三峡工程二阶段降低混凝土单位用水量的试验研究(一)
详细内容
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
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
人 工 骨 料
天 然 骨 料
级配
水胶比
用水量
(kg/m3)
砂率
(%)
坍落度
(cm)
和 易 性
级配
水胶比
用水量
(kg/m3)
砂率
(%)
坍落度
(cm)
和 易 性
棍度
抹平
离析
棍度
抹平
离析
二
0.50
179
40
6.5
上
好
轻
二
0.50
139
33
7.5
上
好
轻
0.45
179
39
7.1
上
好
轻
0.45
144
34
7.8
上
好
轻
三
0.50
156
35
5.0
上
好
轻
三
0.50
110
27
5.7
上
好
轻
0.50
152
33
5.5
上
好
轻
0.50
107
25
7.3
中
较好
较轻
四
0.50
146
32
5.0
上
好
轻
四
0.50
102
25
7.0
上
好
轻
0.50
143
30
5.1
上
好
轻
0.50
99
23
7.6
上
好
轻
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
混凝土序号
用水量
(kg/m3)
砂率
(%)
水泥用量
(kg/m3)
外加剂品种
及掺量
坍落度
(cm)
含气量
(%)
减水率
(%)
抗压强度比(%)
3d
7d
28d
C基准
215
39
330
/
7.6
0.3
/
100
100
100
CZB-1A
166
39
330
ZB-1A 0.7%
7.5
1.0
22.8
183
204
164
CDH9
194
36
330
DH9 1.3/万
7.8
5.2
9.8
88
89
86
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
粉煤灰掺量(%)
混凝土单位用水量(kg/m3)
二级配
减水率(%)
三级配
减水率(%)
四级配
减水率(%)
0
123
/
103
/
91
/
10
117
5
99
4
86
5
20
109
11
94
9
82
10
30
105.5
14
91
12
80
12
40
101
18
88
15
78
14
50
100
19
84
18
75
18
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
序号
用水量
(kg/m3)
缓凝高效减水剂
引气剂
粉煤灰
坍落度
(cm)
含气量
(%)
减水率
(%)
抗压强度(MPa)
7d
28d
L0
160
/
/
/
4.1
0.4
/
18.3
32.5
L1
126
ZB-1A 0.7%
/
/
3.9
1.2
21.3
30.4
47.4
L2
145
/
DH9 1.4/万
/
4.1
4.1
9.4
15.8
27.0
L3
143
/
/
平圩灰 30%
4.6
0.7
10.6
16.7
29.6
L4
118
ZB-1A 0.7%
DH9 0.5/万
/
4.4
4.2
26.3
20.3
34.1
L5
116
ZB-1A 0.7%
/
平圩灰 30%
3.7
1.4
27.5
23.0
36.8
L6
141
/
DH9 1.9/万
平圩灰 30%
5.4
3.7
11.9
12.0
20.3
L7
105
ZB-1A 0.7%
DH9 0.7/万
平圩灰 30%
4.1
3.7
34.4
21.4
36.5
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。