減水劑和抗分散劑在水下混凝土中的應用研究

楊英英

(撫順市水利勘測設計研究院有限公司,遼寧 撫順 113000)

0 引 言

近年來,我國深水區域的跨海、跨江大橋、海底隧道等工程項目不斷增多,對混凝土的強度、耐久性、抗分散性和流動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性與抗分散性的協調一致性,還與配套裝備、施工技術有關,而現有抗分散劑已無法滿足深水區特別是動水環境下的施工要求[1]。

我國最早于20世紀80年代開始研制水下不分散混凝土,如姜從盛等使用有機減水保塌落劑、無機材料、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,其強度和流動度損失較小;丁慶軍等采用早強劑、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,對于水下施工表現出良好的可行性;孫振平等試驗探討了消泡劑、絮凝劑、硅灰、高效減水劑對水下混凝土力學性能的影響作用,結果表明強度等級相同時抗分散明顯優于普通混凝土的耐久性;馮愛麗等試驗分析了不同抗分散劑對混凝土性能的影響,結果顯示摻纖維素類抗分散劑混凝土低于丙烯類的28d強度,但前者的流動性更好[2-5]。

水下不分散性混凝土研究不僅要考慮工藝技術和施工環境,還要分析抗分散劑與原材料之間的協調性;靜水條件下與施工現場測定的抗分散性往往存在差異,為研制出適用于復雜環境的抗分散劑必須選擇動水試驗環境,經多次調整試配確定最優配合比[6]。同時,由于宏觀測試時間較長,混凝土試配和調整工作量大,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,通過測試砂漿和水泥凈漿的水陸強度比、抗壓強度、pH值、濁度、透明度、擴展度等參數確定抗分散劑的最佳分子量,并結合減水劑與抗分散劑的適應性分析結果,將其用于水下不分散混凝土的配制,通過測定混凝土抗壓強度、抗分散劑以及擴展度等參數確定在混凝土中的最優摻量。

1 試驗材料

試驗選用盾石牌P·O42.5級水泥,標稠用水量27.0%,比表面積335m2/kg;鞍山熱電廠生產的磨細Ⅱ級粉煤灰,細度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,抗分散劑為市場上購買的分子量為2000萬、1500萬和900萬的聚丙烯酰胺;拌和水使用當地自來水。

2 結果與分析

2.1 對水泥凈漿的影響

1)水泥凈漿擴展度。為確定抗分散劑的最優摻量與分子量,研究分析了水泥凈漿擴展度隨抗分散劑摻量和分子量的變化特征。本試驗以等質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,試驗結果如圖1所示。

圖1 水泥凈漿擴展度

從圖1可以看出,固定減水劑摻量條件下,水泥凈漿擴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900萬和2000萬抗分散劑的水泥凈漿擴展度變化較小,而分子量1500萬出現明顯改變,說明水泥凈漿擴展度受分子量1500萬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,試驗結果如表1所示。

表1 水泥凈漿透明度

由表1可知,分子量為900萬和2000萬抗分散劑的水泥凈漿透明度較差,摻0.4%、0.6%分子量為1500萬抗分散劑的水泥凈漿透明度好,說明該組具有較好的抗分散性。

2.2 對砂漿抗分散性的影響

通過砂漿試驗進一步確定抗分散劑的適宜摻量及分子量,考慮水下工程特點設定砂漿水膠比為0.50。

1)水泥砂漿抗分散性。采用透明度試驗測定砂漿抗分散性,結果如表2所示。試驗表明,摻0.6%分子量為1500萬抗分散劑時,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發生明顯改變,這說明分子量為1500萬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

試驗測定砂漿濁度與pH值如表3所示,結果表明摻0.6%分子量為1500萬抗分散劑時,砂漿的濁度與pH值均最小,再次表明分子量為1500萬抗分散劑的最優摻量為0.6%。固定減水劑摻量時,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揮著較好的絮凝作用;固定抗分散劑摻量時,砂漿濁度和pH值均隨著減水劑用量的提高而增大,這是因為增大減水劑使得砂漿流動性明顯改善。

表3 水泥砂漿濁度與pH值

2)水泥砂漿擴展度。不摻減水劑和抗分散劑條件下,水泥凈漿擴展度達到110mm。摻0.6%分子量為1500萬抗分散劑時,水泥砂漿流動度受減水劑摻量的影響如表4所示。試驗表明,摻0.6%分子量為1500萬抗分散劑的水泥砂漿具有較好的抗分散性,在研究混凝土相關性能時推薦減水劑摻量為2.0%。

表4 砂漿擴展度值

3)水泥砂漿強度。為揭示硬化砂漿強度受分子量為1500萬抗分散劑摻量的影響作用,試驗測定7d水陸砂漿強度,即在水下和空氣中澆筑的試件強度,如表5。

表5 水泥砂漿強度

由表5可知,砂漿強度隨著分子量為1500萬抗分散劑摻量的增加而增大,砂漿能夠滿足流動性要求;水泥的流失量隨抗分散劑摻量的增大而減小,強度逐漸增大。另外,摻0.55%分子量為1500萬抗分散劑、摻2%減水劑時,砂漿的抗壓和抗折水陸強度比達到最高。

綜上分析,摻0.55%分子量為1500萬抗分散劑能夠滿足砂漿強度、流動性和抗分散性要求,也可以降低一定的材料成本。

2.3 對水下不分散混凝土的影響

試驗配制強度等級C40混凝土,為模擬導管施工法,將透明樹脂板加工成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,試驗中控制水溫(20±2)℃。澆筑1h后取出試模,抹平試件表面并放水水中,靜置24h拆模移入標養室養護。

為保證水下不分散混凝土性能,結合砂漿與水泥凈漿試驗數據,設定減水劑摻量2%,分子量為1500萬抗分散劑摻量為0.50%、0.55%、0.60%、0.65%。依據《水下不分散混凝土試驗規程》進行混凝土的拌和、成型和養護,試驗配制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)混凝土擴展度。試驗表明,摻0.50%、0.55%、0.60%、0.65%分子量為1500萬抗分散劑所配制的混凝土擴展度分別為452mm、435mm、386mm和357mm。因此,隨著分子量為1500萬抗分散劑摻量的增大混凝土擴展度逐漸減小;抗分散劑摻量超過0.55時拌和物流動度快速減小,無法滿足施工要求。摻0.50%抗分散劑時,拌和物因裝模振動出現輕微泌水,這是由于振搗時間過長或減水劑摻量太高所引起的,所以分子量為1500萬的抗分散劑摻量≤0.55%[10]。

2)混凝土強度。將拌和物水下澆筑成型制成邊長150mm的立方體試件,并測定各組試件的主要性能指標,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,增大粉煤灰摻量使得試件強度和流動度均有所提升,但濁度和pH值逐漸減小;摻量達到18%以上時,拌合物流動度隨粉煤灰摻量的進一步增加明顯提升,濁度和pH值也明顯增大,抗壓強度降低,因此水下不分散混凝土中的粉煤灰摻量≤18%。

通過對比發現,混凝土抗壓強度隨著分子量為1500萬抗分散劑摻量的增加而增大,而濁度和pH值有所下降,這說明抗分散劑摻量越高拌和物抗分散性越好,并且早期強度發展較快。結合以上試驗數據,抗分散劑摻量≥0.55%時的抗分散性較好。因此,采用分子量為1500萬抗分散劑配制水下不分散混凝土時的最優摻量為0.55%。另外,本試驗所配制的水泥凈漿、砂漿對于修復水下結構具有一定的優勢,可以為解決水下異型、薄壁、窄小等特殊部位無法使用普通方法修補的難題提供一定參考[11-13]。

3 結 論

1)摻0.6%減水劑情況下,通過測定水泥凈漿的抗分散性和擴展度發現,摻0.4%和0.6%分子量為1500萬抗分散劑配制的水泥凈漿流動性、抗分散性較好。

2)采用水泥砂漿試驗進一步優化減水劑和分子量為1500萬抗分散劑摻量,結果表明摻2%減水劑、0.6%抗分散劑配制的水泥砂漿擴展度和抗分散性較好。

3)混凝土試驗表明,摻18%粉煤灰、2%減水劑和0.55%分子量為1500萬抗分散劑,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度、流動性和抗分散性最優,主要性能指標符合施工技術要求。