外加剂在水工混凝土中的应用

外加剂也称为外掺剂或附加剂, 它是指在混凝土、砂浆和净浆的制备过程中, 掺入少量的( 不超水泥用量的5%) 能对混凝土、砂浆或净浆改变性能的一种产品。随着技术的进步, 外加剂已成为除水泥、粗细骨料、掺合料和水以外的第5 种必备材料, 硅粉等掺外加剂是混凝土配合比优化设计和提高混凝土耐久性的一项重要措施。因此新修订的《水工混凝土施工规范》( DL/T5144- 2001) 强调, 水工混凝土中必须掺加适量的外加剂。

1 常用种类

　　水工混凝土常用的外加剂种类主要有减水剂、缓凝剂、引气剂以及各种复合性的外加剂, 如缓凝减水剂或缓凝高效减水剂、早强减水剂、引气减水剂。根据特殊需要, 也掺用其它种类的外加剂, 如泵送剂、防水剂、防冻剂等等。GB8076-1997《混凝土外加剂》、DL/T5100- 1999《水工混凝土外加剂技术规程》等国家和行业标准对这些外加剂的性能指标和技术规程都有严格要求, 可根据混凝土的不同需要进行选用。

　　1) 减水剂又称塑化剂或分散剂。拌和混凝土时加入适量的减水剂, 可使水泥颗粒分散均匀, 同时将水泥颗粒包裹的水分释放出来, 从而能明显减少混凝土用水量。以往水工混凝土使用的减水剂一般是纸浆废液、木钙、糖蜜一类的普通减水剂, 减水率不高, 一般为5%～10%。随着对水工混凝土质量要求的提高, 对减水剂的质量要求也越来越高。二滩、三峡等大型水电工程大量应用的萘系高效减水剂, 减水率高达20%～30%, 主要用来配制高强度和高流态混凝土或是需大幅度减少用水量的混凝土。高效减水剂对提高水泥使用效率具有明显效果, 可节省水泥用量20%左右。三峡工程花岗岩人工骨料混凝土使用普通减水剂时, 用水量高达110 kg/m3 左右, 采用了优选的ZB- 1A 高效减水剂, 并和DH9 引气剂、Ⅰ级粉煤灰联掺后, 用水量降至85 kg/m3 左右, 达到了国内外先进水平。三峡工程还使用了减水率更高的丙烯酸类高效减水剂X404, 减水率在30%以上, 但这类减水剂的价格昂贵, 主要用在高强度混凝土部位。

　　2) 缓凝剂能延长混凝土凝结硬化时间, 是对后期强度发展无不利影响的外加剂。

　　一般缓凝剂可使混凝土的初凝时间延长1 h～4 h, 但这对高温情况下大仓面混凝土施工是不够的。为了满足高温地区和高温季节大体积混凝土施工需要, 国家“八五”科技攻关项目研究出了高温缓凝剂, 这种缓凝剂能使气温为( 35+2) ℃、相对湿度为( 60+5) %的条件下混凝土的初凝时间成为6 h～8 h。目前在三峡等工程中大量使用的缓凝高效减水剂,通过适当增加掺量, 都可使混凝土初凝时间达到6 h～8 h 以上, 满足了35℃左右高温季节大仓面混凝土施工需要。

　　3) 引气剂是一种表面活性物质, 发挥起泡、分散、湿润等表面活性作用, 它能使混凝土在搅拌过程中从大气中引入大量均匀封闭的小气泡, 使混凝土中含有一定量的空气, 是常用的外加剂之一。

　　好的引气剂能引入混凝土中的气泡达10 亿个之多, 孔径多为0.05 mm～0.2 mm, 一般为不连续的封闭球形, 分布均匀, 稳定性好, 特别是在人工骨料或天然砂颗粒较粗、级配较差以及在贫水泥混凝土中使用效果更好。引气剂的掺量一般在水泥重量的万分之0.3～2 的范围内, 由于掺量小, 因此要称量准确, 拌和均匀。另外, 影响引气量的因素很多, 如水灰比、水泥用量、砂率、集料、振捣方式、搅拌时间、坍塌度、成型温度等, 都需严格规范操作, 否则就达不到应有效果。

　　4) 复合外加剂是具有两种以上主要功能的外加剂, 如缓凝减水剂同时具有缓凝和减水功能, 引气减水剂同时具有引气和减水功能。

　　许多水电工程, 特别是三峡工程, 将两种外加剂复合使用, 如缓凝高效减水剂和引气剂复合, 同时具有高效减水、引气、缓凝作用, 取得了很好的效果, 既满足了大仓面浇筑混凝土缓凝的要求, 又达到了减水和提高耐久性的目的。

2 基本作用

2.1 改善物理力学性能

　　减水剂的掺入会使混凝土更为均匀密实, 改善一系列物理化学性能, 如抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性等, 提高了耐久性。

2.2 调节凝结、硬化时间

　　缓凝剂能延缓凝结硬化时间, 便于施工; 能使混凝土浆体水化速度减慢, 延长水化放热过程, 有利于大体积混凝土温度控制。缓凝剂会对混凝土1 d～3 d 早期强度有所降低,但对后期强度的正常发展并无影响。

2.3 提高或改善工程质量

　　许多外加剂可以提高混凝土的强度, 增加耐久性, 增强抗冻性、抗渗性, 改善干燥收缩及流变性能。掺加高效减水剂可配制泵送混凝土, 利用机械化施工, 对保证及提高工程质量有积极的作用。

2.4 增强适应环境的能力

　　在混凝土搅拌过程中引气剂能引入大量分布均匀的微小气泡, 可减少拌合物的泌水和离析, 改善和易性; 减少渗透性, 提高抗侵蚀能力, 对经常或周期性受环境水作用的水工建筑物, 增强其适应环境的能力。

2.5 节约水泥、降低成本

　　减水剂在保持混凝土配合比不变的情况下, 改善其工作性; 或在保持工作性不变的情况下减少用水量, 提高混凝土强度; 或在保持强度不变时减少水泥用量, 节约水泥, 降低成本。

2.6 满足特种技术需要

　　混凝土中掺加防冻剂, 能使混凝土在负温下硬化, 并在规定时间内达到足够防冻强度, 提高早期强度, 防止受冻破坏; 混凝土中掺加防水剂, 能降低混凝土的静水压力的透水性, 提高混凝土的密实性、防渗性。

3 注意事项

　　1) 根据工程设计、施工条件和施工工艺等工程特点选用合适的外加剂。

　　2) 详细阅读外加剂的技术资料和应用说明, 了解其实际性能, 注意外加剂的质量。

　　3) 在原材料中, 水泥对外加剂的减水效果影响最大, 选择合理的水泥品种。

　　4) 为了确保工程质量, 根据现有标准, 进行严格的适应性确定, 使用前进行试验。

　　5) 同一种外加剂都有适宜的掺量, 不同的用途有不同的掺量, 严格掌握外加剂的掺量。

　　6) 在搅拌过程中, 外加剂的掺加方法对外加剂的使用效果影响较大, 注意采用适宜的掺加方法。

　　7) 一般情况下, 外加剂对配合比可按普通方法进行设计, 在减水或节约水泥的情况下, 应对砂率、水泥用量、水灰比等作适当调整, 注意调整配合比。

　　8) 外加剂的掺加方法、掺量及搅拌时间应根据施工特点确定。

　　9) 在搅拌时, 对于不同的掺加方法要有不同的注意事项;在运输过程中应注意保持匀质性, 避免分层; 在成型时, 要振捣除气, 以免欠振、漏振影响效果。注意搅拌、运输和成型操作。

4 发展趋势

4.1 复合多功能型

　　复合多功能型外加剂, 在性能上可以取长补短, 趋于完善, 并且要求价格便宜, 使用面广, 性能良好。如减水剂与其他外加剂复合使用有普通减水剂、缓凝减水剂、高效减水剂、缓凝高效减水剂、早强减水剂、引气减水剂。

4.2 品种系列化、多样化

　　如系列化产品有高强混凝土、超高强混凝土、缓凝高强混凝土等。不断研制开发新品种, 使品种系列化、多样化, 以满足各种特殊工程的需要, 并方便工程使用和质量控制。满足混凝土特殊性能要求而发展起来的泵送剂、防水剂、防冻剂等品种日益增加, 目前国外总的外加剂品种在500 种左右。

4.3 发展高强化外加剂

　　近年来, 各国使用的混凝土的平均强度和最高强度都在不断提高, 发展高强化所需用的高效能外加剂, 为制备高强、超高强混凝土提供条件, 利用高效减水剂的减水作用, 制备大流动性混凝土, 使施工省力, 造价降低, 工效提高。

4.4 发展新型高性能外加剂

　　目前国内对高性能外加剂的研究方兴未艾, 高性能的外加剂呼之欲出。如超缓凝剂、低碱有机盐型防冻剂, 这些都在研究试制中。

4.5 降低生产成本

　　充分利用各种工业废料, 如: 纸浆废液、芦苇浆废液、制糖工业废蜜及工业废渣生产外加剂, 采用先进的测试手段,研制外加剂的作用机理, 改革外加剂的配方和生产工艺, 生产高效、廉价的外加剂产品, 为广泛推广应用外加剂提高竞争能力。

5 结语

　　外加剂在三峡水利枢纽工程、二滩水电站、南水北调工程中应用效果良好, 从综合因素考虑有广阔地发展前景。随着外加剂品种的不断开发增加, 质量逐步提高, 应用会日益广泛, 研究会更加深入, 定会在水利水电工程建设中起到积极的影响作用。