減水劑和抗分散劑在水下混凝土中的應(yīng)用研究

楊英英

(撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 撫順 113000)

0 引 言

近年來(lái),我國(guó)深水區(qū)域的跨海、跨江大橋、海底隧道等工程項(xiàng)目不斷增多,對(duì)混凝土的強(qiáng)度、耐久性、抗分散性和流動(dòng)性的要求也逐漸提高。水下混凝土能否順利施工既取決于其自身高流動(dòng)性與抗分散性的協(xié)調(diào)一致性,還與配套裝備、施工技術(shù)有關(guān),而現(xiàn)有抗分散劑已無(wú)法滿足深水區(qū)特別是動(dòng)水環(huán)境下的施工要求[1]。

我國(guó)最早于20世紀(jì)80年代開(kāi)始研制水下不分散混凝土,如姜從盛等使用有機(jī)減水保塌落劑、無(wú)機(jī)材料、聚丙烯酰胺和苯乙烯聚合物配配制出的C40水下不分散混凝土具有較好抗分散性,其強(qiáng)度和流動(dòng)度損失較小;丁慶軍等采用早強(qiáng)劑、快硬硫鋁酸鹽水泥、抗分散劑、減水劑和緩凝劑配制的灌漿材料,對(duì)于水下施工表現(xiàn)出良好的可行性;孫振平等試驗(yàn)探討了消泡劑、絮凝劑、硅灰、高效減水劑對(duì)水下混凝土力學(xué)性能的影響作用,結(jié)果表明強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)抗分散明顯優(yōu)于普通混凝土的耐久性;馮愛(ài)麗等試驗(yàn)分析了不同抗分散劑對(duì)混凝土性能的影響,結(jié)果顯示摻纖維素類抗分散劑混凝土低于丙烯類的28d強(qiáng)度,但前者的流動(dòng)性更好[2-5]。

水下不分散性混凝土研究不僅要考慮工藝技術(shù)和施工環(huán)境,還要分析抗分散劑與原材料之間的協(xié)調(diào)性;靜水條件下與施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的抗分散性往往存在差異,為研制出適用于復(fù)雜環(huán)境的抗分散劑必須選擇動(dòng)水試驗(yàn)環(huán)境,經(jīng)多次調(diào)整試配確定最優(yōu)配合比[6]。同時(shí),由于宏觀測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng),混凝土試配和調(diào)整工作量大,為提高研制效率以及降低投入成本必須選用適合的方法[7-9]。鑒于此,文章采用不同摻量的減水劑和抗分散劑,通過(guò)測(cè)試砂漿和水泥凈漿的水陸強(qiáng)度比、抗壓強(qiáng)度、pH值、濁度、透明度、擴(kuò)展度等參數(shù)確定抗分散劑的最佳分子量,并結(jié)合減水劑與抗分散劑的適應(yīng)性分析結(jié)果,將其用于水下不分散混凝土的配制,通過(guò)測(cè)定混凝土抗壓強(qiáng)度、抗分散劑以及擴(kuò)展度等參數(shù)確定在混凝土中的最優(yōu)摻量。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用盾石牌P·O42.5級(jí)水泥,標(biāo)稠用水量27.0%,比表面積335m2/kg;鞍山熱電廠生產(chǎn)的磨細(xì)Ⅱ級(jí)粉煤灰,細(xì)度21.5%,比表面積380m2/kg,燒失量3.2%;渾河中砂,含泥量0.7%,吸水率1.05%,表觀密度2480kg/m3;鞍山鵬程混凝土外加劑廠提供的聚羧酸高效減水劑,抗分散劑為市場(chǎng)上購(gòu)買的分子量為2000萬(wàn)、1500萬(wàn)和900萬(wàn)的聚丙烯酰胺;拌和水使用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)水泥凈漿的影響

1)水泥凈漿擴(kuò)展度。為確定抗分散劑的最優(yōu)摻量與分子量,研究分析了水泥凈漿擴(kuò)展度隨抗分散劑摻量和分子量的變化特征。本試驗(yàn)以等質(zhì)量替代水泥的方式摻入0.1%～1.0%的抗分散劑和0.6%的減水劑,試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 水泥凈漿擴(kuò)展度

從圖1可以看出,固定減水劑摻量條件下,水泥凈漿擴(kuò)展度隨同一分子量抗分散劑摻量的增加不斷下降;固定抗分散劑摻量條件下,水泥凈漿擴(kuò)展度隨抗分散劑分子量的增加不斷下降。隨著抗分散劑摻量的逐漸增大,分子量900萬(wàn)和2000萬(wàn)抗分散劑的水泥凈漿擴(kuò)展度變化較小,而分子量1500萬(wàn)出現(xiàn)明顯改變,說(shuō)明水泥凈漿擴(kuò)展度受分子量1500萬(wàn)抗分散劑摻量的影響顯著。

2)水泥凈漿抗分散性。采用透明度試驗(yàn)觀察水泥凈漿拌和物在透明玻璃杯中的變化情況,杯中水越清澈則抗分散性越好,反之則越差,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 水泥凈漿透明度

由表1可知,分子量為900萬(wàn)和2000萬(wàn)抗分散劑的水泥凈漿透明度較差,摻0.4%、0.6%分子量為1500萬(wàn)抗分散劑的水泥凈漿透明度好,說(shuō)明該組具有較好的抗分散性。

2.2 對(duì)砂漿抗分散性的影響

通過(guò)砂漿試驗(yàn)進(jìn)一步確定抗分散劑的適宜摻量及分子量,考慮水下工程特點(diǎn)設(shè)定砂漿水膠比為0.50。

1)水泥砂漿抗分散性。采用透明度試驗(yàn)測(cè)定砂漿抗分散性,結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)表明,摻0.6%分子量為1500萬(wàn)抗分散劑時(shí),杯中水未隨著減水劑摻量的增大而變得渾濁,表明該條件下的抗分散性較好,且增大減水劑摻量也不會(huì)發(fā)生明顯改變,這說(shuō)明分子量為1500萬(wàn)的抗分散劑與外加劑具有良好的相容性。

表2 水泥砂漿透明度

試驗(yàn)測(cè)定砂漿濁度與pH值如表3所示,結(jié)果表明摻0.6%分子量為1500萬(wàn)抗分散劑時(shí),砂漿的濁度與pH值均最小,再次表明分子量為1500萬(wàn)抗分散劑的最優(yōu)摻量為0.6%。固定減水劑摻量時(shí),砂漿濁度和pH值均隨著抗分散劑摻量的增加而減小,這是由于抗分散劑發(fā)揮著較好的絮凝作用;固定抗分散劑摻量時(shí),砂漿濁度和pH值均隨著減水劑用量的提高而增大,這是因?yàn)樵龃鬁p水劑使得砂漿流動(dòng)性明顯改善。

表3 水泥砂漿濁度與pH值

2)水泥砂漿擴(kuò)展度。不摻減水劑和抗分散劑條件下,水泥凈漿擴(kuò)展度達(dá)到110mm。摻0.6%分子量為1500萬(wàn)抗分散劑時(shí),水泥砂漿流動(dòng)度受減水劑摻量的影響如表4所示。試驗(yàn)表明,摻0.6%分子量為1500萬(wàn)抗分散劑的水泥砂漿具有較好的抗分散性,在研究混凝土相關(guān)性能時(shí)推薦減水劑摻量為2.0%。

表4 砂漿擴(kuò)展度值

3)水泥砂漿強(qiáng)度。為揭示硬化砂漿強(qiáng)度受分子量為1500萬(wàn)抗分散劑摻量的影響作用,試驗(yàn)測(cè)定7d水陸砂漿強(qiáng)度,即在水下和空氣中澆筑的試件強(qiáng)度,如表5。

表5 水泥砂漿強(qiáng)度

由表5可知,砂漿強(qiáng)度隨著分子量為1500萬(wàn)抗分散劑摻量的增加而增大,砂漿能夠滿足流動(dòng)性要求;水泥的流失量隨抗分散劑摻量的增大而減小,強(qiáng)度逐漸增大。另外,摻0.55%分子量為1500萬(wàn)抗分散劑、摻2%減水劑時(shí),砂漿的抗壓和抗折水陸強(qiáng)度比達(dá)到最高。

綜上分析,摻0.55%分子量為1500萬(wàn)抗分散劑能夠滿足砂漿強(qiáng)度、流動(dòng)性和抗分散性要求,也可以降低一定的材料成本。

2.3 對(duì)水下不分散混凝土的影響

試驗(yàn)配制強(qiáng)度等級(jí)C40混凝土,為模擬導(dǎo)管施工法,將透明樹(shù)脂板加工成800mm×600mm×800mm的水箱,將新拌混凝土沿空心PVC管澆筑到400mm水深的試模內(nèi),試驗(yàn)中控制水溫(20±2)℃。澆筑1h后取出試模,抹平試件表面并放水水中,靜置24h拆模移入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)。

為保證水下不分散混凝土性能,結(jié)合砂漿與水泥凈漿試驗(yàn)數(shù)據(jù),設(shè)定減水劑摻量2%,分子量為1500萬(wàn)抗分散劑摻量為0.50%、0.55%、0.60%、0.65%。依據(jù)《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行混凝土的拌和、成型和養(yǎng)護(hù),試驗(yàn)配制15L混凝土所需水、水泥、砂、碎石用量為2.8kg、4.2kg、7.0kg和10.1kg。

1)混凝土擴(kuò)展度。試驗(yàn)表明,摻0.50%、0.55%、0.60%、0.65%分子量為1500萬(wàn)抗分散劑所配制的混凝土擴(kuò)展度分別為452mm、435mm、386mm和357mm。因此,隨著分子量為1500萬(wàn)抗分散劑摻量的增大混凝土擴(kuò)展度逐漸減小;抗分散劑摻量超過(guò)0.55時(shí)拌和物流動(dòng)度快速減小,無(wú)法滿足施工要求。摻0.50%抗分散劑時(shí),拌和物因裝模振動(dòng)出現(xiàn)輕微泌水,這是由于振搗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或減水劑摻量太高所引起的,所以分子量為1500萬(wàn)的抗分散劑摻量≤0.55%[10]。

2)混凝土強(qiáng)度。將拌和物水下澆筑成型制成邊長(zhǎng)150mm的立方體試件,并測(cè)定各組試件的主要性能指標(biāo),如表6所示。

表6 水下不分散混凝土性能

由表6可知,摻14%～16%粉煤灰時(shí),增大粉煤灰摻量使得試件強(qiáng)度和流動(dòng)度均有所提升,但濁度和pH值逐漸減小;摻量達(dá)到18%以上時(shí),拌合物流動(dòng)度隨粉煤灰摻量的進(jìn)一步增加明顯提升,濁度和pH值也明顯增大,抗壓強(qiáng)度降低,因此水下不分散混凝土中的粉煤灰摻量≤18%。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),混凝土抗壓強(qiáng)度隨著分子量為1500萬(wàn)抗分散劑摻量的增加而增大,而濁度和pH值有所下降,這說(shuō)明抗分散劑摻量越高拌和物抗分散性越好,并且早期強(qiáng)度發(fā)展較快。結(jié)合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù),抗分散劑摻量≥0.55%時(shí)的抗分散性較好。因此,采用分子量為1500萬(wàn)抗分散劑配制水下不分散混凝土?xí)r的最優(yōu)摻量為0.55%。另外,本試驗(yàn)所配制的水泥凈漿、砂漿對(duì)于修復(fù)水下結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢(shì),可以為解決水下異型、薄壁、窄小等特殊部位無(wú)法使用普通方法修補(bǔ)的難題提供一定參考[11-13]。

3 結(jié) 論

1)摻0.6%減水劑情況下,通過(guò)測(cè)定水泥凈漿的抗分散性和擴(kuò)展度發(fā)現(xiàn),摻0.4%和0.6%分子量為1500萬(wàn)抗分散劑配制的水泥凈漿流動(dòng)性、抗分散性較好。

2)采用水泥砂漿試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化減水劑和分子量為1500萬(wàn)抗分散劑摻量,結(jié)果表明摻2%減水劑、0.6%抗分散劑配制的水泥砂漿擴(kuò)展度和抗分散性較好。

3)混凝土試驗(yàn)表明,摻18%粉煤灰、2%減水劑和0.55%分子量為1500萬(wàn)抗分散劑,水、水泥、砂、碎石用量為2.8kg、4.2kg、7.0kg和10.1kg,該條件下配制的水下不分散混凝土抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)性和抗分散性最優(yōu),主要性能指標(biāo)符合施工技術(shù)要求。