劉世成,曹開偉,徐升才,王信剛,王 睿,朱街祿
(1.南昌大學工程建設學院,南昌 330031;2.江西中恒地下空間科技有限公司,南昌 330052; 3.南昌大學建筑與設計學院,南昌 330031)
21世紀以來,城市化建設開始向高層建筑、地下空間發展,這對基坑工程技術提出了更高的要求。基坑工程目前正向大面積、大深度方向發展,為滿足節約造價方面的需求以及適應城市環境復雜化,新型基坑支護方式應運而生,咬合樁便是其中之一[1]。與傳統的支護方式相比,咬合樁有著施工速度較快、擾動較小、止水防水好和工程造價低等優點[2]。咬合樁的排列方式為一根素混凝土樁(A樁)和一根鋼筋混凝土樁(B樁)間隔布置,施工時,需先施工A樁,在A樁混凝土初凝后、終凝前完成B樁的施工[3]。工程中,為保證B樁對A樁的切割順利進行,需運用超緩凝技術把A樁的凝結時間延長。
經過多年的發展,咬合樁在我國諸多城市的基礎建設工程中得到了大規模的應用[4],其技術和工藝成為當前研究重點。1999年,深圳地鐵工程部分深基坑采用了咬合樁支護結構,這是我國首次將咬合樁技術用于地鐵深基坑支護。該工程所用混凝土凝結時間超過了60 h,在實際施工中采用凝結時間如此長的混凝土,這在當時國內實屬罕見[5]。2006年,南京地鐵2號線深基坑圍護工程鉆孔咬合樁采用HLC-NAF2新型緩凝劑配制的超緩凝混凝土,通過優化配合比,合理調整摻量,配制出和易性良好、緩凝時間在60~80 h和強度達到設計要求的混凝土,一年中澆筑的超緩凝混凝土約20 000 m3,累計成型800余根樁,取得了良好的經濟效益[6]。石從黎等[7]研究了超緩凝混凝土的基本性能,并提出了對預拌混凝土超緩凝現象的判斷和處理方法,為今后處理預拌混凝土的超緩凝問題提供了技術參考。2014年,成都犀浦雙鐵站下穿隧道工程所用超緩凝混凝土的凝結時間大于60 h,且3 d抗壓強度不大于3 MPa,28 d抗壓強度達到設計值,工作性能滿足水下樁施工要求[4]。王芳利等[8]針對超緩凝混凝土易離析、凝結時間波動大和強度偏低三大問題進行研究分析,在配合比設計和生產工藝優化上,把傳統的外加劑單獨添加改為三種外加劑復合添加,通過不同組分之間的相互調配對超緩凝混凝土的不同性能實現定向控制,并將超緩凝混凝土成功應用于廣州地下軌道交通九號線四標的咬合樁及保利魚珠港底板澆筑中。
因此,研制出一種強度等級、流動性能和凝結時間等技術性質滿足要求且性能穩定的、用于軟切割的長螺旋咬合樁用超緩凝混凝土具有重要意義。目前,常用的緩凝劑分為無機緩凝劑和有機緩凝劑兩類:無機緩凝劑如三聚磷酸鹽、氧化鋅和硼砂等,能使混凝土的凝結時間延長50%~100%,緩凝效果不太穩定;而有機緩凝劑如檸檬酸、白糖、葡萄糖酸鈉和多元醇等,可將凝結時間延長100%以上,且原料廣泛,價格低廉,因此得到廣泛使用。沈焱等[9]通過試驗研究發現:葡萄糖酸鈉摻量在一定范圍內可以改善混凝土拌合物的和易性,降低含氣量,減小坍落度經時損失,延長凝結時間;若葡萄糖酸鈉摻量過高,則會導致混凝土抗壓強度降低或不凝。楊海平等[10]研究了白糖摻量對混凝土基本性能的影響,結果表明:白糖的摻入對控制坍落度損失有較好效果;隨著摻量的增加,混凝土的初凝時間先延長后縮短,早期抗壓強度均逐漸降低,但對混凝土最終強度無不良影響。然而,關于白糖與葡萄糖酸鈉及其二元體系、攪拌工藝對長螺旋咬合樁用超緩凝混凝土性能的研究卻鮮有報道。
本文圍繞長螺旋咬合樁用超緩凝混凝土技術指標(強度發展與凝結時間的匹配設計),研究了不同緩凝劑體系與制備工藝對長螺旋咬合樁用超緩凝混凝土的凝結時間、流動性、抗壓強度的影響,并通過環境掃描電子顯微鏡(ESEM)、總有機碳分析儀和等溫量熱儀從微觀形貌、緩凝劑吸附量以及水化歷程演變方面揭示了不同緩凝劑體系緩凝效果的差異性機理。本文的研究能夠為長螺旋咬合樁用超緩凝混凝土的實際工程應用提供理論指導與技術支撐。
水泥:采用南昌亞東水泥有限公司生產的洋房P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,主要化學成分見表1。
粉煤灰:采用江西鑫茂環保建材有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰,主要化學成分見表1。
細骨料:采用贛江河砂(中砂),各項性能指標見表2。
粗骨料:采用江西億昊實業發展有限公司生產的碎石,粒徑分布為5~25 mm,各項性能指標見表3。
外加劑:減水劑采用南昌科創建材有限公司生產的創新-B型聚羧酸減水劑,減水率為25%;減膠劑采用江西森浦科技有限公司生產的SP-7.0型減膠劑,減膠率為15%;緩凝劑(緩凝組分1采用華東化工有限公司生產的白糖(BT);緩凝組分2采用山東西王糖業有限公司生產的葡萄糖酸鈉,簡稱葡鈉(PN))。

表1 水泥和粉煤灰的主要化學組成Table 1 Main chemical composition of cement and fly ash

表2 細骨料的性能指標Table 2 Performance index of fine aggregate

表3 粗骨料的性能指標Table 3 Performance index of coarse aggregate
鑒于現有配合比設計規范中并無超緩凝混凝土的設計方法,且超緩凝混凝土與普通混凝土的主要區別在于凝結時間不同,所以在確定超緩凝混凝土配合比時,同樣依據普通混凝土的配合比設計方法,即依據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)中的設計原則。但由于超緩凝混凝土的強度明顯低于普通混凝土,故需要在原基礎上提高兩個強度等級設計配合比。
本文結合工程實際,原定混凝土強度等級為C30,現提高兩個強度等級,即按C40設計試驗。施工要求56 d抗壓強度滿足C40混凝土強度,且凝結時間和早期強度滿足以下兩種要求:(1)初凝時間為30~40 h,終凝時間為38~50 h,2 d抗壓強度不大于3 MPa;(2)初凝時間為60~75 h,終凝時間為70~84 h,3 d抗壓強度不大于3 MPa。
本試驗所用緩凝劑為BT和PN按質量比7 ∶3混合制得。按照水膠質量比0.37,減水劑摻量2.5%,減膠劑摻量0.6%,緩凝劑摻量0.26%~0.74%(本文中涉及到的減膠劑摻量、緩凝劑摻量以及減水劑摻量均指的是占膠凝材料總質量的百分比)設計超緩凝混凝土配合比,具體試驗設計如表4所示。

表4 C40超緩凝混凝土配合比Table 4 Mix ratio of C40 super-retarding concrete
一次攪拌試驗:首先將中砂和碎石按照上述配合比加入攪拌機中攪拌30 s;再加入水泥和粉煤灰攪拌30 s;將BT和PN按比例混合攪拌均勻,制得復合緩凝劑;最后將水、減水劑、減膠劑和復合緩凝劑加入攪拌機中攪拌60 s,制得超緩凝混凝土。
二次攪拌試驗:首先將中砂和碎石按照上述配合比加入攪拌機中攪拌30 s;再加入水泥和粉煤灰攪拌30 s;將水、減水劑和減膠劑加入攪拌機中攪拌60 s,并靜置1 h;然后將BT和PN按比例混合攪拌均勻,制得復合緩凝劑;最后將復合緩凝劑溶于少量水中,攪拌均勻,并加入攪拌機中攪拌60 s,制得超緩凝混凝土。
凝結時間測試:采用HG-80型混凝土貫入阻力儀測試超緩凝混凝土凝結時間。
流動性測試:參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)測試混凝土拌合物的坍落度、擴展度。
力學性能測試:采用LD43型抗壓抗折一體化試驗機,參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)測試標準養護2 d或3 d、7 d、14 d、28 d和56 d五個齡期的混凝土抗壓強度。當混凝土初凝時間在30~40 h時,測試其2 d抗壓強度;當混凝土初凝時間在60~75 h時,測試其3 d抗壓強度。
微觀形貌測試:采用離子濺射儀對水泥凈漿試塊進行噴金處理來增強試塊的導電性,再使用Quanta 200FEG型環境掃描電子顯微鏡(ESEM)對水泥凈漿試塊的微觀形貌進行觀測及分析。
吸附量測試:將1 g水泥加入到20 g質量濃度為0.31 g/L的緩凝劑溶液中,用磁力攪拌器(轉速為1 500 r/min)攪拌5 min、30 min、60 min、120 min,最后用離心機(轉速為2 800 r/min)離心5 min。用注射器取離心管上層清液經規格為0.22 μm的一次性有機濾器過濾,將過濾液作為樣品進行有機碳含量測試。采用日本島津TOC-L型總有機碳分析儀測定過濾液的有機碳含量以及吸附前緩凝劑溶液的有機碳含量。根據式(1)計算緩凝劑在水泥顆粒表面的吸附量(Q)。
(1)
式中:V為試樣體積,mL;C1為吸附前樣品質量濃度,mg/L;C2為吸附后樣品質量濃度,mg/L;m為水泥質量,g。
水化熱測試:按照表5所示配合比制備樣品,采用I-Cal 8000HPC型等溫量熱儀分析樣品7 d內的水化放熱情況。

表5 水化熱試驗配合比Table 5 Mix ratio of hydration heat test

續表
混凝土的凝結時間受多種因素的影響,如水泥品種、環境溫濕度、水灰比和外加劑等。本試驗研究了緩凝劑摻量和二次攪拌工藝對超緩凝混凝土凝結時間的影響。
2.1.1 緩凝劑摻量對凝結時間的影響
圖1為不同緩凝劑摻量對混凝土凝結時間的影響。由圖1中數據分析可得,不摻緩凝劑的混凝土初凝時間為4 h,終凝時間為9 h,隨著緩凝劑摻量的增加,混凝土的初凝時間和終凝時間均有所延長。當緩凝劑摻量為0.38%時,一次攪拌組初凝時間為31 h,終凝時間為46 h,較空白對照組分別延長了27 h和37 h,二次攪拌組初凝時間為34 h,終凝時間為50 h,較空白對照組分別延長了30 h和41 h,均滿足初凝時間為30~40 h,終凝時間為38~50 h的要求;當緩凝劑摻量為0.50%時,一次攪拌組初凝時間為61 h,終凝時間為78 h,較空白對照組分別延長了57 h和69 h,二次攪拌組初凝時間為65 h,終凝時間為84 h,較空白對照組分別延長了61 h和75 h,均滿足初凝時間為60~75 h,終凝時間為70~84 h的要求。
試驗表明緩凝劑的摻入對水泥水化有抑制作用,且緩凝劑摻量越大,抑制作用愈明顯[11]。當緩凝劑摻量為0.50%和0.62%時,對混凝土凝結時間的影響相對減小,但當緩凝劑摻量大于0.62%時,對混凝土凝結時間的影響又逐漸增大。
分析原因為:復合緩凝劑中白糖的羥基通過氫鍵作用在水泥顆粒形成水膜,阻礙了水泥水化,從而起到緩凝作用;葡鈉的羧基在水泥水化的堿性環境中與游離Ca2+發生反應,生成不穩定的絡合物,致使液相中Ca2+濃度降低,同時羥基也易與水分子結合,在水泥顆粒表面形成一層穩定的溶劑化水膜,從而抑制了水泥水化進程,延緩了水泥的凝結時間[12]。

圖1 混凝土凝結時間與緩凝劑摻量的關系Fig.1 Relationship between setting time of concrete and content of retarder
2.1.2 二次攪拌對凝結時間的影響
緩凝劑摻量為0.38%、0.50%時一次攪拌組與二次攪拌組混凝土凝結時間差如圖2(a)、(b)所示。當緩凝劑摻量為0.38%時,二次攪拌組的初凝時間,終凝時間和初、終凝時間差分別為30 h、70 h和40 h,較一次攪拌組提高了3 h、20 h和17 h;當緩凝劑摻量為0.50%時,二次攪拌組的初凝時間,終凝時間和初、終凝時間差分別為55 h、85 h和30 h,較一次攪拌組提高了5 h、6 h和1 h。
結合圖2中數據分析可得,同一緩凝劑摻量下,二次攪拌組的初凝時間,終凝時間和初、終凝時間差相較于一次攪拌組均有所延長。試驗表明,應用二次攪拌工藝制備超緩凝混凝土可進一步延長其凝結時間,更適用于咬合樁混凝土的拌和生產。

圖2 不同緩凝劑摻量混凝土的凝結時間差Fig.2 Setting time difference of concrete with different retarder content
試驗測試了超緩凝混凝土的初始坍落度和擴展度,以及靜置1 h后的坍落度和擴展度,試驗數據如表6所示。

表6 超緩凝混凝土的流動性Table 6 Flowability of super-retarding concrete
由表6中數據可以看出,各試驗組均有很好的流動性,坍落度和擴展度均滿足咬合樁施工要求。對比表中一次攪拌組(A1~A4)與二次攪拌組(A5~A8)的試驗數據可以看出二次攪拌組1 h坍落度和擴展度均大于一次攪拌組。試驗證明,二次攪拌工藝可提高混凝土的流動性。
將試驗測得的不同齡期下超緩凝混凝土抗壓強度繪制成點線圖,結果如圖3所示。
如圖3所示,不同緩凝劑摻量的超緩凝混凝土在不同的制備工藝下,抗壓強度都隨著養護齡期的增長而增大,且在3~7 d的強度增長更為顯著,而在7~56 d增長的趨勢相對緩慢。其中A0組在28~56 d的抗壓強度出現一個小幅度的增長,增長幅度為17.2%,56 d達到最高抗壓強度(66.2 MPa);A8組由于摻加了過多的緩凝劑,凝結時間過長,7 d時抗壓強度僅為0.2 MPa,該試驗組制得的超緩凝混凝土不滿足實際施工要求。
同一齡期下,隨著緩凝劑摻量的增加,混凝土強度逐漸降低。當緩凝劑摻量達到0.62%時,相較于A0組(空白對照組),A4組(一次攪拌組)56 d抗壓強度為45.2 MPa,降低幅度為31.7%;A7組(二次攪拌組)56 d抗壓強度為40.6 MPa,降低幅度為38.7%。分析原因為,緩凝劑的摻入抑制了水泥的水化反應,使混凝土抗壓強度增長緩慢[13]。對比分析A2組與A5組,A3組與A6組,A4組與A7組試驗數據可得,相同緩凝劑摻量下,不同齡期的二次攪拌組混凝土抗壓強度較一次攪拌組有少許降低,降低幅度在10%以內。
由圖3中各組試驗強度增長曲線可以看出,當緩凝劑摻量位于0.26%~0.50%時,混凝土3 d抗壓強度均小于3 MPa,且56 d抗壓強度大于40 MPa,滿足咬合樁施工要求。

圖3 不同齡期下超緩凝混凝土強度變化Fig.3 Strength variation of super-retarding concrete under different ages
圖4~圖7為不同緩凝劑摻量的水泥凈漿試塊在各齡期下的水化產物ESEM照片。

圖4 不同緩凝劑摻量的水泥凈漿水化1 d的ESEM照片Fig.4 ESEM images of cement paste with different retarder content hydration for 1 d

圖5 不同緩凝劑摻量的水泥凈漿水化2 d的ESEM照片Fig.5 ESEM images of cement paste with different retarder content hydration for 2 d
分析圖4~圖7中空白對照試驗組在不同齡期時的微觀形貌:水化1 d時,形狀不規則的鈣礬石(AFt)和水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠交錯生長(見圖4(a));水化2 d時,有長桿狀AFt生長,試塊整體不致密,孔隙較多(見圖5(a));水化7 d時,有大量絮狀C-S-H凝膠,其顆粒尺寸較小,比表面積大,與AFt和氫氧化鈣(CH)晶體相互交錯咬合形成立體網狀結構,試塊整體孔隙減小,抗壓強度增長較快(見圖6(a));水化28 d時,水化產物緊密包裹在粉煤灰表面,整體結構相對致密,具有較高的抗壓強度(見圖7(a))。
緩凝劑摻量為0.38%和0.50%的試驗組,水化1 d時,有較多CH晶體和少許短桿狀AFt生長,且隨著緩凝劑摻量的增加而增加(見圖4(b)~(c));水化2 d時,水泥石縫隙中有大量短桿狀AFt生成,在水化過程中形成大量短桿狀AFt,有可能對水泥石力學性能的發展產生不利影響(見圖5(b)~(c))[14];水化7 d時,兩組試樣中,均在短柱狀AFt周圍有大量絮狀C-S-H凝膠生成(見圖6(b)~(c));水化28 d時,在摻0.38%緩凝劑的試樣中,有長桿狀AFt出現,但在摻0.5%緩凝劑的試樣中,仍主要為短柱狀AFt和C-S-H凝膠,無明顯長桿狀AFt生成(見圖7(b)~(c))。

圖6 不同緩凝劑摻量的水泥凈漿水化7 d的ESEM照片Fig.6 ESEM images of cement paste with different retarder content hydration for 7 d

圖7 不同緩凝劑摻量的水泥凈漿水化28 d的ESEM照片Fig.7 ESEM images of cement paste with different retarder content hydration for 28 d
對比分析同一齡期下各緩凝劑摻量的試塊水化產物ESEM照片可以看出,隨著緩凝劑摻量的增加,未參與水化的膠凝材料逐漸增多。通過對水泥水化產物的分析得出,緩凝劑的摻入促進了短柱狀AFt的生成,該產物不利于C-S-H凝膠的生成,進而影響水泥石的強度發展[15],試驗證明該緩凝劑有明顯地抑制水泥水化的作用。

圖8 緩凝劑的吸附量隨時間的變化Fig.8 Change of adsorption amount of retarder with time
本試驗探究了白糖、葡鈉以及二者按7 ∶3(質量比)復合添加對水泥顆粒吸附作用的影響。
緩凝劑的吸附量隨時間的變化如圖8所示,其中“白糖-葡鈉,代號BT/PN-1”為白糖和葡鈉按質量比7 ∶3制成復合緩凝劑,并與水泥同時加水攪拌;“白糖-葡鈉后摻,代號BT/PN-2”為水泥加水攪拌1 h后,再加入復合緩凝劑,并繼續攪拌。
根據圖8可知,水泥顆粒表面對緩凝劑的吸附量隨著水化時間的延長逐漸增大,0~60 min吸附量增長速度較快,60 min后吸附量趨于平緩,出現吸附平臺。這是因為水泥顆粒表面吸附緩凝劑存在吸附平衡,60 min之前未達到吸附平衡點,60 min之后緩凝劑在水泥顆粒表面的吸附趨于飽和,因此,吸附量會慢慢趨于平緩[16]。白糖、葡鈉、白糖-葡鈉以及白糖-葡鈉后摻在水泥顆粒表面的平衡吸附量分別為0.421 mg/g、0.772 mg/g、0.546 mg/g、0.245 mg/g。
從圖8中可以看出,葡鈉在水泥顆粒表面的吸附量遠大于白糖的吸附量,由于不同的緩凝劑會相互競爭吸附在水泥顆粒表面,因此將白糖與葡鈉同時加入到水泥凈漿中會產生競爭吸附現象,使得緩凝劑白糖-葡鈉在水泥顆粒表面的吸附量小于葡鈉的吸附量,大于白糖的吸附量。此外,緩凝劑白糖-葡鈉后摻在水泥顆粒表面的吸附量大于白糖-葡鈉的吸附量,這是因為隨著時間的推移,水泥顆粒表面已發生部分水化反應,對緩凝劑的吸附量減小[17-18]。當緩凝劑加入到水泥漿中,其分子結構中的極性基團通過吸附在水泥顆粒表面形成吸附層,阻礙了水分子與水泥的進一步接觸[19-20],抑制了C3A、C3S的水化,減少了水化產物生成量,延緩了水泥的水化進程,從而起到緩凝作用。由于白糖-葡鈉后摻時緩凝劑吸附量最大的C3A、C4AF已部分水化,水泥與水親合后在水泥顆粒表面形成一層穩定的水膜,削弱了對緩凝劑的吸附力,這時緩凝劑必須擠過水膜才能滲入水泥表面,使水泥顆粒對緩凝劑的吸附量減小[17]。因此不同緩凝劑在水泥顆粒表面的吸附能力強弱順序為:葡鈉>白糖-葡鈉>白糖>白糖-葡鈉后摻。
水化熱的放熱速率、放熱峰值及總放熱量均可直觀反映水泥的水化進程[21-23]。本試驗旨在探究緩凝劑摻量對水泥水化作用的影響。不同緩凝劑摻量下,水泥-粉煤灰膠凝材料體系的水化放熱特性曲線如圖9所示。

圖9 水泥-粉煤灰膠凝材料體系的水化放熱特性曲線Fig.9 Hydration heat release characteristics curves of cement-fly ash cementitious material system
從圖9(a)可看出,純水泥的誘導期在1.5 h結束,當摻入緩凝劑后,誘導期不斷延長,且摻量越大,誘導期越長。純水泥的水化放熱最高峰在22 h左右,摻入緩凝劑使水泥水化的放熱峰延后,放熱峰降低以及寬度增大[24-25],且水泥水化作用隨緩凝劑摻量的增加而增強,當緩凝劑摻量達到0.74%時,放熱峰的出現時間已超過7 d。緩凝劑抑制了C3A、C3S的水化,降低了水化產物的形成速度,從而抑制了水泥的水化作用,延后了水化放熱峰。
由圖9(b)可知,隨著時間的增加,累計放熱量逐漸增加,水化放熱速率先增大后減小[26]。摻入粉煤灰和緩凝劑均明顯降低了純水泥的水化放熱量,緩凝劑摻量為0%、0.26%、0.38%、0.50%、0.62%和0.74%的水泥-粉煤灰膠凝材料體系72 h水化放熱總量較純水泥分別降低18.3%、25.4%、36.0%、84.3%、92.3%和94.1%。同一時間段內,水泥水化放熱總量隨緩凝劑摻量的增加而減少[24]。
(1)A2組(一次攪拌,緩凝劑摻量為0.38%)和A5組(二次攪拌,緩凝劑摻量為0.38%)的初凝時間為30~40 h,終凝時間為38~50 h,2 d抗壓強度小于3 MPa,56 d抗壓強度大于40 MPa。A3組(一次攪拌,緩凝劑摻量為0.50%)和A6組(二次攪拌,緩凝劑摻量為0.50%)的初凝時間為60~75 h,終凝時間為70~84 h,3 d抗壓強度小于3 MPa,56 d抗壓強度大于40 MPa。
(2)混凝土的凝結時間隨著緩凝劑摻量的增加而延長;混凝土不同齡期的抗壓強度隨著緩凝劑摻量的增加而降低,且緩凝劑摻量不得高于0.74%。
(3)同一齡期、同一緩凝劑摻量下,二次攪拌工藝有助于延長混凝土的凝結時間,改善混凝土拌合物的流動性,但會略微降低混凝土的抗壓強度。二次攪拌工藝更適用于超緩凝混凝土的制備。
(4)白糖與葡萄糖酸鈉在水泥顆粒表面上存在競爭吸附,且葡萄糖酸鈉的競爭吸附效應強于白糖。不同緩凝劑體系在水泥顆粒表面的吸附能力強弱順序為:葡萄糖酸鈉>白糖-葡萄糖酸鈉>白糖>白糖-葡萄糖酸鈉后摻。
(5)摻入緩凝劑會抑制水泥的水化作用,且隨著緩凝劑摻量的增加,對水泥水化的抑制作用逐漸增強。
本文僅探究了超緩凝混凝土在56 d內的強度發展規律,而對于長期老化的超緩凝混凝土的力學性能,還需要繼續深入研究;本文采用二次攪拌制備工藝,若應用于工程實際,則還需要對混凝土攪拌設備進行技術改造。