超缓凝混凝土的试配与应用

王建钊

（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东 泰安 271000）

随着施工技术的不断发展，更多超大结构物得以问世，尤其是超大桩径、超长桩身的桩基，其作为承载体的地基基础部分也非常重要。另外，超缓凝混凝土在钢管柱施工过程中的试配与应用成为盖挖法能否成功的关键。

1 工程概述

太原市轨道交通一号线太原东广场站按照现场施工情况将整个地铁站划分为8 个仓室分段进行施工，纵向分为3 个部分：东广场范围、双塔北路东侧范围及双塔北路范围。其中双塔北路范围（6、7 仓）地下一层为待建市政隧道，地下二至四层为地铁车站，车站与市政隧道共构合建。

由于双塔北路市政隧道施工需要在短期内完成，以恢复道路通行，因此必须保证短时间内完成地铁站负二层顶板的施工。将地铁站6、7 仓负二层底板以下部分采用盖挖逆方式进行施工，而中间框架柱变更钢管柱桩后插法施工，这要求灌注桩必须是超缓凝混凝土，因此超缓凝混凝土施工成为施工的重要控制环节，如图1 所示。

图1 钢管柱施工断面图

2 确定混凝土缓凝时间及工作性能

超缓凝混凝土是指混凝土在搅拌的过程中添加各种外加剂（例如缓凝剂、增黏剂和减水剂等），来达到延缓混凝土初凝时间的目的。当混凝土中加入缓凝剂以后，水泥中的细部颗粒因吸收缓凝剂中的阴离子而带负电荷，周围的水体产生带电性，相同电性的类离子相互发生排斥，导致水泥与水体分散，使水泥浆不能聚集，水泥与水间的接触面积增加，水泥颗粒可以充分地水化。在水泥颗粒不断水化的过程中，水泥浆由网状凝聚结构转变为溶胶结构。因此，料浆变稀，混凝土流动性大，缓凝时间长。

由于施工中常见的缓凝剂的性质特殊，因此需要引入空气，在搅拌混凝土的过程中，如果添加过量会导致混凝土强度异常，而且缓凝的时间通常达不到施工要求，缓凝效果较好的缓凝剂初凝时间一般＜10h，保坍时间达不到施工效果。在使用超缓凝剂的过程中，可以延缓混凝土的初凝时间，具体所需要的缓凝时间与缓凝剂的掺入量有关，混凝土保坍时间效果较好，一般终凝时间约60h。缓凝效果显著，落度经时损失小，混凝土缓凝时间为60h～80h，有效降低了混凝土的水化温升。

为确定该工程混凝土所需的初凝时间，根据施工场地与混凝土搅拌站间的位置距离测算混凝土罐车在路上行驶时间约为1.5h；混凝土罐车到达施工现场后等待时间为0.5h；每车混凝土从开始灌桩到灌桩结束时间为3h；从钢管柱开始吊装到插入桩基，安装牢固时间为6h，考虑在混凝土罐车行驶过程中堵车和到达施工现场后等待时间等突发因素，大约需要5h，最终确定混凝土缓凝适配时间不小于24h。为保证施工流畅性及可靠性，最终将混凝土1h坍落度损失率控制在11%以内。

3 配合比设计思路

让混凝土具有超缓凝的性能的主要方法是在混凝土中添加缓凝剂，可以采用复合型缓凝高效减水剂，有利于增强混凝土的后期强度，使其能具有超缓凝的性能，由于混凝土配制过程中所选用的水泥、石子以及砂子等材质有所差异，可能会使混凝土达不到设计要求，因此在超缓凝混凝土使用前要进行适配来确定能否达到设计要求[1]。

需要从混凝土的原材料方面配制超缓凝混凝土，然后将传统混凝土搅拌站所用的外加剂单独掺加的形式，改为双掺、三掺甚至掺入更多外加剂的组合形式，再不断地进行试配筛选，并通过不同形式配合比的调配，从而实现对混凝土各项性能的靶向调节与控制。在超缓凝混凝土的生产工艺方面，形成组合剂+传统混凝土相结合的生产模式，解决因环境因素造成的混凝土质量波动问题[2]。

根据设计和施工要求，混凝土初凝时间短的主要原因是水泥掺水后产生的水化热比较大，从而导致混凝土温度升高，非常不利于超缓凝混凝土的试配。因此，需要从水泥的选择入手，然后是外加剂以及级配材料的选择，根据以往的配合比单，试配满足设计要求的混凝土型号，在该基础上添加各种外加剂，逐步确定最终的配合比，试验步骤如下：1）进行3 组不加任何外加剂配合比的试验，坍落度为180mm～220mm。2）进行（缓凝剂组合）3 组配合比试验，缓凝剂按照不同的比例添加。3）进行（保塌液+缓凝剂组合）3 组配合比试验，缓凝剂按照不同的比例添加。4）进行（减水剂+保塌液+缓凝剂组合）3组配合比试验，缓凝剂按照不同比例添加。5）外加剂掺量按胶凝材料的2%添加，缓凝剂（葡萄糖酸钠+白糖），添加比例分别为每吨外加剂45kg、55kg、65kg、75kg 和85kg。

4 配制超缓凝混凝土配合比

根据初步设计思路的试验配比进行试验，在操作过程中，完成的3 组不加任何外加剂的混凝土满足性能要求，但后续完成的3 组添加缓凝剂的混凝土试块虽然出机状态正常，但是一定时间后却出现离析的现象，外加剂无法调整和保持混凝土状态。试验人员选用适应性较强的外加剂保塌：SR-1、SR-3，为避免外加剂再出现差错，试验人员在拌合站自制工具，调配外加剂。同时考虑到施工特点，将配合比砂率调整到约50%。在试验和试生产成功后，准备进行第二次施工准备。

通过试配可以发现，当混凝土中添加的缓凝剂（外加剂）增加后，混凝土具有的特性都会改变，混凝土的和易性会逐渐变差，随着时间的推移，混凝土会慢慢出现离析现象，最终导致混凝土的稳定性变差，进而影响混凝土的各项性能。因此，在超缓凝混凝土的配制过程中需要在混凝土中加入适量的增黏剂（外加剂），增黏剂可以提高混凝土的黏结性，随着增黏剂用量不断增加，混凝土拌合物的扩展度呈良性发展，进一步改善了混凝土胶凝材料的黏性，使其逐渐脱离离析状态。在试验过程中发现使用过量的增黏剂也会有各种弊端，例如混凝土的流动性逐渐降低，从而增加混凝土的坍落度损失。因此，在施工过程中要根据现场的实际情况做好配比试验，得到最佳的配合比，从而保证混凝土拌合物的流动性和黏聚性，也保证超缓凝混凝土具有较好的稳定性。

对试验结果进行对比，并观察其试验过程可知，试样初凝时间为18h～55h，最终经过调整，确定凝结时间约24h，试块强度配合比能够符合要求，见表1。

表1 C40P12 超缓凝混凝土抗压强度（单位：MPa）

经过多次试验，最终配制以中研科技的保塌母液SR-1、SR-3、减水母液、引气剂、水、葡萄糖酸钠和蔗糖为原料的缓凝外加剂。并根据原材料的实际情况，得出满足施工要求的混凝土配合比[3]，C40P12 混凝土外加剂配合比以及混凝土配合比见表2 和表3。

表2 C40P12 超缓凝混凝土外加剂配合比（单位：kg/m³）

表3 C40P12 超缓凝混凝土配合比（单位：kg/m³）

5 超缓凝混凝土的应用

超缓凝混凝土在太原站东广场及配套路网工程，太原站东广场站中得到成功应用，在施工过程中，要严格要求超缓凝混凝土的试配、混凝土试块的留置以及施工现场超缓凝混凝土的应用，使超缓凝混凝土的凝结时间能够达到钢管柱施工需求。从施工过程中所留置的标养试块和同养试块的强度可以看出，试验所配置的超缓凝混凝土强度能够满足设计以及规范要求，经过两个多月，顺利完成了盖挖法中间桩的施工。

6 超缓凝混凝土的技术创新性研究

随着施工工艺的发展，衍生出具有特殊性能的超缓凝混凝土。在特殊的施工工艺或施工环境中，混凝土需要具备特殊性能，不仅有早期较长的凝结时间，而且有混凝土强度后期要满足设计要求。对施工工艺来说，混凝土必须具有相应的性能才能满足现场施工需求。从材料性能的研究方向来看，既要满足施工工艺的要求，又要满足材料科学的要求，这是研究超缓凝混凝土的难点[3]。

首先，当原材料合格时，因为水泥、砂石料的变动直接影响混凝土凝结时间，所以要保证配置超缓凝混凝土料源稳定，其次，根据原材料情况制定专门的配合比，并进行相应的配比试验。随着科学技术的不断发展以及不断优化混凝土添加剂，缓凝剂由传统外加剂向高分子方向发展。研究方向是结合各种现有新型材料，尤其是具有缓凝功能的助剂分子结构，从混凝土缓凝剂的合成原材料以及氧化还原剂方面入手，在用量、合成温度以及控制时间等方面进行合成研究。

新型缓凝剂合成研究所用到的材料主要为酸酐与亚磷酸、聚羧酸、金属盐和进行化学反应合成施工所需的超缓凝剂。与传统意义上的缓凝剂相比，新型超缓凝剂的稳定性更好，在混凝土拌制过程中可以保证维混凝土的塑性，从而达到缓凝效果。为更好地验证新型超缓凝剂的缓凝效果，实验室对其工作性能、材料性能和力学性能进行相关研究，判断新型超缓凝剂对混凝土的影响。新型超缓凝混凝土配合比见表4，在配合比中除新型超缓凝剂掺量不同外，其他原材料与用量完全相同，混凝土工作性能见表5，C40 超缓凝混凝土28d 抗压强度见表6[4]。

表4 C40 新型超缓凝混凝土配合比

表5 C40 混凝土工作性能表

表6 C40 超缓凝混凝土28d 抗压强度（单位：MPa）

由试验可知，新型超缓凝剂材料性能较好，能够满足混凝土力学性能要求且和常规缓凝剂对比创新性较好。混凝土超缓凝剂保坍、缓凝效果较好，在实际施工的过程中，可以根据超缓凝剂掺量调节混凝土保坍时间，掺量不应大于3.0%。新型超缓凝剂可有效避免混凝土因内外温差过大收缩而导致开裂的情况，提高混凝土体积的稳定性。

7 结论

由于超缓凝混凝土维持塑性的时间比普通混凝土要长，因此可以用于特殊的施工工艺及施工环境中，超缓凝混凝土是建筑施工发展过程中的新型产物，可以弥补传统缓凝混凝土在凝结时间上的局限性，拓宽混凝土的应用领域，通过不断完善与优化，超缓凝混凝土能够应用于城市建设的各个领域中。该工程钢管桩超缓凝混凝土的顺利完成为之后的工程积累了丰富的经验，超缓凝混凝土的应用可以为大桩径超长桩基的施工提供参考，尤其是特大桥、超高层建筑，可以达到降低施工成本、提高效率、保护周边环境的目的，同时也节省工程造价，缩短了施工工期。