三峡工程二阶段降低混凝土单位用水量的试验研究

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内容提示：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。

延伸阅读：三峡工程 混凝土 缓凝高效减水剂

    1 前 言

    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。（参考《建筑中文网》）

    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

    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。

原文网址：http://www.pipcn.com/research/200603/1671.htm

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