三峡工程混凝土外加剂技术性能及应用

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摘要：三峡工程从优选原材料入手，通过大量的试验研究及优化混凝土配合比，最终推荐用于工程建设的外加剂为：缓凝高效减水剂ZB-1A、R561C、FDN9001、X404，泵送剂JM-Ⅱ及引气剂DH9和PC-2。实践证明，三峡工程采用的外加剂所生产的混凝土技术性能优良，经济效果显著。

关键词：三峡工程；混凝土；外加剂；质量控制　　
三峡大坝系混凝土重力坝，混凝土质量的优劣直接影响工程质量，为此，三峡总公司对外加剂进行了深入细致的试验研究及论证，从1995年底开始，进行了几个阶段的外加剂优选试验，筛选出的几种主要外加剂在中国水利水电科学研究院、长江科学院和三峡总公司试验中心进行平行试验，最后，对三种减水剂，两种引气剂进行综合性能和微观结构研究及复核试验，确保了外加剂优选的科学性及权威性。　　
经综合比较优选出：ZB-1A、FDN9001及R561C三种缓凝高效减水剂及PC-2、DH9引气剂供施工单位选用，后经试验验证，陆续有JG3、X404缓凝高效减水剂及JM-Ⅱ泵送剂用于三峡工程建设中，几种外加剂的基本情况见表1。
表1 三峡工程推荐及使用的外加剂

外加剂名称	牌号	状态	生产厂家	备注
减水剂	ZB-1A	粉状	浙江省龙游	正在使用
减水剂	JG3	粉状	北京冶建	正在使用
减水剂	X404	液体(活性物30%)	意大利马贝	正在使用
减水剂	FDN9001	粉状	湖北省武钢浩源	推荐使用
减水剂	R561C	液体(活性物56%)	上海麦思特	推荐使用
泵送剂	JM-Ⅱ	粉状	江苏省建科院	正在使用
引气剂	DH9	胶体	河北省	正在使用
引气剂	PC-2	胶体	青岛科力	推荐使用
注：减水剂为缓凝高效减水刑。

1 二阶段混凝土外加剂技术性能
1.1 外加剂各项技术指标满足相应标准要求 目前，三峡工程正在使用的缓凝高效减水剂：ZB-1A、JC3、X404，泵送剂：JM-Ⅱ及引气剂：DH9。　　
依据GB8076-97对缓凝高效减水剂ZB-1A、JC3、X404，引气剂DH9进行检验，其各项技术指标满足GB8076-97及三峡工程标准TGPS05-1998要求，且均为一等品，检验结果见表2，表3，依据DLT5100-1999对泵送剂JM-Ⅱ进行检验，其各项技术指标满足DLT5100-1999要求，检验结果见表4：
1.2 外加剂间有着良好的适应性 适应性试验采用固定胶凝材料用量(250kg/m3)，其中粉
表2 缓凝高效减水剂ZB-1A、JG3、X404检验结果

					凝结时间差(min)		抗压强度比(%)
减水剂名称	掺量	减水剂	含气量	泌水率比
	(%)	(%)	(%)	(%)	初凝	终凝	3d	7d	28d
ZB-1A	0.7	23	1.7	76	+450	-	183	204	164
JG3	0.7	22	1.5	73	+420	-	171	185	158
X404	1.0	20	0.7	88	+380	-	179	171	127
	一等品	≥12	≤3.0	≤100	≥+90	-	≥125	125	≥120
	合格品	≥10	≤4.0	≤100			≥120	≥115	≥110
注：缓凝高效减水剂X404在混凝土实用配合比中检验的减水率为35%

表3 引气剂DH9检验结果

					冻融耐久性	凝结时间差(min)		抗压强度比(%)
引气剂	掺量	减水剂	含气量	泌水率比
名称	(%)	(%)	(%)	(%)	冻融次数 (动弹模量%)	初凝	终凝	7d	28d
DH9	1.0	9.6	5.0	53	≥300(94.36%)	-5	-15	98	96
GB80	一等品	≥6	>3.0	≤70	200(≥80)	-90～	-90～	≥95	≥90
76-97	合格品	≥6	>3.0	≤80	200(≥80)	+120	+120	≥80	≥80

表4 泵送剂JM-Ⅱ检验结果

				泌水率比(%)		抗压强度比(%)
泵送剂	掺量	减水剂	含气量
名称	(%)	(%)	(%)	常压	压力	3d	7d	28d
JM-Ⅱ	0.8	12	0.8	60.9	73.3	107	120	118
DLT5100	-	-	≥4.5	≤100	≤95	≥85	≥85	≥85
-1999

煤灰等量替代水泥30%，骨料为二级配(5～40mm)，混凝土坍落度控制3～5cm，(泵送混凝土坍落度控制：15～17cm)，有引气剂掺入时混凝土含气量控制在4.0±0.5%。试验依据SD105-82，试验结果见表5。　　
试验结果表明，缓凝高效减水剂ZB-1A、JG3、X404与引气剂DH9有良好的适应性，混凝土强度较高，三种缓凝高效减水剂与引气剂(国标Ⅰ级粉煤灰掺量30%)联掺减水率高达28.7%～35.3%，可满足工程建设对混凝土较低用水量的设计要求；泵送剂JM-Ⅱ与引气剂DH9亦能在较低用水量的前提下，满足混凝土可泵性要求，因此缓凝高效减水剂、泵送剂与引气剂之间有着良好的适应性。表5 外加剂的适应性试验结果

					抗压强度(MPa)/抗压强度比(%)
外加剂	用水量	坍落度	含气量	减水率
	(kg/m3)	(cm)	(%)	(%)	7d	28d
基准混凝土	150	4.6	0.7	-	16.7/100	29.6/100
DH9(1.9/万)	141	5.4	3.7	9.4	12.0/72	20.3/69
ZB-1A(0.7%)	116	3.7	1.4	22.7	23.0/138	36.8/124
JG3(0.7%)	118	4.4	1.2	21.3	21.6/129	35.7/121
X404(1.0%)	108	5.2	1.0	28.0	28.6/171	43.9/148
JM-Ⅱ(0.8%)	136	16.2	0.9	-	19.4/116	33.7/114
ZB-1A(0.7%)+DH9	105	4.1	3.7	30.0	21.4/128	36.5/123
JG3(0.7%)+DH9	107	4.4	4.6	28.7	20.7/124	35.5/120
X404(1.0%)+DH9	97	4.3	3.9	35.3	27.7/166	44.8/151
JM-Ⅱ(0.8%)+DH9	122	15.8	4.3	-	18.7/112	33.0/111
注：试验原材料：葛州坝中热525#硅酸盐水泥(用量175kg/m3)；平圩Ⅰ级粉煤(用量75kg/m3)，其需水量比92%；花岗岩人工砂(细度模数2.57，石粉含量13.7%)，花岗岩人工碎石。

2 合理使用外加剂提高混凝土的性能　　
三峡工程混凝土的原材料最大不利因素是受条件限制而采用了花岗岩人工骨料，但由于合理选用优质外加剂，并复合国标Ⅰ级粉煤灰等原材料，通过优化混凝土配合比设汁，克服了花岗岩人工骨料的条件限制，生产出技术性能优异的混凝土，在中国水利水电科学研究院“国内外大坝混凝土配合比概况”中，相同骨料条件下，三峡工程二阶段混凝土技术性能达国内外领先水平。　　
研究表明，三峡工程二阶段混凝土外加剂的技术性能都能满足三峡大坝混凝土的技术指标要求。这里仅以工程用量最多的ZB-1A为代表，简要介绍三峡工程所用外加剂对混凝土技术经济性能的影响。
2.1 减少水泥水化热降低大坝混凝土的最高温升 三峡工程所用缓凝高效减水剂，可以降低水泥初期水化热，并使其热峰值推迟，最高温升亦降低，有利于防止和减少大坝混凝土的温度裂缝，可取得较好的技术经济效益，三峡工程所用ZB-1A的水泥水化热温升，见图1所示。
2.2 改善混凝土拌和物和易性 缓凝高效减水剂ZB-1A对水泥颗粒有着强烈的分散作用，很大程度上避免了水泥颗粒的凝絮作用，使胶凝材料均匀分布，有利于提高混凝土的匀质性，优质引气剂DH9大量引入的微气泡，较高的稳定性是减少混凝土坍落度损失的重要原因之一(依据GB8077-87检验，引气剂DH9的消泡时间大于1h)，同时由于微气泡较大的比表面积，其介质间的吸附作用提高了混凝土的粘聚性。因此外加剂的共同作用明显的提高混凝土拌和物和易性。

图1 缓凝高效减水剂ZB-1A对水泥水化温升的影响
2.3 减少单位胶材用量进而减少混凝土热裂危险性 三峡工程二阶段混凝土，采用花岗岩人工骨料，单位用水量偏高，较天然骨料混凝土的单位用水量高约40kg/m3左右，胶凝材料用量相应增加，混凝土内部温升较高，易导致混凝土产生温度裂缝。　　
试验证明，缓凝高效减水剂ZB-1A与引气剂DH9联掺减水率高达30%，见表5，因此混凝土单位用水量的降低，相应的混凝土单位胶凝材料用量降低，混凝土水泥水化热温升因而下降，若与国标Ⅰ级粉煤灰联掺(掺量30%)，则三者共同作用的结果减水率高达34.4%，见表6。因此综合作用的结果是大幅度降低了混凝土的单位用水量，如四级配混凝土用水量可降至85kg/m3左右，大坝混凝土的温升可控制在避免发生裂缝的限值以下，降低了混凝土热裂危险性。
表6 降低混凝土单位用水量试验结果

用水量 (kg/m3)	缓凝高效 减水剂	引气剂	粉煤灰 (平圩灰)	坍落度 (cm)	含气量 (%)	减水率 (%)	抗压强度(MPa)
							7d	28d
160	/	/	/	4.1	0.4	/	18.3	32.5
150	/	/	30%	4.6	0.7	6.3	16.7	29.6
116	ZB-1A0.7%	/	30%	3.7	1.4	27.5	23.0	36.8
141	/	DH9 1.9/万	30%	5.4	3.7	11.9	12.0	20.3
105	ZB-1A0.7%	DH9 0.7/万	30%	4.1	3.7	34.4	21.4	36.5

2.4 提高混凝土耐久性 被誉为“千年大计”的三峡工程，对混凝土的耐久性提出了很高要求。　　
外加剂的合理使用可有效提高混凝土的耐久性，以混凝土抗冻融循环耐久性为代表的耐久性试验结果见表7。
表7 三峡工程二阶段混凝土抗冻性试验结果

					混凝土重量损失(%)/混凝土相对动弹模(%)
工程部件	设计标号	水胶比	粉煤灰	含气量
			(%)	(%)	0次	50次	100次	150次	200次	250次	抗冻标号
大坝内部	D100	0.55	35	4.9	0.0/100.0	0.6/93.9	1.2/89.3	1.9/82.0	3.0/72.2	4.2/60.3	D250
大坝外部	D250	0.50	25	5.4	0.0/100.0	0.2/94.9	0.6/93.8	0.9/92.7	1.3/92.1	2.0/89.0	>D250
大坝基础	D150	0.50	30	5.6	0.0/100.0	0.2/96.0	0.7/95.1	1.5/93.5	2.0/91.0	2.7/89.0	>D250
水变区	D250	0.45	20	5.5	0.0/100.0	0.5/96.5	0.6/94.0	1.0/92.6	1.7/89.9	2.5/88.3	>D250

　　可以看出，二阶段混凝土配合比的设计完全满足三峡工程对耐久性要求。这是由于缓凝高效减水剂对水泥颗粒强分散作用，在降低混凝土的单位用水量的同时，由于胶凝材料颗粒的均匀分布，提高了混凝土材料的匀质性，减少了材料出现应力集中的机率；引气剂大量引入均匀分布的微气泡，截断毛细孔的同时，不仅降低其自由水的冰点，而且缓冲较大孔洞结构缺陷的冰冻膨胀压力，可成倍提高混凝土的抗冻融性能。
2.5 混凝土抗裂性达到并超过工程技术要求 三峡工程所用花岗岩骨料混凝土的抗裂性较差，但由于合理采用优质外加剂，并复合国标Ⅰ级粉煤灰，坚持低水胶比设计生产混凝土，使混凝土抗裂性达到且超过工程技术要求。　　
极限拉伸值和弹性模量是表征混凝土抗裂性能的两个重要指标，较高的极限拉伸值和较低的混凝土弹性模量是高抗裂性混凝土的技术要求，为此，三峡工程对混凝土的极限拉伸值作了明确限制，同时要求其弹性模量尽可能低，试验结果表明，三峡工程混凝土抗裂性满足设计要求见表8。
2.6 合理使用外加剂显著提高混凝土的经济性能 三峡工程耗资巨大，降低工程费用对国民建设有积极意义 为此，工程建设采用优质外加剂联掺国标Ⅰ级粉煤灰，并坚持低水胶比设计的综合技术措施，优化了混凝土设计，取得明显的经济效益，降低了混凝土的生产成本。若按基础与内部混凝土平均差价计算，三峡工程仅混凝土原材料就可节约经费2亿元以上。
表8 三峡工程混凝土抗裂性试验结果

			极限拉伸值(×10-4)			抗压弹模(GPa)
工程部件	水胶比	设计指标
		(×10-4)	7d	28d	90d	7d	28d	90d
内部	0.50	εP28=0.70	0.63	0.83	0.87	17.4	24.7	29.4
		εP90=0.75
水位变化区	0.45	εP28=0.80	0.73	0.92	1.05	23.4	31.2	33.2
		εP90=0.85
基础		εP28=0.80	0.68	0.80	0.87	19.1	25.8	28.1
		εP90=0.85

3 外加剂在三峡工程二阶段混凝土生产中的使用　　
目前在三峡厂坝工程主要使用的缓凝高效减水剂ZB-1A，其次为JG3，引气剂为DH9；抗冲耐磨部分的混凝土，选用了X404缓凝高效减水剂；永久船闸工程泵送混凝土采用泵送剂JM-Ⅱ三峡工程混凝土生产采用拌和楼试验室、监理试验室、总公司试验室共同进行质量控制。质量控制结果表明，用于大坝生产的混凝土质量良好，各项性能指标均满足并超过设计要求。
[作者简介] 作者简介：伏文勇，中国水利水电第三工程局施工研究所驻三峡工程开发总公司试验中心助理工程师，学士。

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