RCC 超緩凝復合外加劑的試驗研究

關鍵詞：碾壓混凝土； Vc值； 凝結時間； 緩凝劑；減水劑；復合外加劑

1　前　言

碾壓混凝土(RCC)起源于20世紀30年代的干貧混凝土。30年來，這項技術經(jīng)過美國、日本、中國等十多個國家壩工界和混凝土界廣大技術人員的試驗研究，碾壓混凝土筑壩技術不但發(fā)展速度很快，而且不斷有新的創(chuàng)造。碾壓混凝土壩具有建設周期短、溫控費用低等特點，已經(jīng)成為當前的發(fā)展趨勢。

不論是已建的、在建的還是正處于設計中的碾壓混凝土壩，中國是世界上碾壓混凝土壩最多的國家，其碾壓混凝土總量超過3463.8萬m³，平均總膠材用量為173kg/m³。

碾壓混凝土屬于干硬性貧膠材混凝土，為了降低水泥用量，延緩水化速度，要求外加劑必須具有高減水、超緩凝的特點?；炷僚浜媳仍O計上也采用低水泥、高摻粉煤灰的手段。因此設計對外加劑的選用除了要滿足混凝土和易性的要求以外，還必須兼顧高性能、低價格的要求，既要符合高效減水劑的性能指標，又要具有強緩凝的特點。我國地域遼闊，氣候差異大，單一成分的外加劑往往有其局限性，工程中大多采用復合外加劑以改善混凝土性能。而復合外加劑的研究， 主要依據(jù)其所應用的范圍、性能要求，結合水泥品種，選擇一種或多種原料進行復合，然后根據(jù)水泥凈漿、砂漿或混凝土性能試驗結果確定配方是否可行?？紤]各組分的交互作用，為減少試驗工作量也可采取正交試驗設計，然后對試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，找出最佳的組分以及復合比例。本次試驗采用高效減水劑與緩凝劑復合的方法，高效減水劑主要起減水的作用，緩凝劑主要起延緩凝結時間的作用，同時對減水率有所改善。

藺河口水電站位于陜西省嵐皋縣境內，屬于亞熱帶大陸性氣候區(qū)，多年平均氣溫15℃。設計上要求外加劑減水率達到20%以上，摻外加劑混凝土V_c值為5～10s，初凝時間為18h以上。試驗中結合藺河口水電站的施工條件，選擇標準溫度20℃及試驗環(huán)境最高溫度30℃兩個溫度條件進行試驗，找出合適的復合材料及比例，對外加劑性能進行調整改進，研究出適合碾壓混凝土使用的超緩凝復合外加劑。

2　超緩凝復合外加劑配方的試驗設計

超緩凝復合外加劑緩凝時間的長短主要決定于緩凝組分的種類及比例，各緩凝成分對混凝土的作用不僅僅是調節(jié)凝結時間，對其它性能影響也較大，比如減水率、強度比、和易性等，而減水率的大小主要取決于母料的品種和所占有的比例。因此，原料品種與復合比例是本次研究的主要對象。

2. 1　超緩凝復合外加劑主要原料的確定

目前常用的高效減水劑有奈磺酸甲醛縮合物、氨基磺酸鹽、磺化三聚氰胺等系列，后兩類高效減水劑雖然性能好，但價格高，使用上受到限制。奈磺酸甲醛縮合物對某些水泥的適應性能不好，通過復合其它成分、改善性能可以克服這一缺陷，因此奈系減水劑及其復合產(chǎn)品仍是當前外加劑應用的主要品種。國內外復合外加劑的母料一般也多采用萘系高效減水劑，其摻量一般為0.5%～1.0%，減水率大都在20%左右。

試驗中以奈系高效減水劑為母料，根據(jù)廠家的實力和質量保證狀況選擇不同的品種進行性能試驗對比，選出一種奈系高效減水劑作為復合外加劑的母料，其減水率必須達到20%以上，然后通過復合緩凝組分對其它性能進行改善。如果出現(xiàn)減水劑對水泥不適應的情況，可以通過與其它系列高效減水劑復合的方法進行調整。試驗全過程采用藺河口水電站碾壓混凝土施工所用中熱525^#硅酸鹽水泥。

緩凝劑可分為有機和無機兩大類。有機緩凝劑包括：木質素磺酸鹽、羥基羧酸及其鹽、多元醇及其衍生物、糖類及碳水化合物。有機緩凝劑主要是使C₃A水化減慢，木質素磺酸鹽除能使C₄A F水化延緩，還有一定的引氣作用，對改善混凝土的和易性有利，還對高摻粉煤灰碾壓混凝土的抗凍性能、耐久性能有所改善。各種羥基羧酸及其鹽，如酒石酸、檸檬酸、蘋果酸、水楊酸、葡萄糖酸及它們的鹽是常用的緩凝劑，其中以葡萄糖酸鹽的效果最佳。木質素磺酸鹽是生產(chǎn)混凝土減水劑十分通用的原料，價格低廉，性能好，使用范圍廣。羥基羧酸及其鹽價格較高，但調凝效果好， 適應性能好，使用量也持續(xù)增長。

無機緩凝劑包括：硼砂，氧化鋅，碳酸鋅，鐵、銅和鋅、鐵、銅的硫酸鹽，磷酸鹽和偏磷酸鹽等， 由于緩凝作用不穩(wěn)定，因此不常使用。各種磷酸鹽緩凝劑近年來研究的較多，有資料表明，正磷酸(H₃PO₄)的緩凝作用不大，而各種磷酸鹽的緩凝作用卻較強，二聚磷酸、三聚磷酸鹽以及多磷酸鹽都能大大延緩凝結時間，其中最強的緩凝劑是中性的焦磷酸鈉。試驗選用木鈣作為緩凝組分，并根據(jù)混凝土的不同性能要求以及試驗情況，復合其它緩凝組分進行調整。

2. 2　母料選擇試驗

選擇不同廠家生產(chǎn)的11種奈系高效減水劑，其品質指標與水泥凈漿流動度試驗數(shù)據(jù)見表1。

從表1中可以看出，水泥凈漿流動度越大，其所對應的位置就越靠上，說明該高效減水劑對水泥的分散性越好。所測試的11種減水劑的水泥凈漿流動度都在210mm以上，減水率基本能達到20%。結合廠家的規(guī)模、實力和質量保證情況，優(yōu)先選用1^#高效減水劑進行各項性能的試驗研究。該減水劑凈漿流動度在所選擇的11種減水劑中處于較低的水平，有利于配方調整。

2. 3　緩凝劑品種選擇試驗

碾壓混凝土要求外加劑的緩凝時間較長，單一的緩凝組分緩凝時間有限，因此先用木鈣進行試驗，然后根據(jù)試驗結果確定是否需要復合其它的緩凝組分。綜合考慮市場供應情況、價格、性能等因素，選擇2～3種緩凝組分進行備用。

用三聚磷酸鈉、蔗糖、焦磷酸鈉、葡萄糖酸鈉進行凈漿凝結時間試驗。不同摻量時三聚磷酸鈉凝結時間為6～8h，蔗糖6～10h，焦磷酸鈉10～19h，葡萄糖酸鈉8h左右。試驗數(shù)據(jù)表明，摻焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉、蔗糖的水泥凈漿凝結時間比不摻均有不同程度的延長(不摻為3h50min)。蔗糖價格低，但是其凈漿泌水較多，摻量高時急凝;葡萄糖酸鈉有少量泌水，凝結時間尚可，但是價格較高。綜合各方面因素，選用焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉作為緩凝調整組分。

2. 4　混凝土性能試驗

在碾壓混凝土配合比設計中，V_c值、凝結時間是衡量和選擇外加劑的常用指標。試驗中也以V_c值、凝結時間作為進行外加劑比選的主要參數(shù)。

用1^#高效減水劑與木鈣按照不同比例復合，配制超緩凝復合外加劑樣品LN₁、LN₂、LN₃、LN₄、LN₅、LN₆進行碾壓混凝土凝結時間、V_c值試驗，試驗數(shù)據(jù)見表2、表3。試驗采用西北勘測設計研究院藺河口水電站工程設計的配合比以及原材料，同時選用了其它廠家的緩凝高效減水劑JX₁、JX₂、JX₃、JX₄、JX₅進行對比。根據(jù)《水工碾壓混凝土試驗規(guī)程》(SL48-94)分析凝結時間試驗成果時，有4個樣品沒有拐點，不能具體判定初、終凝時間。從測試成果分析，這幾種外加劑在所測試的時間范圍內沒有凝結的傾向，凝結時間要比其它幾種長。從表2可以看出，除編號JX₂、JX₃混凝土拌合物凝結時間較長以外，其余編號混凝土拌合物不同溫度下初凝時間都在20～30h之間。

從整體上來說，各樣品V_c值隨時間的延長逐漸變大，但變化規(guī)律不完全一樣。以2hV_c值變化的數(shù)值來分析，編號LN₂混凝土拌合物V_c值變化最小，編號LN₅混凝土拌合物次之，其后依次為編號JX₄、JX₃、JX₂混凝土拌合物，說明LN₂外加劑摻入后混凝土保塑性最好，其次為編號LN₅混凝土拌合物，摻JX₂混凝土拌合物保塑性較差。

綜合以上數(shù)據(jù)，摻編號LN₂外加劑混凝土拌合物20℃、30℃時初凝時間都在18h以上，能夠滿足設計和施工要求。從凝結時間來判斷，編號LN₂外加劑比較合適，從拌和物的V_c值考慮，摻LN₂外加劑后效果最好。

在摻LN₂外加劑的基礎上，用焦磷酸鈉、葡萄糖酸鈉、三聚磷酸鈉替代部分木鈣，進行碾壓混凝土性能試驗，實測V_c值在2.2～5.9s之間;復合不同比例焦磷酸鈉，混凝土初凝時間可達26～42 h;復合不同比例三聚磷酸鈉，混凝土初凝時間可達20～28h;復合不同比例葡萄糖酸鈉，混凝土初凝時間可達24～33h。結果表明，所選擇的幾種緩凝組分與高效減水劑按照不同比例復合后，凝結時間可調節(jié)范圍寬，而且V_c值較小，對施工有利，可以確定焦磷酸鈉、葡萄糖酸鈉、三聚磷酸鈉都可以用來作為LN₂配方的緩凝調整組分。

用不同品質指標的高效減水劑2^#、3^#、4^#、5^#、11^#分別代替LN₂配方中的1^#高效減水劑進行拌和物性能試驗，試驗數(shù)據(jù)見表4。

分析表4，幾種高效減水劑摻入后混凝土各時間V_c值都比1^#高效減水劑小(除5^#高效減水劑1h以外)，而且基本在10s以內，能夠滿足設計和施工要求。以混凝土拌合物V_c值判斷，其它幾種減水劑都可以代替1^#高效減水劑配制LN2超緩凝復合外加劑。

碾壓混凝土外加劑的凝結時間是衡量其能否應用于工程施工的重要依據(jù)之一。根據(jù)表4成果，繪制出減水劑品種與凝結時間關系圖，見圖1。從圖1可以看出，除摻4^#高效減水劑混凝土終凝時間較長以外，摻其它品種減水劑混凝土初、終凝時間曲線基本在一個區(qū)域，說明摻LN₂后混凝土凝結時間受外加劑母料品種的影響較小。從凝結時間數(shù)據(jù)判斷，其它幾種減水劑都可以代替1^#高效減水劑配制LN₂超緩凝復合外加劑。

2. 5　復合外加劑配方確定

試驗結果表明，不同品質指標的萘系高效減水劑都可以與木鈣復合配制LN₂超緩凝復合外加劑。在變更母料生產(chǎn)廠家和型號時，即使原料品質指標有一定的差異，采用LN₂配方配制的超緩凝復合外加劑性能仍能滿足設計要求，說明配方具有可調整性，有利于實際應用。以木鈣為緩凝劑、1^#奈系高效減水劑為母料配制的LN2超緩凝復合外加劑，摻入后混凝土拌合物各項指標均能滿足碾壓混凝土的設計和施工要求。配方可調整范圍大:可以調整到LN₁、LN₆的配方使凝結時間縮短， 也可以調整到LN₃、LN₄配方使凝結時間延長，并且與其它緩凝組分相容性好?？梢源_定LN₂配方為RCC超緩凝復合外加劑的最終配方。

按照《混凝土外加劑》(GB8076-1997)進行檢測， 編號LN₂超緩凝復合外加劑摻量為0.75%時，減水率達到21%，其余各項性能指標都滿足緩凝高效減水劑的指標要求。經(jīng)試驗證實，在藺河口水電站配合比設計和現(xiàn)場使用過程中，當LN₂摻量為0.75%時，混凝土的V_c值、凝結時間、熱學、力學性能、耐久性等各項指標都能滿足設計和施工要求。

3　結　論

(1) 奈系高效減水劑與木鈣按照LN₂配方配制的RCC超緩凝復合外加劑，其碾壓混凝土拌和物的初凝時間在18h以上，各項性能指標均滿足設計和施工要求，與相同等級的不摻外加劑的混凝土性能相比，由于其混凝土拌合物的凝結時間可隨混凝土的攤鋪情況進行調整，更適用于大體積工程施工。

(2) 焦磷酸鈉、葡萄糖酸鈉、三聚磷酸鈉都可作為緩凝組分用于配制RCC超緩凝復合外加劑。

(3) 溫度變化時RCC超緩凝復合外加劑的緩凝效果比較穩(wěn)定，可調整范圍寬，可以滿足各種氣候條件。