结构，颗粒界面粗糙，集料粒形较差，因而导致混凝土单位用水量显著提高。

　　表1　　　人工、天然骨料混凝土单位用水量比较

　　试验依据：SD105-82；试验控制：w/(c+f)=0.55；中热水泥；掺和料采用重庆电厂Ⅱ级粉煤灰灰，需水量比97.7%，烧失量5.4%，等量替代30%；外加剂为：缓凝高效减水剂ZB-1A(0.5%)+引气剂DH9，湿筛混凝土含气量4～5%。

　　三峡工程二阶段混凝土，采用花岗岩人工骨料，混凝土单位用水量偏高，胶凝材料用量相应增加，由于混凝土是热的不良导体，较多的胶凝材料水化放热，相应的混凝土内部温升较高，易导致温度裂缝，破坏混凝土整体性，并降低其技术性能，不利于大坝的快速施工，而且对裂缝的处理——混凝土灌浆，还将花费大量的人力物力，其经济性较差。为此，大坝混凝土的浇筑，除在施工中采取一定技术措施外(如：预冷原材料，铺设降温管道等)，为降低混凝土单位用水量，相应减少胶凝材料用量，因而降低温升，从根本上减少温度裂缝，加快施工速度，提高混凝土技术、经济性能，进行了降低混凝土单位用水量的试验研究。

2　试　验

2.1　试验原材料

　　水泥：葛洲坝中热525^#硅酸盐水泥。

　　砂：三峡下岸溪斑状花岗岩人工砂，细度模数2.57，石粉含量13.7%。

　　石：三峡古树岭闪云斜长花岗岩人工碎石。

　　粉煤灰：安徽淮南平圩电厂粉煤灰，国标I级粉煤灰，需水量比92%。

　　外加剂：浙江ZB-1A缓凝高效减水剂；

　　　　河北DH9　引气剂。

2.2　试验

2.2.1　外加剂减水效果试验

　　试验依据GB8076-97，使用葛洲坝中热525^#硅酸盐水泥，C-3A含量不高于6%，引气剂检验混凝土含气量控制5.0±0.5%，试验结果见表2。

　　表2　　　　　　　　外加剂减水率检验结果

　　试验结果表明，缓凝高效减水剂ZB-1A(0.7%)减水率为22.8%；引气剂DH9(引气量5.2%时)减水率9.8%。缓凝高效减水剂具有较高的减水率，引气剂也有一定的减水效果。

2.2.2　粉煤灰减水效果试验

　　试验依据：SD105-82，配合比设计为体积法，粉煤灰等量替代，外加剂采用缓凝高效减水剂ZB-1A(掺量0.7%)和引气剂DH9，坍落度控制4.0±1.0cm，湿筛混凝土含气量5.0±0.5%。试验结果见表3。

　　表3　　　　粉煤灰掺量与混凝土单位用水量的关系

　　试验结果表明，常态混凝土中掺入10%～50%的国标I级粉煤灰，可减水4%～19%的单位用水量 ，如图1所示。因此国标I级粉煤灰有一定的减水作用，被誉为矿物(固体)减水剂。

2.2.3　降低混凝土单位用水量的试验

　　试验依据：SD105-82，配合比设计为体积法，二级配，固定砂率S=32%，固定胶凝材料用量C+F=250kg/m³；粉煤灰等量替代水泥F=30%；试验采用单掺缓凝高效减水剂ZB-1A(掺量0.7%，以下同)、单掺引气剂DH9(混凝土含气量4.0±0.5%，以下同)、单掺国标I级平圩灰(等量替代水泥30%，以下同)、缓凝高效减水剂ZB-1A与引气剂DH9联掺、缓凝高效减水剂ZB-1A与国标I级平圩灰联掺、引气剂DH9与国标I级平圩灰联掺及三者联掺的试验方案，坍落度控制5.0±1.0cm，有引气剂掺入时混凝土含气量控制4.0±0.5%。试验结果见表4。

　　表4　　　　　　　　　降低混凝土单位用水量试验结果

　　由表4可知：在混凝土中，缓凝高效减水剂ZB-1A减水率为21.3%，引气剂减水率为9.4%，国标I级平圩灰减水率为10.6%，减水率比较则为缓凝高效减水剂减水率＞国标I级平圩灰减水率＞引气剂减水率。因此可以说，在混凝土中缓凝高效减水剂为主要减水成分，国标I级平圩灰为第一辅助减水成分，引气剂为第二辅助减水成分；缓凝高效减水剂ZB-1A与引气剂DH9联掺减水率为26.3%，缓凝高效减水剂ZB-1A与国标I级平圩灰联掺减水率为27.5%，引气剂DH9与国标I级平圩灰联掺减水率为11.9%，缓凝高效减水剂、引气剂和国标I级平圩灰联掺减水率为34.4%。减水率比较则为缓凝高效减水剂、引气剂和国标I级平圩灰联掺减水率大于缓凝高效减水剂ZB-1A
与引气剂DH9联掺减水率、缓凝高效减水剂与国标I级平圩灰联掺减水率、引气剂与国标I级平圩灰联掺减水率，因此，比较而言，缓凝高效减水剂、引气剂和国标I级平圩灰联掺能够最大程度的降低混凝土单位用水量，同基准混凝土用水量相比，三者联掺降低混凝土单位用水量55kg/m³。

2.3　试验结果机理分析

2.3.1　高效减水剂的减水作用机理

　　新拌混凝土中，高效减水剂高分子基团吸附于水泥颗粒表面，相同电性的亲水基统一指向水溶液，水泥颗粒在电性斥力作用下解絮，释放水泥颗粒凝絮体中包裹的游离水，同时，水泥颗粒间的相同电性斥力，减缓了棱角状水泥颗粒间啮合作用，利于水泥浆体流动，表现出减水作用。高效减水剂是混凝土中主要减水成分。

2.3.2　国标I级粉煤灰减水作用机理

　　首先，由于粉煤灰的表观密度通常小于水泥，如平圩灰的表观密度为2220kg/m³，而葛洲坝中热525#硅酸盐水泥的表观密度为3200kg/m³，替代相同重量的水泥，粉煤灰的体积较相同重量的水泥的体积大，会增加混凝土中的浆体体积，提高浆体对骨料的润滑作用；其次，国标I级粉煤灰具有优良的颗粒形貌，以平圩I级灰为例，从图2中可以看到，国标I级粉煤灰基本上是由粒径细小的玻璃状球体组成，在混凝土中起滚珠轴承作用，减小水泥颗粒间的摩擦，提高了浆体的流动性；第三，国标I级粉煤灰极好的粒形和细小的粒径，如平圩灰粒径小于10μm的含量大于40%，使之能够发挥其解絮作用，释放因凝絮作用而被水泥颗粒包裹的游离水，辅助高效减水剂，使水泥颗粒解絮更完善，因此国标粉煤灰具有减水作用，被誉为矿物（固体）减水剂。国标I级粉煤灰是混凝土中第一辅助减水成分。

2.3.3 引气剂减水作用机理

　　引气剂作用下，含气量3%～5%时，混凝土中引入微小气泡5000～8000亿个左右。含气量的提高，增加了浆体体积，对骨料的润滑作用提高，同时，微小气泡有一定机械强度，带有相同电性的微小气泡相互排斥，因此，大量的微小气泡能够稳定、均匀地分布于混凝土中，起着气体滚珠轴承作用，减小水泥颗粒间的摩擦，进一步提高了浆体的流动性，表现出一定的减水作用。引气剂是混凝土中第二辅助减水成分；

2.2.4 缓凝高效减水剂、引气剂和国标I级粉煤灰联掺减水作用机理

　　三者在混凝土中各自发挥自身的减水作用，同时又相互作用、相互促进，如国标I级粉煤灰同缓凝高效减水剂共同作用，对水泥颗粒的解絮更加充分；带有相同电性互相排斥，并有一定机械强度的微小气泡粒径大多是20～200μm，而平圩灰粒径小于10μm的含量大于40%，不同粒径组成的“微珠”相互补充，在混凝土中充发挥滚珠轴承作用，因此缓凝高效减水剂、引气剂和国标I级粉煤灰联掺最大限度地降低了混凝土的单位用水量。

3 联掺法降低混凝土单位用水量在工程中应用举例 <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

　　三峡工程二阶段混凝土配合比设计，采用联掺法对混凝土配比进行优化，取得了明显的技术 、经济效益。首先，克服了花岗岩骨料的限制，降低了混凝土的单位用水量，降低幅度在30%以上，有利于施工中的温控。在北京水科院“国内外大坝混凝土配合比概况”中共收集了161个大坝混凝土配合比，查知花岗岩人工骨料的大坝混凝土，四级配混凝土最低单位用水量为100kg/m³，而三峡工程优化的混凝土室内试验，由于合理的运用了缓凝高效减水剂、优质引气剂和国标I级粉煤灰联掺的技术措施，降低了混凝土的单位用水量，其最低单位用水量为79kg/m³，达到国内外领先水平，参见表5。

表5 　　　三峡工程二阶段混凝土配合比(部分)

　　其次，取得了优异的技术性能，配制出了具有里程碑意义的高性能水工混凝土，不仅温升较低，而且具有高耐久性，及良好的施工和易性等技术性能；产生了巨大经济效益，二阶段工程仅原材料节省的直接费用就高达2亿元以上。

4 结　论

(1)缓凝高效减水剂、引气剂和国标I级粉煤灰在混凝土中具有不同程度的减水作用。其中缓凝高效减水剂是主要减水成分，国标I级粉煤灰是第一辅助减水成分，引气剂是第二辅助减水成分。

(2)采用缓凝高效减水剂、引气剂和国标I级粉煤灰联掺，是降低混凝土单位用水量的一种有效途径，能够克服原材料的不利影响，最大限度地降低混凝土单位用水量。

(3)工程应用表明，降低混凝土单位用水量，不仅能够提高混凝土的技术性能，配制出高性能水工混凝土，而且能够产生巨大的经济效益。