C40 超緩凝自密實水下防擴散混凝土*

葉鴻宏，班錄江，柯旭，何凱，路東義

（中建西部建設貴州有限公司，貴州 貴陽 550004）

1 背景

貴陽市龍洞堡在建的龍洞堡國際機場三期擴建工程T3 航站樓，根據 B3 區詳勘報告及施工勘察報告，共有近 30 根超過 70 米的超長樁，部分超長樁基甚至超過100 米，這是國內外少有的水下超長樁基施工。同時，施工地質條件復雜，具有 4～64 米深的未夯實素土回填層及分布有大量的泥夾石、溶洞及巖溶裂隙。地下水主要有巖溶裂隙水，賦存于灰巖溶洞、溶孔及風化裂隙中；局部地段含少量上層滯水，賦存于素填土內。在如此復雜的地質條件下進行超長樁基施工對混凝土的性能要求極大，需要混凝土具有優良的工作性、抗水下沖刷性、水下防擴散性、水下自密實性及超長的凝結時間、超長的工作性保持時間（保塑時間）。根據上述要求急需開發一種 C40 超緩凝自密實水下防擴散混凝土。

在將來的幾十年里，對海洋的開發、研究及大量水工工程的建設，水下施工將是一種重要的探索途徑，因此，除了要求高性能混凝土的質量更高外，施工工藝要求簡便、易操作，經濟性好，且對環境無污染、節能減排[1]。普通混凝土在水下施工時存在許多不可預見的問題，而水下不分散混凝土是在新拌混凝土拌合物中摻加一種新型的天然高分子聚合物——水下抗分散劑，以提高新拌拌合物的黏聚性、保水性，從而在根源上解決了普通混凝土水下施工所遇到的易分散、離析、砂石分離等問題[2]。而水下抗分散劑是一種長鏈狀結構的高分子聚合物，它在膠凝材料微粒之間起到表面活化和架橋作用，混凝土中的水溶性線性高分子通過化學鍵與部分拌和水結合，并以相應的形式存在于拌和水中，水化所需膠凝材料被束縛于聚合物的薄膜結構里，從而把膠凝材料保護起來不讓其受到外界水分子的沖刷而分散[3]，實踐證明，水下抗分散劑是配制水下不分散混凝土中膠凝材料中必不可少的材料，也是配制水下不分散混凝土最關鍵的技術措施[4]。據 Sonebi 和 Khayat[5-6]等人的文獻可知，常用的水下不分散劑的主要成分為改性絮凝劑、蛋白質及其衍生物，同 Ⅱ 級粉煤灰、磨細礦渣、硅灰、超緩凝劑、萘磺酸鹽和外加劑等共同參與反應。我國從 1980 年代開始對水下不分散混凝土進行相關研究，已有 30 年的研究和開發歷程，在眾多領域得到了廣泛的應用[7-9]。

2 試驗原材料及試驗方法

2.1 原材料

（1）水泥 C：貴州省紅獅牌 P·O42.5 級水泥。

（2）粉煤灰 F：粉煤灰采用 F 類Ⅱ級，粉煤灰燒失量小于 3.0%，銨根離子檢測時，無大量氣泡產生。

（3）硅灰 Si：采用加密硅灰或全加密硅灰，28d活性≥120%，比表面積大于 18000m2/kg，需水量比小于 105%。

（4）細骨料 S：細骨料為機制砂，宜選用質地堅硬、級配良好的機制砂，細度模數 2.5～3.0 的中砂，石粉含量在 5.0%～12.0% 之間，機制砂篩分析中，篩孔邊長為 2.36mm 的篩余量不宜大于 30%，砂 MB 值應≤0.8。

（5）粗骨料 G：粗骨料為機制碎石，宜選用表面干凈、質地堅硬、級配良好的 5～25mm 機制碎石，機制碎石的針片狀含量小于 5.0%。

（6）水 W：拌和用水采用自來水。

（7）絮凝劑 X：由中國建材所研制的抗分散劑。

（8）外加劑 A：選擇質量穩定、溫度敏感性低的含有超緩凝組分的聚羧酸系效減水劑。在 5～35℃ 溫度內，外加劑的性能應無明顯變化。應滿足混凝土的工作性、填充性、強度、耐久性要求，其減水率宜大于40%。緩凝時間應滿足施工要求及工作性保持時間（保塑時間），具體指標由試驗確定。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗參照標準

DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土試驗規程》；DL/T 5330—2015《水工混凝土配合比設計規程》；CCES.02—2004《自密實混凝土設計與施工指南》。

2.2.2 混凝土的攪拌

準確稱量并加入試驗所需的砂、石、水泥、粉煤灰、硅灰、一半用水量，將聚羧酸高效減水劑一并加入攪拌機，待攪拌均勻后，加入一半用水量，使其攪拌2min，再加入配制好的水下抗分散劑，攪拌時常較普通混凝土多 2min。

2.2.3 水下不分散混凝土的成型方法

水箱：設置刻度線控制為高度 450mm，往水箱中注入自來水，水溫為 (20±5)℃。將水下成型用的試模緩慢置于水箱正中間位置，將水沒過試模頂部 150mm處，將攪拌好的水下不分散混凝土拌合物一次性從水面處向水中讓其自由落入試模中，投料應連貫，拌合物應超出試模表面。將試模從水中取出，用木錘輕敲擊試模兩側面促進排水，靜置 2～3min，使混凝土自流平、自密實而達到平穩狀態，然后將其放回水中，初凝之前用抹刀收光平整表面，到相應齡期后拆模，放到水中進行養護，達到齡期進行測試。

2.2.4 水下不分散混凝土的基準配合比

混凝土配合比依據 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》、JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》、GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計規范》進行設計。水膠比的選擇應同時滿足混凝土強度和耐久性、自密實性要求。按照 JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》中的 5.2 節計算，要求水膠比宜低于 0.40。

膠凝材料用量根據經驗選 540～580kg/m3，膠凝材料組成根據混凝土所要求的工作性、強度、耐久性及其它性能選取，同時滿足施工環境的要求。水膠比、膠凝材料用量、用水量由試驗確定，單方用水量宜為190～200kg/m3。砂率由試驗確定。通大量的試驗，最終得到基礎配合比，見表 1。

表1 混凝土基礎配合比 kg/m3

說明：絮凝劑廠家推薦絮凝劑單方用量宜為膠材總量的 1%～3%，絮凝劑的不同品種及用量，會直接影響用水量及外加劑用量，所以在確定基礎配合比時外加劑用量及用水量不確定。

3 試驗結果及討論

3.1 水下不分散混凝土絮凝劑種類的確定

使用不同種類的絮凝劑，并對比其對混凝土性能的影響，結果見表 2。

表2 絮凝劑種類對混凝土性能的影響

UWB-I 型絮凝劑所引起的氣泡，通過外加劑無法消除，故不適用。UWB-III 稠度大，不利于施工，不適用。綜合考慮，選擇 UWB-II 型絮凝劑。

3.2 水下不分散混凝土絮凝劑單方用量確定

分別加入 0、6%、8%、10%、12% 的 UWB-II 型絮凝劑，確定絮凝劑用量。混凝土的配合比及性能試驗結果見表 3 和表 4。

表3 絮凝劑單方用量確定

表4 絮凝劑用量對混凝土工作性能的影響

（1）絮凝劑摻量對混凝土抗分散性的影響

圖1 所示的是水灰比對混凝土抗分散性的影響情況（A1、A2、A3、A4 和 A5 試件）。可以看出，絮凝劑的摻量越大，其水泥流失量越少，水下抗分散性越好，強度越高。這是因為，水膠比越小，且在加入了一定量的水下抗分散劑后，使粉料的黏度增大、增大與漿體與骨料之間的粘接力，既可以防止拌合物離析，又可以在早期養護防止水分過分流失，有利于水泥水化，從而能夠提高混凝土的密實度，但是摻量有著極限值，摻量在6%～10% 較為合適。

圖1 水灰比對混凝土抗分散性的影響

由表 3、4 可知，絮凝劑用量增加，會影響混凝土的不分散性及水陸強度比。6%～10% 絮凝劑的用量就可以滿足施工需要。10% 絮凝劑用量最佳，但應調整外加劑，使其單方用量下降。

3.3 外加劑的對調整混凝土凝結時間、保塑時間的研究

為了保證有充足的施工時間，需要混凝土的初凝時間比普通混凝土要長，通過對外加劑的研究復配超緩凝外加劑，超緩凝劑來源于兩個不同的廠家，分別是西卡超緩凝劑及中興南友超緩凝劑，超緩劑與其他外加劑復合在一起使用。結果見表 5。可以看出，通過外加劑的調整，適當的延長混凝土的凝結時間即保塑時間，并且對混凝土后期強度影響小。

表5 兩種超緩凝劑與其它外加劑復合使用

4 結論

（1）混凝土強度受水下不分散摻量影響較大，當水下抗分散劑摻量在 6%～10% 時，強度可以得到保證，利于施工。

（2）外加劑對于水下抗分散有很大的影響，外加劑有利于改善水下抗分散混凝土的工作性，提高其抗壓強度。

（3）抗壓強度隨著水膠比的降低而顯著提高，水膠比越小，水下抗分散性越好、相應的耐久性也會得到提升。