4.2 混凝土拌合物凝结时间

4.2.1 混凝土拌合物的凝结与硬化

水泥加水拌合后，水化反应就开始。水泥的水化反应一般可分作四个阶段，即初始反应期、休止期、凝结期和硬化期。在前两个时期，由于水泥水化的产物较少，不能形成网状的凝聚结构，因此新拌混凝土处于可以流动的状态。但是随着水化反应的发展，水化产物不断增加。当水化产物形成网状的凝聚结构时，水泥水化即进入凝结期。当这种凝结作用达到一定程度时，会使新拌混凝土基本失去流动性。此时新拌混凝土即达到初凝。随着

水化反应继续发展，水化产物的网状凝聚结构逐步致密，从而使混凝土具有了力学强度。此时新拌混凝土就达到终凝。新拌混凝土从加水拌合开始至达到初凝的时间称为新拌混凝土的初凝时间；而达到终凝的时间称为新拌混凝土的终凝时间。

混凝土的凝结和硬化，从绝热条件下混凝土水化温升速率测定结果，可以清楚地表现出凝结和硬化的四个阶段，见图4.2-1^［4-3］。静止期期间水化温升速率基本不变，温升速率快速上升，相当于混凝土凝结开始（初凝），温升速率的高峰相当于凝结结束（终凝）。过峰值后，水化温升速率急骤下降，开始了漫长的硬化过程。

准确掌握新拌混凝土的凝结时间，对保证大坝混凝土的质量有重要的影响。如已浇筑的混凝土达到初凝后，继续在它上面浇筑新的混凝土，那么上下两层混凝土间会产生缝隙，称为“冷缝”。如果大坝混凝土浇筑过程中出现了冷缝，不仅要影响到浇筑块的整体性和均匀性，而且对大坝的抗渗性和稳定性均会带来较大的危害。

在某些情况下，水泥混凝土会出现反常凝结的现象。反常凝结可能有下面几种^［4-2］：

（1）瞬凝。瞬凝是由于大量单硫型铝酸盐或其他水化铝酸钙所引起的急骤凝结，这是一种不能被进一步搅拌所破坏的快速凝结，表明已经形成强度，并伴随有大量的放热。瞬凝的水泥可以通过掺入适量石膏控制C₃A的水化而很容易地解决。水泥在储藏中吸收空气中的二氧化碳时，也有产生瞬凝的情况，这是由于碳酸盐和水泥浆液相中的石膏反应，使石膏浓度降低。

（2）假凝。即使是掺有石膏的水泥，与水拌合后有时立即硬化，好像是出现凝结现象，这种现象称为假凝，假凝时不会大量放热。把假凝的水泥浆继续搅拌，使其恢复塑性，其后和正常的水泥一样凝结、硬化，对混凝土施工不会产生太大的影响。为调节水泥凝结时间所加的石膏一般为二水石膏（CaSO₄·2H₂O），如果粉磨温度过高，二水石膏脱去结晶水成为半水石膏或无水石膏，这些物质与水混合后，会很快水化，产生假凝现象。

（3）过度缓凝。一般是由外加剂与水泥不相适应引起的，简单地更换外加剂品种即可解决。

4.2.2 混凝土拌合物凝结时间检测

混凝土拌合物凝结时间检测采用贯入阻力法，贯入阻力法是叶兹尔（Tuthill）和卡尔顿（Cordon）于1955年提出的，该法采用普氏贯入针测定从混凝土筛出的砂浆硬化特性。从混凝土中筛出的砂浆装入容器深度至少150mm，砂浆振实后抹平表面并排除泌水，不同间隔时间将贯入针压入砂浆25mm深，测定测针贯入阻力值。测试过程中分初凝和终凝两个时段，以测针承压面积从大到小的次序更换测针。

对常态混凝土拌合物，检测初凝时间的测针直径为11.2mm（断面积100mm²）、检测终凝时间的测针直径为5.0mm（断面积20mm²）。

该方法的主要仪器为贯入阻力仪，其结构简图如图4.2-2^［4-1］所示。该方法的测试原理是，将从新拌混凝土中筛出的砂浆置于20℃标准温度下，经过一定时间后，将测针按规定速度插入砂浆中（10s插入25mm）。此时测针上所受到的阻力，称为贯入阻力。随着混凝土逐步凝结，测针上所受到的贯入阻力也逐步增加。当贯入阻力达3.5MPa时，认为已达到初凝。而当贯入阻力达28MPa时，认为混凝土已达到终凝。新拌混凝土拌合物凝结时间的贯入阻力测试方法详见《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150或SL 352）。图4.2-3^［4-3］为某种新拌混凝土的凝结时间测定曲线。一般大坝混凝土，初凝时间为6～8h，而终凝时间为16～18h。

碾压混凝土拌合物凝结时间检测方法与常态混凝土相同，也常用贯入阻力法，但其与前者有两个不同，一是初凝与终凝时间检测均用直径5.0mm（断面积20mm²）的测针；二是初凝时间由贯入阻力—历时关系曲线的拐点确定。

大量试验表明，混凝土的凝结表现在加水后水泥凝胶体由凝聚结构向结晶网状结构转变时有一个突变。用测针测定碾压混凝土中砂浆贯入阻力也存在一个突变点，即测试关系线存在一个拐点。原试验方法试验时拐点时而出现，时而又不出现，究其原因是测定贯入阻力的仪器测量精度不够造成的。

为此，中国水利水电科学研究院于2006年研制成功高精度贯入阻力仪（见图4.2-4），已被《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）规定为碾压混凝土拌合物凝结时间的试验仪器。该仪器的额定荷载1kN、精度±1%、最小示值0.1N^［4-5］。

4.2.3 影响混凝土拌合物凝结时间的主要因素

影响混凝土拌合物凝结时间的因素较多，主要可分混凝土原材料和配合比等内在因素的影响和外界环境的影响。

（1）水泥品种的影响

水泥品种对混凝土拌合物凝结时间有着较大的影响。一般来说，水泥凝结越快，混凝土拌合物的凝结时间也越短。

（2）外加剂的影响

外加剂对混凝土拌合物的凝结时间有重要的影响。一些外加剂就是根据它对凝结时间的影响而命名的。如速凝剂可使混凝土在几分钟内达到初凝和终凝，而缓凝剂可使混凝土的凝结时间根据需要而延长。在施工中，根据不同的工艺要求，可以采用不同的外加剂来调节混凝土的凝结时间。如在喷混凝土中，需要掺用速凝剂，而在大坝混凝土施工中，尤其是在气温较高的地区或季节，一般均需要掺用缓凝型的减水剂。图4.2-5^［4-1］是掺用两种缓凝型减水剂对混凝土拌合物凝结时间的影响曲线。

掺缓凝高效减水剂（ZB-1 RCC15）碾压混凝土初凝时间试验结果列于表4.2-1^［4-6］。表中准三级配碾压混凝土最大骨料粒径为60mm，水泥为广西田东42.5级中热水泥、骨料的辉绿岩人工砂石料，掺Ⅱ级粉煤灰。

以上试验结果表明：

1）一级配碾压混凝土当减水剂掺量从0.8%增加到1.0%，室内温度18～22℃的初凝时间延长约90min；室外自然温度21～31℃的初凝时间延长约120min。

2）准三级配碾压混凝土当减水剂掺量从0.8%增加到1.0%、1.2%：室内温度18～22℃减水的初凝时间分别延长约80min、160min；室外自然温度21～31℃的初凝时间分别延长约35min、120min。

3）在减水剂相同掺量的情况下，碾压混凝土二级配比准三级配初凝时间延长约50min左右；随减水剂掺量增加凝结时间相应延长，即减水剂掺量每增加0.1%，碾压混凝土初凝时间延长约30min左右。

（3）水胶比

在水泥品种相同情况下，混凝土水胶比越大，混凝土拌合物凝结时间越长。

（4）环境温度

混凝土凝结时间与环境温度有密切关系。环境温度越高，水泥的水化反应越快，混凝土凝结时间越短。因此在南方地区或高温季节，在大坝混凝土中一定要采取措施，适当延长混凝土的初缓时间，才能保证正常施工。

环境温度对碾压混凝土凝结时间影响试验结果列于表4.2-2^［4-6］。从表可见，平均环境温度21℃、25℃、29℃、33℃、37℃条件下，碾压混凝土初凝时间分别为5h 30min、4h 25min、3h 25min、3h 15min、2h 30min，即气温上升16℃，初凝时间缩短3h。

（5）碾压混凝土VC值

碾压混凝土凝结时间还与VC值有关。当外加剂掺量不变而气温相同条件下，采用较小的VC值，可延长初凝时间。VC值与凝结时间的关系试验结果见表4.2-3^［4-6］，从表可见，当室温在19～20℃，VC值为5.0s、6.0s、7.0s时，对应的初凝时间分别为5h 10min、4h 52min、4h 29min，VC值增大2s，初凝时间缩短约40min左右。