混凝土外加劑在水利工程中的實際應(yīng)用

□張會敏

混凝土外加劑是混凝土中除膠凝材料、骨料、水和纖維組分以外，在混凝土攪拌前或拌制過程中加入的，用以改善新拌混凝土和（或）硬化混凝土性能，對人、生物及環(huán)境安全無有害影響的材料。水利工程混凝土依據(jù)不同結(jié)構(gòu)特點、施工工藝、施工環(huán)境、施工性能選擇外加劑，同時外加劑需采用不同類型、不同功能的品種綜合作用，來滿足水利工程混凝土的各種要求。

1.混凝土外加劑在大體積混凝土中的應(yīng)用

1.1 外加劑選擇

相關(guān)實驗表明，混凝土內(nèi)部最高溫度大多數(shù)發(fā)生在混凝土澆筑后的第3—5 天，此時混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都很低，對水泥水化熱引起的急劇溫升約束不大，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也較小。隨著混凝土齡期增長、彈性模量增高，對混凝土內(nèi)部降溫收縮的約束力也就越來越大，因此產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。當(dāng)混凝土極限抗拉強(qiáng)度不足以抵抗這種拉應(yīng)力時，便開始出現(xiàn)溫度裂縫。因此，在大體積混凝土施工過程中，如何延緩混凝土絕熱峰值的出現(xiàn)時間、降低水泥水化熱絕熱峰值、提高混凝土本身抵抗能力以及有利于混凝土的泵送，就成為水利工程大體積混凝土施工中考慮的主要問題，而要解決這些問題必須合理選用混凝土外加劑。

1.1.1 減水劑

減水劑可以降低膠凝材料用量，特別是水泥的用量，還可以降低用水量，在施工前期可以降低水泥的水化熱、降低混凝土內(nèi)部熱峰值，在施工后期可以避免由于混凝土失水造成的混凝土干燥收縮開裂，增加混凝土的密實性和抗?jié)B性。另外，大部分減水劑自身還存在一定的緩凝作用，如在常溫下?lián)接肈H3G 高效減水劑（摻量0.6%），混凝土初凝時間可延長0.5h—2h，同時可使混凝土的內(nèi)部溫升有所降低并延緩溫峰的出現(xiàn)。

1.1.2 緩凝劑

緩凝劑可以拉長水泥水化的時間，使混凝土的凝結(jié)時間延緩，在水化熱不變的情況下，減緩了放熱速度和降低了放熱峰值。放熱速度的減緩和放熱峰值的降低有利于控制混凝土內(nèi)外溫差，增強(qiáng)混凝土抗開裂能力。在實際應(yīng)用中，在大體積混凝土中單純采用緩凝劑已經(jīng)比較少見，一般多采用緩凝減水劑。例如DH4BG 緩凝高效減水劑減水率高、緩凝效果好、抗離析、抗泌水且泵送摩擦阻力小，便于泵送。

1.1.3 膨脹劑

摻加膨脹劑能夠使混凝土在硬化過程中產(chǎn)生微膨脹，補(bǔ)償混凝土的收縮應(yīng)力，預(yù)防混凝土開裂。摻加膨脹劑的混凝土養(yǎng)護(hù)更加重要，只有加強(qiáng)濕養(yǎng)護(hù)，才能實現(xiàn)膨脹和補(bǔ)償收縮、預(yù)防裂縫的目的，特別是對于水利工程大體積混凝土，表面抹壓后用塑料薄膜覆蓋，混凝土硬化后，宜采用蓄水養(yǎng)護(hù)、噴霧養(yǎng)護(hù)、噴灑養(yǎng)護(hù)劑或用濕麻袋覆蓋，以保持混凝土表面潮濕，養(yǎng)護(hù)時間不應(yīng)少于14d。

1.1.4 引氣劑

對于水利工程中處于水位變動區(qū)的混凝土，抗凍融、抗?jié)B性能是兩個必須考量的耐久性指標(biāo)，而優(yōu)質(zhì)引氣劑的摻入使得混凝土滿足指標(biāo)要求變得更加容易。摻加引氣劑的混凝土在攪拌過程中引入大量微小、封閉、分布均勻的極性氣泡。優(yōu)質(zhì)引氣劑的氣泡大小均勻穩(wěn)定、互不連通、良好分散、氣泡間距和尺度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。摻加引氣劑的混凝土極性氣泡的存在。一是可以產(chǎn)生”滾珠”效應(yīng)起到改善混凝土和易性，增加可泵性的作用；二是極性氣泡堵塞混凝土毛細(xì)孔滲流通道，提高混凝土抗?jié)B性；三是引入的氣泡起空室作用，可容納冰凍水和遷移水，從而使水壓和滲透壓得以釋放，防止混凝土被破壞。

綜上所述，大體積混凝土摻入減水劑、緩凝劑、引氣劑等，提高了混凝土的工作性能，硬化強(qiáng)度、密實度，拉長水泥水化熱時間延緩混凝土凝結(jié)，增強(qiáng)了混凝土的抗裂性，提高了混凝土的抗?jié)B性和混凝土抵抗凍融破壞的能力。

1.2 工程應(yīng)用實例

三峽水利工程大壩混凝土選用ZB-1A 緩凝高效減水劑和DH9 引氣劑兩種外加劑。ZB-1A 兼有減水和緩凝作用，減水率高達(dá)22%以上，凝結(jié)時間差4～6h，高效減水作用降低了混凝土單方用水量和膠凝材料用量，降低了水泥水化熱峰值，水分蒸發(fā)量也相應(yīng)減小，合理的緩凝時間延緩了混凝土的凝結(jié)速度，降低了絕熱峰值，從而有效控制大壩混凝土的溫升和干燥收縮，降低混凝土熱裂危險性，提高混凝土抗干縮能力。引氣劑DH9 大量引入的穩(wěn)定微氣泡提高了混凝土拌合物的工作性，減小了混凝土的坍落度損失，提高了混凝土的抗凍融性能。三峽水利工程建設(shè)通過采用ZB-1A、DH9 配合國標(biāo)Ⅰ級粉煤灰摻合料，優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計，加強(qiáng)混凝土生產(chǎn)控制等綜合措施，提高了混凝土質(zhì)量，降低了混凝土的生產(chǎn)成本，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2.混凝土外加劑在碾壓混凝土中的應(yīng)用

2.1 外加劑的選擇

碾壓混凝土施工中可能面臨氣溫不穩(wěn)定、表層水分蒸發(fā)快、施工倉面大、需要連續(xù)快速施工等問題，需要較好地解決混凝土攤鋪層間的有效銜接，控制好混凝土凝結(jié)時間，否則會出現(xiàn)下層混凝土凝結(jié)時間過快上層混凝土來不及攤鋪而形成冷縫，或下層凝結(jié)時間過慢影響上層混凝土攤鋪從而減緩施工速度等情況。故混凝土的凝結(jié)時間應(yīng)與施工進(jìn)度和施工措施相同步，從而保證混凝土各澆筑層面的充分結(jié)合，滿足碾壓混凝土的可施工性、強(qiáng)度和抗凍抗?jié)B要求。因此，需要選擇各種不同的外加劑通過復(fù)配、優(yōu)化外加劑組成，使其減水、緩凝、引氣?；炷聊Y(jié)時間的調(diào)整可通過緩凝劑來實現(xiàn)，減水劑用于提高了混凝土拌合物的和易性和硬化混凝土強(qiáng)度，引氣劑用于提高碾壓混凝土的抗凍、抗?jié)B性。在實際應(yīng)用當(dāng)中，單一使用某一種外加劑，無法滿足現(xiàn)場施工要求，只有通過復(fù)合改性、合理調(diào)整外加劑組方使其達(dá)到既減水又緩凝還引氣的目的。

2.2 工程應(yīng)用實例

承德雙峰寺水庫大壩為碾壓混凝土壩，歷經(jīng)3 年建設(shè)，每年6 月—9 月混凝土澆筑倉面氣溫平均23℃以上最高達(dá)40.5℃，而12 月—下年2 月平均氣溫在-5℃最低-29℃。為保證混凝土凝結(jié)時間與施工進(jìn)度和施工措施的同步，施工單位經(jīng)過大量碾壓混凝土凝結(jié)時間的試驗，形成有效數(shù)據(jù)，總結(jié)出外加劑各組分對混凝土凝結(jié)時間的影響規(guī)律，在混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)上設(shè)置了兩個減水劑溶液儲存池，一個緩凝劑溶液儲存池，一個引氣劑溶液儲存池，根據(jù)不同季節(jié)和施工當(dāng)天溫度情況確定使用相應(yīng)方案配方的外加劑，通過調(diào)整減水劑與緩凝劑比例，使其既滿足高溫條件又滿足低溫條件，有效地解決了在溫度濕度不穩(wěn)定、倉面蒸發(fā)量大、日夜溫差較大條件下碾壓混凝土的凝結(jié)時間問題。

承德雙峰寺水庫大壩混凝土從出機(jī)口取樣到現(xiàn)場巖心取樣看，層間結(jié)合致密，整體性好，各項性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求，2020 年順利通過竣工驗收。

3.混凝土外加劑在自密實混凝土中的應(yīng)用

3.1 外加劑的選擇

自密實混凝土是一種依靠自身重力產(chǎn)生流動性，填充到空隙中的特種混凝土。必須有高流動性、高抗離析性、高間隙通過性和高填充性，要實現(xiàn)這些性能需要外加劑與水泥有相適性、減水率、緩凝保塑能力和較高的坍落度保持能力。

高性能減水劑對水泥有廣泛的適應(yīng)能力，減水率高于25%，能夠使混凝土有較大的流動性，緩凝劑能夠滿足施工對凝結(jié)時間的要求，同時提高混凝土坍落度的保持能力，增粘劑可改變混凝土的黏度保證高流態(tài)自密實混凝土既不產(chǎn)生泌水又防止顆粒的離析，保水劑增加混凝土的保水性，引氣劑可以滿足混凝土的抗凍、抗?jié)B要求。

3.2 工程應(yīng)用實例

承德平泉鴿子洞水庫大壩為自密實堆石混凝土壩，堆石混凝土筑壩技術(shù)由清華大學(xué)發(fā)明，具有施工速度快、質(zhì)量穩(wěn)定、低水化熱、低成本的特點。2018 年清華大學(xué)華石納固公司聯(lián)合河北省混凝土外加劑廠共同為鴿子洞水庫提供堆石混凝土專用外加劑，由河北省混凝土外加劑廠提供高性能減水劑母液、緩凝劑，華石納固公司提供增粘劑和引氣劑。堆石自密實混凝土為滿足自密實性能通常以體積配合比進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)過坍落度、擴(kuò)展度、倒置凈空、U 型流通、早期及后期強(qiáng)度等一系列試驗逐步確定外加劑組成成分、比例以及體積配合比參數(shù)，再經(jīng)過膠材凈漿、砂漿、混凝土試驗及外加劑配方優(yōu)化試驗，確定最終自密實混凝土配合比。C9015 專用自密實混凝土配合比見表1。

表1 C9015 專用自密實混凝土配合比（kg/m3）

在隨后開展的試驗壩段實驗結(jié)果表明：新拌自密實混凝土流態(tài)良好、無離析分離、通過性和黏聚性優(yōu)良，混凝土各齡期強(qiáng)度增長效果好，硬化混凝土試件顯微鏡下觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密均勻，壩體鉆心取樣顯示整體性好。