2.3　原材料选择

2.3.1　水泥

高寒地区碾压混凝土的特点之一就是低水灰比，为了确保混凝土的流动性能，必须选择宜于低水灰比特性的水泥，这种水泥关键是细度及粒子的组成，再者是加水后的早期水化。

水泥粒子群的比表面积、粒子形状、密度及粒子之间的级配等，对浆体的流动性能影响很大。比表面积小，粒子形状接近球状，比重大，填充性越好，流动性也随之提高。优化这些因素，就可以获得最适宜的流动性能。

对于加水后的早期水化来说，水泥中的铝酸三钙含量越少流动性的经时降低越小。从水化方面考虑，含有适当的游离CaO是比较有效的。

2.3.2　粉煤灰

粉煤灰是燃煤发电的火力发电厂排出的一种工业废渣，是由磨成一定细度的煤粉，在煤粉锅炉中燃烧（1100～1500℃）后由收尘器收集的细灰。我国电力工业是以燃煤为主，每年排出的粉煤灰量达数千万吨，粉煤灰资源十分丰富。

粉煤灰在水泥混凝土中的作用机理及其对混凝土基本性能影响，可用粉煤灰效应论述。粉煤灰效应是形态效应、活性效应、微集料效应三方面内容，粉煤灰中的玻璃球形颗粒完整，表面光滑，粒度较细，质地致密，这形态上的特点可降低水泥浆体的需水量，改善浆体的初始结构，这就是所谓的形态效应。酸性氧化物为主要成分的玻璃相，在潮湿环境中可与C3S及C2S的水化物Ca（OH）2起作用，生成C-S-H及C-A-H凝胶体，对硬化的水泥浆体起增强作用，特别是在28d后的增强作用，这就是活性效应。粉煤灰的活性效应不仅与龄期有关，而且与温度有关，高温养护的粉煤灰混凝土的增强效应比低温养护的好，粒径在30μm以下的粉煤灰微粒在水泥中可以起相当于未水化熟料微粒作用，填充毛细孔隙，使水泥结石更为致密，产生微集料效应。

影响粉煤灰质量的主要因素是玻璃体含量、细度及烧失量。细度实质上反映了球形玻璃体含量，粉煤灰中小于45μm的颗粒冷却快，易形成球形玻璃体，细度越细，球形玻璃体含量越高，由其拌制的混凝土单位用水量低；烧失量实为含碳量，碳在常温下化学稳定性好，不会与水泥中的成分及其水化产物发生化学反应，无活性且结构松软，对混凝土强度不利，但因含碳量在胶凝材料总量中所占比例很小，对强度影响较小；经高温燃烧过的碳内部多孔，会增加混凝土用水量，且对外加剂包括引气剂有强烈的吸附作用，含碳量高的粉煤灰用水量高，外加剂减水效应降低，引气效果降低，为达到同样的减水、引气效果，必须提高减水剂和引气剂的掺量。

按照《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL/T 5055—2007）标准，粉煤灰按其品质分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级，技术指标见表2.3-1。

2.3.3　外加剂

1.减水剂

高寒地区碾压混凝土本身具有的特点就是低水灰比，这就意味着其流变性能较差，且白天温度高日晒蒸发量大，这对碾压混凝土的流变性能更是一项巨大的挑战，所以一般都会在高寒地区碾压混凝土中采用掺加减水剂的方案。

减水剂是一种在维持混凝土坍落度不变的条件下，能减少拌和用水量的混凝土外加剂，大多属于阴离子表面活性剂，有木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛聚合物及聚羧酸等。减水剂主要作用如下：

（1）分散作用。水泥加水拌和后，由于水泥颗粒分子引力的作用，使水泥浆形成絮凝结构，使10%～30%的拌和水被包裹在水泥颗粒之中，不能参与自由流动和润滑作用，从而影响了混凝土拌和物的流动性。当加入减水剂后，由于减水剂分子能定向吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有同一种电荷（通常为负电荷），形成静电排斥作用，促使水泥颗粒相互分散，絮凝结构破坏，释放出被包裹部分水，参与流动，从而有效地增加混凝土拌和物的流动性。

（2）润滑作用。减水剂中的亲水基极性很强，因此水泥颗粒表面的减水剂吸附膜能与水分子形成一层稳定的溶剂化水膜，这层水膜具有很好的润滑作用，能有效降低水泥颗粒间的滑动阻力，从而使混凝土流动性进一步提高。

（3）空间位阻作用。减水剂结构中具有亲水性的支链，伸展于水溶液中，从而在所吸附的水泥颗粒表面形成有一定厚度的亲水性立体吸附层。当水泥颗粒靠近时，吸附层开始重叠，即在水泥颗粒间产生空间位阻作用，重叠越多，空间位阻斥力越大，对水泥颗粒间凝聚作用的阻碍也越大，使得混凝土的坍落度保持良好。

（4）接枝共聚支链的缓释作用。新型的减水剂如聚羧酸减水剂在制备的过程中，在减水剂的分子上接枝一些支链，该支链不仅可提供空间位阻效应，而且，在水泥水化的高碱度环境中，该支链还可慢慢被切断，从而释放出具有分散作用的多羧酸，这样就可提高水泥粒子的分散效果，并控制坍落度损失。

2.引气剂

高寒地区碾压混凝土的抗冻耐久性问题特别突出。不掺引气剂的混凝土，虽有1%～2%的含气量，但因含气量太低，对混凝土的抗冻耐久性提高不大。只有掺用适量的引气剂（或引气减水剂）后，使混凝土中含气量达到4%～6%，在硬化混凝土中形成均匀稳定的小气泡（直径为20～1000μm），其中大多是200μm以下的溶胶性气泡，这些溶胶性小气泡存在，才能提高混凝土的抗冻性和抗渗性。

引气剂的种类大致有3类：第一类是高级直接链表面活性剂，如十二烷基磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠，其具有很好的起泡能力，但泡沫稳定性差，形态极不规则（大泡多呈多面体状）。第二类是非离子型表面活性剂，其气泡的稳定性较差，引气效果不好。第三类是皂类表面活性剂，其起泡能力和稳定性都很好，特别是松香皂类表面活性剂，能产生均匀稳定的微气泡，因此，是我们首选的类型。

3.膨胀剂

膨胀剂是在混凝土和砂浆中引起体积膨胀的外加剂。它依靠本身的化学反应式与水泥中其他成分反应，在水泥水化、硬化过程中产生一定的膨胀，以补偿混凝土温降收缩，可有效地提高坝体混凝土的抗裂性和防渗能力。

混凝土膨胀剂可分为3大类：硫铝酸盐系（CSA）、石灰系、铁粉系膨胀剂。在三类膨胀剂中，第一类硫铝酸盐系（CSA）是C4A3S·CaO和CaSO4在水泥水化过程中局部水化生成钙矾石晶体产生膨胀，其膨胀量较大，试验表明其膨胀量随掺量的增加而增大，属早期膨胀型。第二类石灰系膨胀剂，主要由过烧的游离CaO和Mg O在水泥水化初期，水泥颗粒骨架间隙中生成凝胶状的Ca（OH）2和Mg（OH）2产生先期膨胀，接着生成硬化的Ca（OH）2和Mg（OH）2发生重结晶，开始后期膨胀，直到Ca（OH）2和Mg（OH）2结晶全部转化成大的异方形，六角形板状结晶才结束，其膨胀量较第一类小，但多为后期延迟性膨胀。第三类铁粉系是以高纯度的铁离子或以铁粉为主掺入离子型催化剂、氧化剂助剂配制而成的，主要是利用铁粉分散在水泥中，在水化过程中铁粉氧化使体积产生膨胀从而使混凝土膨胀，在水工混凝土中基本未用。

2.3.4　其他掺合料

1.石粉

在我国西部地区，粉煤灰产量较低，而可开发水电资源丰富，水利枢纽工程建设比较集中，对粉煤灰的需求量很大。因此，往往会出现粉煤灰紧缺，甚至工程附近根本没有粉煤灰的情况，为了满足碾压混凝土技术上的要求，不得不从很远的地区进行运输，经济成本太高，所以有些工程考虑用石粉代替部分粉煤灰。

石灰岩在我国分布广泛，并且只需要机械破碎，一些人工骨料的破碎过程中会产生大量的石粉，价格低廉，是目前应用较多的一种石粉。

石粉单独作为掺合料不仅可以填充混凝土孔隙，还可能对水泥水化、水化产物、孔结构和集料与浆体间界面过渡区等造成影响，进而影响混凝土工作性、强度、耐久性和体积稳定性。在复合掺合料中，石灰石粉作为惰性组分充分发挥其填充效应，另外一种或几种活性组分，通过石粉的分散作用，充分发挥其活性效应，保证掺合料具有足够的活性。

2.硅粉

硅粉又称硅灰，是铁合金厂在冶炼硅铁合金或者金属硅时，从烟尘中收集的一种飞灰。硅粉组成中，86%～96%是一种球状体，粒径1μm以下，平均粒径0.1μm左右，部分粒子凝聚成片状或者球状的粒子丛。硅灰的密度虽然为2.2g/cm3，但松散堆积密度却只有0.18～0.23g/cm3，其空隙率高达90%以上，这是因为在粒子丛中粒子与粒子或者粒子丛与粒子丛之间，也是非紧密接触的堆积，而是被吸附的空气层所填充。

硅粉独有的特征是其细度、高度的无定形性质以及高SiO2含量，使其适宜作为掺合料，代替一部分胶凝材料，而较小的球状硅粉则可以填充于水泥颗粒之间，使胶凝材料具有更好的级配，降低其标准稠度下的用水量。