4.2 混凝土拌合物凝結時間

4.2.1 混凝土拌合物的凝結與硬化

水泥加水拌合后，水化反應就開始。水泥的水化反應一般可分作四個階段，即初始反應期、休止期、凝結期和硬化期。在前兩個時期，由于水泥水化的產物較少，不能形成網狀的凝聚結構，因此新拌混凝土處于可以流動的狀態。但是隨著水化反應的發展，水化產物不斷增加。當水化產物形成網狀的凝聚結構時，水泥水化即進入凝結期。當這種凝結作用達到一定程度時，會使新拌混凝土基本失去流動性。此時新拌混凝土即達到初凝。隨著

水化反應繼續發展，水化產物的網狀凝聚結構逐步致密，從而使混凝土具有了力學強度。此時新拌混凝土就達到終凝。新拌混凝土從加水拌合開始至達到初凝的時間稱為新拌混凝土的初凝時間；而達到終凝的時間稱為新拌混凝土的終凝時間。

混凝土的凝結和硬化，從絕熱條件下混凝土水化溫升速率測定結果，可以清楚地表現出凝結和硬化的四個階段，見圖4.2-1^［4-3］。靜止期期間水化溫升速率基本不變，溫升速率快速上升，相當于混凝土凝結開始（初凝），溫升速率的高峰相當于凝結結束（終凝）。過峰值后，水化溫升速率急驟下降，開始了漫長的硬化過程。

準確掌握新拌混凝土的凝結時間，對保證大壩混凝土的質量有重要的影響。如已澆筑的混凝土達到初凝后，繼續在它上面澆筑新的混凝土，那么上下兩層混凝土間會產生縫隙，稱為“冷縫”。如果大壩混凝土澆筑過程中出現了冷縫，不僅要影響到澆筑塊的整體性和均勻性，而且對大壩的抗滲性和穩定性均會帶來較大的危害。

在某些情況下，水泥混凝土會出現反常凝結的現象。反常凝結可能有下面幾種^［4-2］：

（1）瞬凝。瞬凝是由于大量單硫型鋁酸鹽或其他水化鋁酸鈣所引起的急驟凝結，這是一種不能被進一步攪拌所破壞的快速凝結，表明已經形成強度，并伴隨有大量的放熱。瞬凝的水泥可以通過摻入適量石膏控制C₃A的水化而很容易地解決。水泥在儲藏中吸收空氣中的二氧化碳時，也有產生瞬凝的情況，這是由于碳酸鹽和水泥漿液相中的石膏反應，使石膏濃度降低。

（2）假凝。即使是摻有石膏的水泥，與水拌合后有時立即硬化，好像是出現凝結現象，這種現象稱為假凝，假凝時不會大量放熱。把假凝的水泥漿繼續攪拌，使其恢復塑性，其后和正常的水泥一樣凝結、硬化，對混凝土施工不會產生太大的影響。為調節水泥凝結時間所加的石膏一般為二水石膏（CaSO₄·2H₂O），如果粉磨溫度過高，二水石膏脫去結晶水成為半水石膏或無水石膏，這些物質與水混合后，會很快水化，產生假凝現象。

（3）過度緩凝。一般是由外加劑與水泥不相適應引起的，簡單地更換外加劑品種即可解決。

4.2.2 混凝土拌合物凝結時間檢測

混凝土拌合物凝結時間檢測采用貫入阻力法，貫入阻力法是葉茲爾（Tuthill）和卡爾頓（Cordon）于1955年提出的，該法采用普氏貫入針測定從混凝土篩出的砂漿硬化特性。從混凝土中篩出的砂漿裝入容器深度至少150mm，砂漿振實后抹平表面并排除泌水，不同間隔時間將貫入針壓入砂漿25mm深，測定測針貫入阻力值。測試過程中分初凝和終凝兩個時段，以測針承壓面積從大到小的次序更換測針。

對常態混凝土拌合物，檢測初凝時間的測針直徑為11.2mm（斷面積100mm²）、檢測終凝時間的測針直徑為5.0mm（斷面積20mm²）。

該方法的主要儀器為貫入阻力儀，其結構簡圖如圖4.2-2^［4-1］所示。該方法的測試原理是，將從新拌混凝土中篩出的砂漿置于20℃標準溫度下，經過一定時間后，將測針按規定速度插入砂漿中（10s插入25mm）。此時測針上所受到的阻力，稱為貫入阻力。隨著混凝土逐步凝結，測針上所受到的貫入阻力也逐步增加。當貫入阻力達3.5MPa時，認為已達到初凝。而當貫入阻力達28MPa時，認為混凝土已達到終凝。新拌混凝土拌合物凝結時間的貫入阻力測試方法詳見《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150或SL 352）。圖4.2-3^［4-3］為某種新拌混凝土的凝結時間測定曲線。一般大壩混凝土，初凝時間為6～8h，而終凝時間為16～18h。

碾壓混凝土拌合物凝結時間檢測方法與常態混凝土相同，也常用貫入阻力法，但其與前者有兩個不同，一是初凝與終凝時間檢測均用直徑5.0mm（斷面積20mm²）的測針；二是初凝時間由貫入阻力—歷時關系曲線的拐點確定。

大量試驗表明，混凝土的凝結表現在加水后水泥凝膠體由凝聚結構向結晶網狀結構轉變時有一個突變。用測針測定碾壓混凝土中砂漿貫入阻力也存在一個突變點，即測試關系線存在一個拐點。原試驗方法試驗時拐點時而出現，時而又不出現，究其原因是測定貫入阻力的儀器測量精度不夠造成的。

為此，中國水利水電科學研究院于2006年研制成功高精度貫入阻力儀（見圖4.2-4），已被《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）規定為碾壓混凝土拌合物凝結時間的試驗儀器。該儀器的額定荷載1kN、精度±1%、最小示值0.1N^［4-5］。

4.2.3 影響混凝土拌合物凝結時間的主要因素

影響混凝土拌合物凝結時間的因素較多，主要可分混凝土原材料和配合比等內在因素的影響和外界環境的影響。

（1）水泥品種的影響

水泥品種對混凝土拌合物凝結時間有著較大的影響。一般來說，水泥凝結越快，混凝土拌合物的凝結時間也越短。

（2）外加劑的影響

外加劑對混凝土拌合物的凝結時間有重要的影響。一些外加劑就是根據它對凝結時間的影響而命名的。如速凝劑可使混凝土在幾分鐘內達到初凝和終凝，而緩凝劑可使混凝土的凝結時間根據需要而延長。在施工中，根據不同的工藝要求，可以采用不同的外加劑來調節混凝土的凝結時間。如在噴混凝土中，需要摻用速凝劑，而在大壩混凝土施工中，尤其是在氣溫較高的地區或季節，一般均需要摻用緩凝型的減水劑。圖4.2-5^［4-1］是摻用兩種緩凝型減水劑對混凝土拌合物凝結時間的影響曲線。

摻緩凝高效減水劑（ZB-1 RCC15）碾壓混凝土初凝時間試驗結果列于表4.2-1^［4-6］。表中準三級配碾壓混凝土最大骨料粒徑為60mm，水泥為廣西田東42.5級中熱水泥、骨料的輝綠巖人工砂石料，摻Ⅱ級粉煤灰。

以上試驗結果表明：

1）一級配碾壓混凝土當減水劑摻量從0.8%增加到1.0%，室內溫度18～22℃的初凝時間延長約90min；室外自然溫度21～31℃的初凝時間延長約120min。

2）準三級配碾壓混凝土當減水劑摻量從0.8%增加到1.0%、1.2%：室內溫度18～22℃減水的初凝時間分別延長約80min、160min；室外自然溫度21～31℃的初凝時間分別延長約35min、120min。

3）在減水劑相同摻量的情況下，碾壓混凝土二級配比準三級配初凝時間延長約50min左右；隨減水劑摻量增加凝結時間相應延長，即減水劑摻量每增加0.1%，碾壓混凝土初凝時間延長約30min左右。

（3）水膠比

在水泥品種相同情況下，混凝土水膠比越大，混凝土拌合物凝結時間越長。

（4）環境溫度

混凝土凝結時間與環境溫度有密切關系。環境溫度越高，水泥的水化反應越快，混凝土凝結時間越短。因此在南方地區或高溫季節，在大壩混凝土中一定要采取措施，適當延長混凝土的初緩時間，才能保證正常施工。

環境溫度對碾壓混凝土凝結時間影響試驗結果列于表4.2-2^［4-6］。從表可見，平均環境溫度21℃、25℃、29℃、33℃、37℃條件下，碾壓混凝土初凝時間分別為5h 30min、4h 25min、3h 25min、3h 15min、2h 30min，即氣溫上升16℃，初凝時間縮短3h。

（5）碾壓混凝土VC值

碾壓混凝土凝結時間還與VC值有關。當外加劑摻量不變而氣溫相同條件下，采用較小的VC值，可延長初凝時間。VC值與凝結時間的關系試驗結果見表4.2-3^［4-6］，從表可見，當室溫在19～20℃，VC值為5.0s、6.0s、7.0s時，對應的初凝時間分別為5h 10min、4h 52min、4h 29min，VC值增大2s，初凝時間縮短約40min左右。