混凝土缓凝与保坍复合技术浅析

李瑞青

（中铁五局集团第四工程有限责任公司，广东韶关 512031）

0 引言

混凝土是现代建设工程的主要材料，我国每年浇筑的混凝土方量达数10 亿m3，如此大的生产量使得混凝土集中拌制成为其主要生产方式，称之为预拌混凝土。预拌混凝土在集中拌制后的运输及浇筑过程需要一段时间，这一时间通常在1h 以上甚至更久，这段时间混凝土拌合物工作性的变化将会对混凝土浇筑的功效和质量带来严重影响。如果混凝土工作性保持时间不足，现场施工浇筑工作难以为继，会造成施工中断，严重影响施工效率，也会造成现场加水、施工冷缝、不密实等劣化混凝土质量的情况。混凝土工作性保持时间成为影响混凝土结构质量的重要因素。

为了解决这一问题，将缓凝剂和保坍型减水剂做为混凝土外加剂使用已经是常态。缓凝和保坍技术很大程度上解决了混凝土的工作性保持问题。但是，混凝土是十分复杂的，不同品质的水泥、骨料和矿物掺合料均会对工作性产生重大影响，而外加剂不是万能药，不能准确解决不同品质原材料所带来的问题，再加上缓凝剂和保坍型减水剂的作用机理十分复杂，一般的技术人员难以熟练掌握，这就造成在运用缓凝和保坍技术的过程中总是出现这样那样的问题。例如，混凝土工作性后释放会造成严重离析泌水、长时间不凝固等问题。因此，在推广应用缓凝和保坍技术的同时，仍需对其开展进一步的研究，对其效果需要了解更多。

1 缓凝与保坍技术浅析

1.1 缓凝剂简析

为方便后续论述，在介绍缓凝剂之前，简要介绍一下混凝土工作性损失。混凝土工作性损失本质上就是水泥的水化反应，水泥的水化反应从水泥与水接触时就已经开始。水化反应不仅本身消耗了水，也会使水泥颗粒结网，锁住部分自由水，使混凝土中的自由水减少，不足以在混凝土中的颗粒间起到润滑作用，从而使工作性损失。以这一因素为出发点，本文研究在混凝土中使用缓凝剂，希望通过减缓水泥水化反应来减少混凝土中水的消耗，从而减少混凝土工作性损失[1]。在高性能减水剂普遍应用的今天，混凝土的单方用水量普遍低于180kg，然而，混凝土中没有足够的水分，即使使用了大剂量缓凝剂，使得混凝土可以很长时间不硬化，混凝土工作性损失仍然得不到改善。表1 为常用蔗糖和葡萄糖酸钠试验结果。

表1 白糖与葡萄糖酸钠对混凝土工作性和凝结时间影响

1.2 保坍型减水剂浅析

减水剂通过放大水的作用来提高混凝土流动性，从而大幅度降低混凝土用水量。其基本原理是减水剂可以破坏水泥絮状结构，释放出大量自由水，这个过程称之为“解絮”。但减水剂解絮的时间很短，一旦解絮过程所释放的水被水泥水化消耗，混凝土的工作性便会损失。若使混凝土工作性得到保持，则解絮的过程在一段时间内是持续的，因此通常有两种使用减水剂的做法来延长混凝土的可工作性时间。本文以最常用的聚羧酸减水剂为例加以说明，具体如下。

1.2.1 后加入一定量的普通聚羧酸减水剂

减水剂在掺入混凝土之后会立即发挥作用，使混凝土流动性放大。但随着水泥水化混凝土中的自由水被消耗，减水剂的数量已不足以使混凝土达到可供施工的流动性。由于在拌制混凝土时加入过量的减水剂会引起严重的离析、泌水，所以在拌制时不能加入过量的减水剂。施工时通常的做法是混凝土运输至现场之后，坍落度已明显损失时，再加一定量的减水剂来解决此混凝土工作性不能满足要求的问题。根据运输时间和浇筑时间的限制，通常需要二次甚至三次添加减水剂。但是这一做法要求现场的技术人员有丰富的经验，稍不注意会过量加入减水剂，造成混凝土严重离析、泌水或浮浆，给施工造成严重的质量缺陷，或废弃混凝土，造成严重浪费。所以，后加入普通聚羧酸减水剂的做法不能解决根本问题。

1.2.2 使用保坍型聚羧酸减水剂

由于在现场后加减水剂的量无法预先通过试验确定，因此不能切实解决混凝土工作性保持时间不足的问题，缓释型聚羧酸减水剂应运而生。分子链经过特殊处理的聚羧酸减水剂，可以在混凝土的碱性环境下分解出普通减水剂，即所谓的“保坍型减水剂”或“保坍剂”。这种类型的减水剂在刚加入混凝土中不会立即起放大水的作用，经过一个化学反应过程，缓慢地释放出普通聚羧酸减水剂，正好在关键时刻补充普通聚羧酸减水剂。在配制混凝土时需要加入的缓释型聚羧酸减水剂的剂量可以通过试验确定，成功解决了二次或三次添加减水剂的问题。但是，缓释型聚羧酸减水剂的释放速度受温度影响较大，温度高时和温度低时的释放速度大不相同。缓释型减水剂在不同温度下的释放速度如图1 所示。

图1 缓释型减水剂在不同温度下的释放速度

除此之外，混凝土失去流动性的时间不仅受温度的影响，还受水泥品种、水胶比、粉煤灰等矿物外掺料的品种和掺量等众多因素的影响，这两个速度并不能完美匹配，给缓释型减水剂的作用带来的极大的不确定性，难以达到保持混凝土工作性的目的。主要表现在如下两个方面。

（1）当夏季温度较高的时段，水泥水化速度较快，缓释型减水剂不能缓慢均匀释放，而是提前释放，会导致混凝土拌合物在拌制完成后较短的时间内离析。由于已经提前释放，也使混凝土拌合物工作性不能保持足够长的时间。

（2）在冬季温度较低的情况下，水泥水化速度较慢，缓释型减水剂早期不能发挥作用，会在后期集中释放，同样会使混凝土出现离析、泌水的情况，在混凝土施工中技术人员称这种情况为“后释放”。针对这些问题，技术人员根据季节的不同，通过试验调整缓释型减水剂掺入比例，以缓解不同季节对混凝土质量的影响，但是这仍然不能从根本上解决问题。由于北方地区昼夜温差较大，同样配方的混凝土，白天能够正常施工，晚上就要离析、泌水，混凝土生产时非常难以控制，给施工现场带来了极大困扰。因此，要解决混凝土工作性保持的问题，不能只补充聚羧酸减水剂的数量。

1.3 综合保坍技术和缓凝技术的必要性

基于上述分析，单独使用缓凝剂或者保坍型减水剂来解决混凝土工作性损失的问题都存在很大的局限性。众所周知，混凝土工作性能损失是因为水泥水化消耗了水，如果缓凝剂和保坍型减水剂复合使用，既可以通过缓凝剂减缓水泥水化降低水的消耗，又可以通过保坍型减水剂来保持混凝土的流动性。因此考虑综合保坍技术和缓凝技术的复合使用。但是由于混凝土缓凝剂的种类繁多，效果各不相同。如何合理复合使用这些缓凝剂形成新的缓凝技术并利用它延缓水泥水化，保证水泥水化速度与缓释型聚羧酸减水剂的释放速度匹配，需要进行深入研究。事实上，大多数的外加剂供应商对缓凝剂的使用持谨慎态度，尽量不用或少用缓凝剂，因为缓凝剂的副作用会带来麻烦，这也导致在实际工程中，缓凝技术并没有发挥应有的作用。

故从混凝土技术出发，整合各类技术，尤其是减水剂技术和缓凝技术，重新组合或者拓展，取长补短，利用每一种材料的优点，来克服其他材料的缺点，使缓释型减水剂的作用能够稳定发挥，最终使得混凝土能够满足工程目标，这也是混凝土工程技术的最终目标。

2 试验及结果分析

2.1 试验方案简述

缓凝剂选用3 种不同类型分别是糖类、无机酸类、有机酸类。糖类选用常见的蔗糖和葡萄糖酸钠，无机酸类选用六偏磷酸钠和磷酸二氢钠，有机酸选用柠檬酸钠和酒石酸；减水剂选用普通型聚羧酸减水剂和保坍型聚羧酸减水剂复合使用，复合比例由试验确定；混凝土配合比按照C35 泵送试验，水泥为42.5 普通硅酸盐水泥，粉煤灰为F 类Ⅱ级，河砂、5-31.5 碎石。

使用单一品种缓凝剂试验，测试缓凝剂掺量对混凝土工作性和凝结时间的影响，以混凝土流动性代表混凝土工作性的变化，用贯入法测试混凝土凝结时间，以此来判断单一缓凝剂对混凝土作用的强弱及用量限制。

根据单变量试验结果，经过多种缓凝剂混合使用，同时调整普通减水剂和保坍型减水剂比例，得出对混凝土凝结时间影响小，工作性保持时间久的方案组合。

2.2 试验结果分析

2.2.1 单变量试验结果分析

葡萄糖酸钠和蔗糖是混凝土最常用的两种缓凝剂，从表2 的试验结果可知，随着缓凝剂掺量增加对延长混凝土工作性有一定帮助，但是其副作用也相当明显：葡萄糖酸钠和蔗糖对混凝土的凝结时间影响太大，葡萄糖酸钠掺量在0.03%时，其初、终凝时间还勉强被工地接受，但掺量到达0.06%以后，其终凝时间达25h，除了极特殊的工程之外是完全不能被接受的，用量达到0.12%时，混凝土甚至出现假凝，快速失去流动性；蔗糖对混凝土的凝结时间影响更大一些，掺量达到0.04%，其终凝时间已经超过20h，这是不能被工程所接受的，掺量达到0.2%时同样出现假凝。

表2 葡萄糖酸钠与蔗糖对混凝土流动性和凝结时间影响

正是由于糖类缓凝剂缓凝效果好，用量少，使其成为最为常用的缓凝剂，也正因为如此很多供应商只知道有这两种缓凝剂，对其他种类的缓凝剂（如无机酸、有机酸）知之甚少。由于蔗糖和葡萄糖酸钠缓凝时间过长，大多数的外加剂供应商使用时非常谨慎，担心混凝土凝结时间过久。

六偏磷酸钠和磷酸二氢钠属于无机酸类缓凝剂，其缓凝效果不如糖类，因此已经很少使用，表3 的试验结果对此进行验证，其对凝结时间的影响较小，六偏磷酸钠掺量为0.04%时初凝时间为1.35h，终凝时间为17h，可以被接受，磷酸二氢钠对凝结时间影响更小，掺量为0.09%时初凝时间仅14.7h。除此之外，还发现了六偏磷酸钠和磷酸二氢钠的其他特点：对混凝土的凝结时间影响较小，但是在前期延缓水化的作用强烈，低掺量时就可使混凝土出现流动性放大甚至离析、泌水现象。这似乎对延长混凝土工作性保持时间有利。

表3 六偏磷酸钠与磷酸二氢钠对混凝土流动性和凝结时间影响

从表4 的试验结果可以看出，酒石酸和柠檬酸钠对凝结时间的影响小于糖类和无机酸类缓凝剂，但酒石酸和柠檬酸钠的前期作用比无机酸类更明显，酒石酸掺量0.02%混凝土已经开始泌水，柠檬酸为0.03%时出现泌水，也就是说前期的作用更强，持续时间更短。

表4 酒石酸、柠檬酸钠对混凝土流动性和凝结时间影响

综上所述，糖类缓凝剂的特点是持续时间长，对混凝土凝结时间延长较多，甚至可以使混凝土10d 不凝固，所以用量必须加以控制；而无机酸和有机酸类缓凝剂的特点是前期能够明显抑制水泥水化，但持续时间短，对混凝土凝结时间影响较小。综合糖类缓凝剂和无机酸和有机酸类缓凝剂的特点考虑，复合使用会既有助于增强混凝土前期缓凝效果，又能够合理控制混凝土的凝结时间。

2.2.2 复合试验结果分析

根据上述的普通聚羧酸减水剂和保坍型聚羧酸减水剂的作用机理，以及试验得出缓凝剂的特点，尝试将多种缓凝剂和减水剂复合使用，配制出复合型外加剂。技术思路是无机酸、有机酸缓凝剂与糖类缓凝剂复合使用，这样减少了糖类缓凝剂的用量，使混凝土的凝结时间得到控制，无机酸和有机酸缓凝剂的用量同样降低，避免早期强烈的缓凝作用导致混凝土离析泌水；再结合普通聚羧酸减水剂和保坍型聚羧酸减水剂，与复合缓凝剂混合使用，克服混凝土前期水化反应对混凝土工作性的影响[2]。现将试验中4 种成功的组合试验结果加以说明，如表5 所示。

根据表6 的试验结果，不同种类的缓凝剂和聚羧酸减水剂复合使用明显延长了混凝土流动性保持时间，混凝土工作性保持时间可维持2.5～4.5h，对凝结时间的影响也是在工程可接受的范围，初凝时间未超出14h，终凝时间未超出17h。这种复合方式避免了单一种类缓凝剂造成混凝土凝结时间过长或混凝土前期离析泌水的情况，这是因为这种组合方式使单一品种的缓凝剂用量受到了限制，副作用表现不出来，同时在各阶段作用的强弱使其在前期仍然能够抑制水泥水化反应，为混凝土提供了更多的自由水，有利于减水剂发挥作用，使混凝土的可工作时间延长[3]。

表6 复合型外加剂混凝土性能试验结果

3 结论

使用多种缓凝剂组合的复合缓凝技术，使单一品种缓凝剂的用量受到了限制，这减缓了他们对混凝土的副作用，弥补了糖类缓凝剂在前期作用不强、无机酸和有机酸早期缓凝效果过强的缺点。使缓凝剂在前期能够抑制水泥水化，有助于使用保坍型减水剂延长混凝土工作性保持时间，同时对混凝土凝结、硬化的时间影响较小，不使混凝土凝结时间太久而影响工程进度。

多种缓凝剂与减水剂复合使用的技术，为解决混凝土工作行保持问题提供了新的技术方向，当然单一的试验不能解决所有问题，但这一技术思路对促进混凝土工程技术进步将大有帮助。