混凝土外加剂在水利工程中的实际应用

□张会敏

混凝土外加剂是混凝土中除胶凝材料、骨料、水和纤维组分以外，在混凝土搅拌前或拌制过程中加入的，用以改善新拌混凝土和（或）硬化混凝土性能，对人、生物及环境安全无有害影响的材料。水利工程混凝土依据不同结构特点、施工工艺、施工环境、施工性能选择外加剂，同时外加剂需采用不同类型、不同功能的品种综合作用，来满足水利工程混凝土的各种要求。

1.混凝土外加剂在大体积混凝土中的应用

1.1 外加剂选择

相关实验表明，混凝土内部最高温度大多数发生在混凝土浇筑后的第3—5 天，此时混凝土的强度和弹性模量都很低，对水泥水化热引起的急剧温升约束不大，相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期增长、弹性模量增高，对混凝土内部降温收缩的约束力也就越来越大，因此产生较大拉应力。当混凝土极限抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。因此，在大体积混凝土施工过程中，如何延缓混凝土绝热峰值的出现时间、降低水泥水化热绝热峰值、提高混凝土本身抵抗能力以及有利于混凝土的泵送，就成为水利工程大体积混凝土施工中考虑的主要问题，而要解决这些问题必须合理选用混凝土外加剂。

1.1.1 减水剂

减水剂可以降低胶凝材料用量，特别是水泥的用量，还可以降低用水量，在施工前期可以降低水泥的水化热、降低混凝土内部热峰值，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缩开裂，增加混凝土的密实性和抗渗性。另外，大部分减水剂自身还存在一定的缓凝作用，如在常温下掺用DH3G 高效减水剂（掺量0.6%），混凝土初凝时间可延长0.5h—2h，同时可使混凝土的内部温升有所降低并延缓温峰的出现。

1.1.2 缓凝剂

缓凝剂可以拉长水泥水化的时间，使混凝土的凝结时间延缓，在水化热不变的情况下，减缓了放热速度和降低了放热峰值。放热速度的减缓和放热峰值的降低有利于控制混凝土内外温差，增强混凝土抗开裂能力。在实际应用中，在大体积混凝土中单纯采用缓凝剂已经比较少见，一般多采用缓凝减水剂。例如DH4BG 缓凝高效减水剂减水率高、缓凝效果好、抗离析、抗泌水且泵送摩擦阻力小，便于泵送。

1.1.3 膨胀剂

掺加膨胀剂能够使混凝土在硬化过程中产生微膨胀，补偿混凝土的收缩应力，预防混凝土开裂。掺加膨胀剂的混凝土养护更加重要，只有加强湿养护，才能实现膨胀和补偿收缩、预防裂缝的目的，特别是对于水利工程大体积混凝土，表面抹压后用塑料薄膜覆盖，混凝土硬化后，宜采用蓄水养护、喷雾养护、喷洒养护剂或用湿麻袋覆盖，以保持混凝土表面潮湿，养护时间不应少于14d。

1.1.4 引气剂

对于水利工程中处于水位变动区的混凝土，抗冻融、抗渗性能是两个必须考量的耐久性指标，而优质引气剂的掺入使得混凝土满足指标要求变得更加容易。掺加引气剂的混凝土在搅拌过程中引入大量微小、封闭、分布均匀的极性气泡。优质引气剂的气泡大小均匀稳定、互不连通、良好分散、气泡间距和尺度符合标准要求。掺加引气剂的混凝土极性气泡的存在。一是可以产生”滚珠”效应起到改善混凝土和易性，增加可泵性的作用；二是极性气泡堵塞混凝土毛细孔渗流通道，提高混凝土抗渗性；三是引入的气泡起空室作用，可容纳冰冻水和迁移水，从而使水压和渗透压得以释放，防止混凝土被破坏。

综上所述，大体积混凝土掺入减水剂、缓凝剂、引气剂等，提高了混凝土的工作性能，硬化强度、密实度，拉长水泥水化热时间延缓混凝土凝结，增强了混凝土的抗裂性，提高了混凝土的抗渗性和混凝土抵抗冻融破坏的能力。

1.2 工程应用实例

三峡水利工程大坝混凝土选用ZB-1A 缓凝高效减水剂和DH9 引气剂两种外加剂。ZB-1A 兼有减水和缓凝作用，减水率高达22%以上，凝结时间差4～6h，高效减水作用降低了混凝土单方用水量和胶凝材料用量，降低了水泥水化热峰值，水分蒸发量也相应减小，合理的缓凝时间延缓了混凝土的凝结速度，降低了绝热峰值，从而有效控制大坝混凝土的温升和干燥收缩，降低混凝土热裂危险性，提高混凝土抗干缩能力。引气剂DH9 大量引入的稳定微气泡提高了混凝土拌合物的工作性，减小了混凝土的坍落度损失，提高了混凝土的抗冻融性能。三峡水利工程建设通过采用ZB-1A、DH9 配合国标Ⅰ级粉煤灰掺合料，优化混凝土配合比设计，加强混凝土生产控制等综合措施，提高了混凝土质量，降低了混凝土的生产成本，取得明显的经济效益。

2.混凝土外加剂在碾压混凝土中的应用

2.1 外加剂的选择

碾压混凝土施工中可能面临气温不稳定、表层水分蒸发快、施工仓面大、需要连续快速施工等问题，需要较好地解决混凝土摊铺层间的有效衔接，控制好混凝土凝结时间，否则会出现下层混凝土凝结时间过快上层混凝土来不及摊铺而形成冷缝，或下层凝结时间过慢影响上层混凝土摊铺从而减缓施工速度等情况。故混凝土的凝结时间应与施工进度和施工措施相同步，从而保证混凝土各浇筑层面的充分结合，满足碾压混凝土的可施工性、强度和抗冻抗渗要求。因此，需要选择各种不同的外加剂通过复配、优化外加剂组成，使其减水、缓凝、引气。混凝土凝结时间的调整可通过缓凝剂来实现，减水剂用于提高了混凝土拌合物的和易性和硬化混凝土强度，引气剂用于提高碾压混凝土的抗冻、抗渗性。在实际应用当中，单一使用某一种外加剂，无法满足现场施工要求，只有通过复合改性、合理调整外加剂组方使其达到既减水又缓凝还引气的目的。

2.2 工程应用实例

承德双峰寺水库大坝为碾压混凝土坝，历经3 年建设，每年6 月—9 月混凝土浇筑仓面气温平均23℃以上最高达40.5℃，而12 月—下年2 月平均气温在-5℃最低-29℃。为保证混凝土凝结时间与施工进度和施工措施的同步，施工单位经过大量碾压混凝土凝结时间的试验，形成有效数据，总结出外加剂各组分对混凝土凝结时间的影响规律，在混凝土生产系统上设置了两个减水剂溶液储存池，一个缓凝剂溶液储存池，一个引气剂溶液储存池，根据不同季节和施工当天温度情况确定使用相应方案配方的外加剂，通过调整减水剂与缓凝剂比例，使其既满足高温条件又满足低温条件，有效地解决了在温度湿度不稳定、仓面蒸发量大、日夜温差较大条件下碾压混凝土的凝结时间问题。

承德双峰寺水库大坝混凝土从出机口取样到现场岩心取样看，层间结合致密，整体性好，各项性能指标满足设计要求，2020 年顺利通过竣工验收。

3.混凝土外加剂在自密实混凝土中的应用

3.1 外加剂的选择

自密实混凝土是一种依靠自身重力产生流动性，填充到空隙中的特种混凝土。必须有高流动性、高抗离析性、高间隙通过性和高填充性，要实现这些性能需要外加剂与水泥有相适性、减水率、缓凝保塑能力和较高的坍落度保持能力。

高性能减水剂对水泥有广泛的适应能力，减水率高于25%，能够使混凝土有较大的流动性，缓凝剂能够满足施工对凝结时间的要求，同时提高混凝土坍落度的保持能力，增粘剂可改变混凝土的黏度保证高流态自密实混凝土既不产生泌水又防止颗粒的离析，保水剂增加混凝土的保水性，引气剂可以满足混凝土的抗冻、抗渗要求。

3.2 工程应用实例

承德平泉鸽子洞水库大坝为自密实堆石混凝土坝，堆石混凝土筑坝技术由清华大学发明，具有施工速度快、质量稳定、低水化热、低成本的特点。2018 年清华大学华石纳固公司联合河北省混凝土外加剂厂共同为鸽子洞水库提供堆石混凝土专用外加剂，由河北省混凝土外加剂厂提供高性能减水剂母液、缓凝剂，华石纳固公司提供增粘剂和引气剂。堆石自密实混凝土为满足自密实性能通常以体积配合比进行设计，经过坍落度、扩展度、倒置净空、U 型流通、早期及后期强度等一系列试验逐步确定外加剂组成成分、比例以及体积配合比参数，再经过胶材净浆、砂浆、混凝土试验及外加剂配方优化试验，确定最终自密实混凝土配合比。C9015 专用自密实混凝土配合比见表1。

表1 C9015 专用自密实混凝土配合比（kg/m3）

在随后开展的试验坝段实验结果表明：新拌自密实混凝土流态良好、无离析分离、通过性和黏聚性优良，混凝土各龄期强度增长效果好，硬化混凝土试件显微镜下观察内部结构致密均匀，坝体钻心取样显示整体性好。