RCC 超緩凝復(fù)合外加劑的試驗(yàn)研究

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土； Vc值； 凝結(jié)時(shí)間； 緩凝劑；減水劑；復(fù)合外加劑

1　前　言

碾壓混凝土(RCC)起源于20世紀(jì)30年代的干貧混凝土。30年來，這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過美國(guó)、日本、中國(guó)等十多個(gè)國(guó)家壩工界和混凝土界廣大技術(shù)人員的試驗(yàn)研究，碾壓混凝土筑壩技術(shù)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(shè)周期短、溫控費(fèi)用低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。

不論是已建的、在建的還是正處于設(shè)計(jì)中的碾壓混凝土壩，中國(guó)是世界上碾壓混凝土壩最多的國(guó)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(diǎn)?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)上也采用低水泥、高摻粉煤灰的手段。因此設(shè)計(jì)對(duì)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(jià)格的要求，既要符合高效減水劑的性能指標(biāo)，又要具有強(qiáng)緩凝的特點(diǎn)。我國(guó)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(fù)合外加劑以改善混凝土性能。而復(fù)合外加劑的研究， 主要依據(jù)其所應(yīng)用的范圍、性能要求，結(jié)合水泥品種，選擇一種或多種原料進(jìn)行復(fù)合，然后根據(jù)水泥凈漿、砂漿或混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果確定配方是否可行。考慮各組分的交互作用，為減少試驗(yàn)工作量也可采取正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，找出最佳的組分以及復(fù)合比例。本次試驗(yàn)采用高效減水劑與緩凝劑復(fù)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(jié)時(shí)間的作用，同時(shí)對(duì)減水率有所改善。

藺河口水電站位于陜西省嵐皋縣境內(nèi)，屬于亞熱帶大陸性氣候區(qū)，多年平均氣溫15℃。設(shè)計(jì)上要求外加劑減水率達(dá)到20%以上，摻外加劑混凝土V_c值為5～10s，初凝時(shí)間為18h以上。試驗(yàn)中結(jié)合藺河口水電站的施工條件，選擇標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃及試驗(yàn)環(huán)境最高溫度30℃兩個(gè)溫度條件進(jìn)行試驗(yàn)，找出合適的復(fù)合材料及比例，對(duì)外加劑性能進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，研究出適合碾壓混凝土使用的超緩凝復(fù)合外加劑。

2　超緩凝復(fù)合外加劑配方的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

超緩凝復(fù)合外加劑緩凝時(shí)間的長(zhǎng)短主要決定于緩凝組分的種類及比例，各緩凝成分對(duì)混凝土的作用不僅僅是調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，對(duì)其它性能影響也較大，比如減水率、強(qiáng)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(fù)合比例是本次研究的主要對(duì)象。

2. 1　超緩凝復(fù)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(jià)格高，使用上受到限制。奈磺酸甲醛縮合物對(duì)某些水泥的適應(yīng)性能不好，通過復(fù)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(fù)合產(chǎn)品仍是當(dāng)前外加劑應(yīng)用的主要品種。國(guó)內(nèi)外復(fù)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(yàn)中以奈系高效減水劑為母料，根據(jù)廠家的實(shí)力和質(zhì)量保證狀況選擇不同的品種進(jìn)行性能試驗(yàn)對(duì)比，選出一種奈系高效減水劑作為復(fù)合外加劑的母料，其減水率必須達(dá)到20%以上，然后通過復(fù)合緩凝組分對(duì)其它性能進(jìn)行改善。如果出現(xiàn)減水劑對(duì)水泥不適應(yīng)的情況，可以通過與其它系列高效減水劑復(fù)合的方法進(jìn)行調(diào)整。試驗(yàn)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(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)緩凝劑包括：木質(zhì)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(jī)緩凝劑主要是使C₃A水化減慢，木質(zhì)素磺酸鹽除能使C₄A F水化延緩，還有一定的引氣作用，對(duì)改善混凝土的和易性有利，還對(duì)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(zhì)素磺酸鹽是生產(chǎn)混凝土減水劑十分通用的原料，價(jià)格低廉，性能好，使用范圍廣。羥基羧酸及其鹽價(jià)格較高，但調(diào)凝效果好， 適應(yīng)性能好，使用量也持續(xù)增長(zhǎng)。

無機(jī)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(qiáng)，二聚磷酸、三聚磷酸鹽以及多磷酸鹽都能大大延緩凝結(jié)時(shí)間，其中最強(qiáng)的緩凝劑是中性的焦磷酸鈉。試驗(yàn)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(yàn)情況，復(fù)合其它緩凝組分進(jìn)行調(diào)整。

2. 2　母料選擇試驗(yàn)

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

從表1中可以看出，水泥凈漿流動(dòng)度越大，其所對(duì)應(yīng)的位置就越靠上，說明該高效減水劑對(duì)水泥的分散性越好。所測(cè)試的11種減水劑的水泥凈漿流動(dòng)度都在210mm以上，減水率基本能達(dá)到20%。結(jié)合廠家的規(guī)模、實(shí)力和質(zhì)量保證情況，優(yōu)先選用1^#高效減水劑進(jìn)行各項(xiàng)性能的試驗(yàn)研究。該減水劑凈漿流動(dòng)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(diào)整。

2. 3　緩凝劑品種選擇試驗(yàn)

碾壓混凝土要求外加劑的緩凝時(shí)間較長(zhǎng)，單一的緩凝組分緩凝時(shí)間有限，因此先用木鈣進(jìn)行試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定是否需要復(fù)合其它的緩凝組分。綜合考慮市場(chǎng)供應(yīng)情況、價(jià)格、性能等因素，選擇2～3種緩凝組分進(jìn)行備用。

用三聚磷酸鈉、蔗糖、焦磷酸鈉、葡萄糖酸鈉進(jìn)行凈漿凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)。不同摻量時(shí)三聚磷酸鈉凝結(jié)時(shí)間為6～8h，蔗糖6～10h，焦磷酸鈉10～19h，葡萄糖酸鈉8h左右。試驗(yàn)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(jié)時(shí)間比不摻均有不同程度的延長(zhǎng)(不摻為3h50min)。蔗糖價(jià)格低，但是其凈漿泌水較多，摻量高時(shí)急凝;葡萄糖酸鈉有少量泌水，凝結(jié)時(shí)間尚可，但是價(jià)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(diào)整組分。

2. 4　混凝土性能試驗(yàn)

在碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)中，V_c值、凝結(jié)時(shí)間是衡量和選擇外加劑的常用指標(biāo)。試驗(yàn)中也以V_c值、凝結(jié)時(shí)間作為進(jìn)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(fù)合，配制超緩凝復(fù)合外加劑樣品LN₁、LN₂、LN₃、LN₄、LN₅、LN₆進(jìn)行碾壓混凝土凝結(jié)時(shí)間、V_c值試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2、表3。試驗(yàn)采用西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院藺河口水電站工程設(shè)計(jì)的配合比以及原材料，同時(shí)選用了其它廠家的緩凝高效減水劑JX₁、JX₂、JX₃、JX₄、JX₅進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL48-94)分析凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)成果時(shí)，有4個(gè)樣品沒有拐點(diǎn)，不能具體判定初、終凝時(shí)間。從測(cè)試成果分析，這幾種外加劑在所測(cè)試的時(shí)間范圍內(nèi)沒有凝結(jié)的傾向，凝結(jié)時(shí)間要比其它幾種長(zhǎng)。從表2可以看出，除編號(hào)JX₂、JX₃混凝土拌合物凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)以外，其余編號(hào)混凝土拌合物不同溫度下初凝時(shí)間都在20～30h之間。

從整體上來說，各樣品V_c值隨時(shí)間的延長(zhǎng)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(hào)LN₂混凝土拌合物V_c值變化最小，編號(hào)LN₅混凝土拌合物次之，其后依次為編號(hào)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(hào)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(hào)LN₂外加劑混凝土拌合物20℃、30℃時(shí)初凝時(shí)間都在18h以上，能夠滿足設(shè)計(jì)和施工要求。從凝結(jié)時(shí)間來判斷，編號(hào)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(chǔ)上，用焦磷酸鈉、葡萄糖酸鈉、三聚磷酸鈉替代部分木鈣，進(jìn)行碾壓混凝土性能試驗(yàn)，實(shí)測(cè)V_c值在2.2～5.9s之間;復(fù)合不同比例焦磷酸鈉，混凝土初凝時(shí)間可達(dá)26～42 h;復(fù)合不同比例三聚磷酸鈉，混凝土初凝時(shí)間可達(dá)20～28h;復(fù)合不同比例葡萄糖酸鈉，混凝土初凝時(shí)間可達(dá)24～33h。結(jié)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(fù)合后，凝結(jié)時(shí)間可調(diào)節(jié)范圍寬，而且V_c值較小，對(duì)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(diào)整組分。

用不同品質(zhì)指標(biāo)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(jìn)行拌和物性能試驗(yàn)，試驗(yàn)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(shí)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(nèi)，能夠滿足設(shè)計(jì)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(fù)合外加劑。

碾壓混凝土外加劑的凝結(jié)時(shí)間是衡量其能否應(yīng)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(jié)時(shí)間關(guān)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(shí)間較長(zhǎng)以外，摻其它品種減水劑混凝土初、終凝時(shí)間曲線基本在一個(gè)區(qū)域，說明摻LN₂后混凝土凝結(jié)時(shí)間受外加劑母料品種的影響較小。從凝結(jié)時(shí)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(fù)合外加劑。

2. 5　復(fù)合外加劑配方確定

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同品質(zhì)指標(biāo)的萘系高效減水劑都可以與木鈣復(fù)合配制LN₂超緩凝復(fù)合外加劑。在變更母料生產(chǎn)廠家和型號(hào)時(shí)，即使原料品質(zhì)指標(biāo)有一定的差異，采用LN₂配方配制的超緩凝復(fù)合外加劑性能仍能滿足設(shè)計(jì)要求，說明配方具有可調(diào)整性，有利于實(shí)際應(yīng)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(fù)合外加劑，摻入后混凝土拌合物各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足碾壓混凝土的設(shè)計(jì)和施工要求。配方可調(diào)整范圍大:可以調(diào)整到LN₁、LN₆的配方使凝結(jié)時(shí)間縮短， 也可以調(diào)整到LN₃、LN₄配方使凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，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(fù)合外加劑的最終配方。

按照《混凝土外加劑》(GB8076-1997)進(jìn)行檢測(cè)， 編號(hào)LN₂超緩凝復(fù)合外加劑摻量為0.75%時(shí)，減水率達(dá)到21%，其余各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿足緩凝高效減水劑的指標(biāo)要求。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，在藺河口水電站配合比設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)使用過程中，當(dāng)LN₂摻量為0.75%時(shí)，混凝土的V_c值、凝結(jié)時(shí)間、熱學(xué)、力學(xué)性能、耐久性等各項(xiàng)指標(biāo)都能滿足設(shè)計(jì)和施工要求。

3　結(jié)　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(fù)合外加劑，其碾壓混凝土拌和物的初凝時(shí)間在18h以上，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和施工要求，與相同等級(jí)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(jié)時(shí)間可隨混凝土的攤鋪情況進(jìn)行調(diào)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(fù)合外加劑。

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