RCC 超缓凝复合外加剂的试验研究

关键词：碾压混凝土； Vc值； 凝结时间； 缓凝剂；减水剂；复合外加剂

1　前　言

碾压混凝土(RCC)起源于20世纪30年代的干贫混凝土。30年来，这项技术经过美国、日本、中国等十多个国家坝工界和混凝土界广大技术人员的试验研究，碾压混凝土筑坝技术不但发展速度很快，而且不断有新的创造。碾压混凝土坝具有建设周期短、温控费用低等特点，已经成为当前的发展趋势。

不论是已建的、在建的还是正处于设计中的碾压混凝土坝，中国是世界上碾压混凝土坝最多的国家，其碾压混凝土总量超过3463.8万m³，平均总胶材用量为173kg/m³。

碾压混凝土属于干硬性贫胶材混凝土，为了降低水泥用量，延缓水化速度，要求外加剂必须具有高减水、超缓凝的特点。混凝土配合比设计上也采用低水泥、高掺粉煤灰的手段。因此设计对外加剂的选用除了要满足混凝土和易性的要求以外，还必须兼顾高性能、低价格的要求，既要符合高效减水剂的性能指标，又要具有强缓凝的特点。我国地域辽阔，气候差异大，单一成分的外加剂往往有其局限性，工程中大多采用复合外加剂以改善混凝土性能。而复合外加剂的研究， 主要依据其所应用的范围、性能要求，结合水泥品种，选择一种或多种原料进行复合，然后根据水泥净浆、砂浆或混凝土性能试验结果确定配方是否可行。考虑各组分的交互作用，为减少试验工作量也可采取正交试验设计，然后对试验数据进行分析处理，找出最佳的组分以及复合比例。本次试验采用高效减水剂与缓凝剂复合的方法，高效减水剂主要起减水的作用，缓凝剂主要起延缓凝结时间的作用，同时对减水率有所改善。

蔺河口水电站位于陕西省岚皋县境内，属于亚热带大陆性气候区，多年平均气温15℃。设计上要求外加剂减水率达到20%以上，掺外加剂混凝土V_c值为5～10s，初凝时间为18h以上。试验中结合蔺河口水电站的施工条件，选择标准温度20℃及试验环境最高温度30℃两个温度条件进行试验，找出合适的复合材料及比例，对外加剂性能进行调整改进，研究出适合碾压混凝土使用的超缓凝复合外加剂。

2　超缓凝复合外加剂配方的试验设计

超缓凝复合外加剂缓凝时间的长短主要决定于缓凝组分的种类及比例，各缓凝成分对混凝土的作用不仅仅是调节凝结时间，对其它性能影响也较大，比如减水率、强度比、和易性等，而减水率的大小主要取决于母料的品种和所占有的比例。因此，原料品种与复合比例是本次研究的主要对象。

2. 1　超缓凝复合外加剂主要原料的确定

目前常用的高效减水剂有奈磺酸甲醛缩合物、氨基磺酸盐、磺化三聚氰胺等系列，后两类高效减水剂虽然性能好，但价格高，使用上受到限制。奈磺酸甲醛缩合物对某些水泥的适应性能不好，通过复合其它成分、改善性能可以克服这一缺陷，因此奈系减水剂及其复合产品仍是当前外加剂应用的主要品种。国内外复合外加剂的母料一般也多采用萘系高效减水剂，其掺量一般为0.5%～1.0%，减水率大都在20%左右。

试验中以奈系高效减水剂为母料，根据厂家的实力和质量保证状况选择不同的品种进行性能试验对比，选出一种奈系高效减水剂作为复合外加剂的母料，其减水率必须达到20%以上，然后通过复合缓凝组分对其它性能进行改善。如果出现减水剂对水泥不适应的情况，可以通过与其它系列高效减水剂复合的方法进行调整。试验全过程采用蔺河口水电站碾压混凝土施工所用中热525^#硅酸盐水泥。

缓凝剂可分为有机和无机两大类。有机缓凝剂包括：木质素磺酸盐、羟基羧酸及其盐、多元醇及其衍生物、糖类及碳水化合物。有机缓凝剂主要是使C₃A水化减慢，木质素磺酸盐除能使C₄A F水化延缓，还有一定的引气作用，对改善混凝土的和易性有利，还对高掺粉煤灰碾压混凝土的抗冻性能、耐久性能有所改善。各种羟基羧酸及其盐，如酒石酸、柠檬酸、苹果酸、水杨酸、葡萄糖酸及它们的盐是常用的缓凝剂，其中以葡萄糖酸盐的效果最佳。木质素磺酸盐是生产混凝土减水剂十分通用的原料，价格低廉，性能好，使用范围广。羟基羧酸及其盐价格较高，但调凝效果好， 适应性能好，使用量也持续增长。

无机缓凝剂包括：硼砂，氧化锌，碳酸锌，铁、铜和锌、铁、铜的硫酸盐，磷酸盐和偏磷酸盐等， 由于缓凝作用不稳定，因此不常使用。各种磷酸盐缓凝剂近年来研究的较多，有资料表明，正磷酸(H₃PO₄)的缓凝作用不大，而各种磷酸盐的缓凝作用却较强，二聚磷酸、三聚磷酸盐以及多磷酸盐都能大大延缓凝结时间，其中最强的缓凝剂是中性的焦磷酸钠。试验选用木钙作为缓凝组分，并根据混凝土的不同性能要求以及试验情况，复合其它缓凝组分进行调整。

2. 2　母料选择试验

选择不同厂家生产的11种奈系高效减水剂，其品质指标与水泥净浆流动度试验数据见表1。

从表1中可以看出，水泥净浆流动度越大，其所对应的位置就越靠上，说明该高效减水剂对水泥的分散性越好。所测试的11种减水剂的水泥净浆流动度都在210mm以上，减水率基本能达到20%。结合厂家的规模、实力和质量保证情况，优先选用1^#高效减水剂进行各项性能的试验研究。该减水剂净浆流动度在所选择的11种减水剂中处于较低的水平，有利于配方调整。

2. 3　缓凝剂品种选择试验

碾压混凝土要求外加剂的缓凝时间较长，单一的缓凝组分缓凝时间有限，因此先用木钙进行试验，然后根据试验结果确定是否需要复合其它的缓凝组分。综合考虑市场供应情况、价格、性能等因素，选择2～3种缓凝组分进行备用。

用三聚磷酸钠、蔗糖、焦磷酸钠、葡萄糖酸钠进行净浆凝结时间试验。不同掺量时三聚磷酸钠凝结时间为6～8h，蔗糖6～10h，焦磷酸钠10～19h，葡萄糖酸钠8h左右。试验数据表明，掺焦磷酸钠、三聚磷酸钠、葡萄糖酸钠、蔗糖的水泥净浆凝结时间比不掺均有不同程度的延长(不掺为3h50min)。蔗糖价格低，但是其净浆泌水较多，掺量高时急凝;葡萄糖酸钠有少量泌水，凝结时间尚可，但是价格较高。综合各方面因素，选用焦磷酸钠、三聚磷酸钠、葡萄糖酸钠作为缓凝调整组分。

2. 4　混凝土性能试验

在碾压混凝土配合比设计中，V_c值、凝结时间是衡量和选择外加剂的常用指标。试验中也以V_c值、凝结时间作为进行外加剂比选的主要参数。

用1^#高效减水剂与木钙按照不同比例复合，配制超缓凝复合外加剂样品LN₁、LN₂、LN₃、LN₄、LN₅、LN₆进行碾压混凝土凝结时间、V_c值试验，试验数据见表2、表3。试验采用西北勘测设计研究院蔺河口水电站工程设计的配合比以及原材料，同时选用了其它厂家的缓凝高效减水剂JX₁、JX₂、JX₃、JX₄、JX₅进行对比。根据《水工碾压混凝土试验规程》(SL48-94)分析凝结时间试验成果时，有4个样品没有拐点，不能具体判定初、终凝时间。从测试成果分析，这几种外加剂在所测试的时间范围内没有凝结的倾向，凝结时间要比其它几种长。从表2可以看出，除编号JX₂、JX₃混凝土拌合物凝结时间较长以外，其余编号混凝土拌合物不同温度下初凝时间都在20～30h之间。

从整体上来说，各样品V_c值随时间的延长逐渐变大，但变化规律不完全一样。以2hV_c值变化的数值来分析，编号LN₂混凝土拌合物V_c值变化最小，编号LN₅混凝土拌合物次之，其后依次为编号JX₄、JX₃、JX₂混凝土拌合物，说明LN₂外加剂掺入后混凝土保塑性最好，其次为编号LN₅混凝土拌合物，掺JX₂混凝土拌合物保塑性较差。

综合以上数据，掺编号LN₂外加剂混凝土拌合物20℃、30℃时初凝时间都在18h以上，能够满足设计和施工要求。从凝结时间来判断，编号LN₂外加剂比较合适，从拌和物的V_c值考虑，掺LN₂外加剂后效果最好。

在掺LN₂外加剂的基础上，用焦磷酸钠、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠替代部分木钙，进行碾压混凝土性能试验，实测V_c值在2.2～5.9s之间;复合不同比例焦磷酸钠，混凝土初凝时间可达26～42 h;复合不同比例三聚磷酸钠，混凝土初凝时间可达20～28h;复合不同比例葡萄糖酸钠，混凝土初凝时间可达24～33h。结果表明，所选择的几种缓凝组分与高效减水剂按照不同比例复合后，凝结时间可调节范围宽，而且V_c值较小，对施工有利，可以确定焦磷酸钠、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠都可以用来作为LN₂配方的缓凝调整组分。

用不同品质指标的高效减水剂2^#、3^#、4^#、5^#、11^#分别代替LN₂配方中的1^#高效减水剂进行拌和物性能试验，试验数据见表4。

分析表4，几种高效减水剂掺入后混凝土各时间V_c值都比1^#高效减水剂小(除5^#高效减水剂1h以外)，而且基本在10s以内，能够满足设计和施工要求。以混凝土拌合物V_c值判断，其它几种减水剂都可以代替1^#高效减水剂配制LN2超缓凝复合外加剂。

碾压混凝土外加剂的凝结时间是衡量其能否应用于工程施工的重要依据之一。根据表4成果，绘制出减水剂品种与凝结时间关系图，见图1。从图1可以看出，除掺4^#高效减水剂混凝土终凝时间较长以外，掺其它品种减水剂混凝土初、终凝时间曲线基本在一个区域，说明掺LN₂后混凝土凝结时间受外加剂母料品种的影响较小。从凝结时间数据判断，其它几种减水剂都可以代替1^#高效减水剂配制LN₂超缓凝复合外加剂。

2. 5　复合外加剂配方确定

试验结果表明，不同品质指标的萘系高效减水剂都可以与木钙复合配制LN₂超缓凝复合外加剂。在变更母料生产厂家和型号时，即使原料品质指标有一定的差异，采用LN₂配方配制的超缓凝复合外加剂性能仍能满足设计要求，说明配方具有可调整性，有利于实际应用。以木钙为缓凝剂、1^#奈系高效减水剂为母料配制的LN2超缓凝复合外加剂，掺入后混凝土拌合物各项指标均能满足碾压混凝土的设计和施工要求。配方可调整范围大:可以调整到LN₁、LN₆的配方使凝结时间缩短， 也可以调整到LN₃、LN₄配方使凝结时间延长，并且与其它缓凝组分相容性好。可以确定LN₂配方为RCC超缓凝复合外加剂的最终配方。

按照《混凝土外加剂》(GB8076-1997)进行检测， 编号LN₂超缓凝复合外加剂掺量为0.75%时，减水率达到21%，其余各项性能指标都满足缓凝高效减水剂的指标要求。经试验证实，在蔺河口水电站配合比设计和现场使用过程中，当LN₂掺量为0.75%时，混凝土的V_c值、凝结时间、热学、力学性能、耐久性等各项指标都能满足设计和施工要求。

3　结　论

(1) 奈系高效减水剂与木钙按照LN₂配方配制的RCC超缓凝复合外加剂，其碾压混凝土拌和物的初凝时间在18h以上，各项性能指标均满足设计和施工要求，与相同等级的不掺外加剂的混凝土性能相比，由于其混凝土拌合物的凝结时间可随混凝土的摊铺情况进行调整，更适用于大体积工程施工。

(2) 焦磷酸钠、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠都可作为缓凝组分用于配制RCC超缓凝复合外加剂。

(3) 温度变化时RCC超缓凝复合外加剂的缓凝效果比较稳定，可调整范围宽，可以满足各种气候条件。