陳衛(wèi)濤

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院，天津 300000)

1 試驗(yàn)概述

傳統(tǒng)水下混凝土主要是針對(duì)靜水環(huán)境下施工，混凝土的強(qiáng)度也相對(duì)低，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海底隧道、跨江、跨海大橋等深水區(qū)域的施工越來(lái)越多，相應(yīng)的對(duì)混凝土的流動(dòng)性、抗分散性、強(qiáng)度和耐久性要求越來(lái)越高。深水區(qū)水下混凝土施工能否順利進(jìn)行一方面取決于配套的施工裝備技術(shù)，另一方面取決于混凝土自身的抗分散性能和高流動(dòng)性的協(xié)調(diào)一致，現(xiàn)有的抗分散劑在深水區(qū)不能完全滿足工程要求。

目前所研制的抗分散劑的主劑大部分是水溶性纖維素醚或水溶性丙烯酸類的聚合物[1]。中國(guó)石油天然氣總公司工程技術(shù)研究院生產(chǎn)的UWB系列抗分散劑，其中分為緩凝型、普通型、早強(qiáng)型、雙快型、注漿型以及高性能型[2]。丁慶軍[3]等通過(guò)快硬硫鋁酸鹽水泥，高效減水劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑及抗水分散劑制備出適合水下施工的抗分散灌漿材料；劉昌國(guó)和李冬梅[4-5]也以快硬硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料開(kāi)發(fā)出水下快速施工材料。

本文選取不同分子量、不同摻量的聚丙烯酰胺PAM以及不同摻量的減水劑(PC)，對(duì)水泥凈漿和砂漿的擴(kuò)展度、透明度(水的清澈程度)、pH、濁度(水的渾濁程度)、抗壓強(qiáng)度、水陸強(qiáng)度比(在空氣中澆注與水下澆注成型混凝土的強(qiáng)度比值)進(jìn)行性能分析。通過(guò)試驗(yàn)研究首先確定絮凝劑的最佳分子量，絮凝劑與減水劑的適應(yīng)性和摻量?jī)?yōu)化，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用于混凝土中，測(cè)試其擴(kuò)展度、抗分散性以及抗壓強(qiáng)度，確定水下不分散混凝土抗分散劑的最佳摻量和組成。

所用試驗(yàn)原材料：水泥，冀東水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含泥量0.9%，表觀密度2.35 kg·m-3；粉煤灰，陽(yáng)邏Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度18%，燒失量3.4%；減水劑，保定金鐘制藥有限公司聚羧酸減水劑；聚丙烯酰胺，分子量分別為800萬(wàn)(AP8)、1 600萬(wàn)(AP16)和2 000萬(wàn)(AP20)，市售；拌和水：自來(lái)水。

2 水下不分散混凝土抗分散劑的配制

2.1 PAM對(duì)水泥凈漿的影響

2.1.1 PAM對(duì)水泥凈漿擴(kuò)展度的影響

為初步確定PAM的適宜分子量和摻量，測(cè)試了不同分子量和不同摻量的PAM對(duì)水泥凈漿擴(kuò)展度的影響，結(jié)果如圖1所示。試驗(yàn)中PC和PAM摻量分別為水泥質(zhì)量的0.5%和0.1%～1.0%。

圖1 水泥凈漿擴(kuò)展度

由圖1得出：相同分子量的PAM在PC摻量相同時(shí)，隨著PAM摻量的增加，水泥凈漿擴(kuò)展度逐漸降低；相同摻量的PAM在分子量不同時(shí)，隨著PAM分子量的增加，水泥凈漿擴(kuò)展度逐漸降低。AP8和AP20隨著摻量的增加，其水泥凈漿擴(kuò)展度變化均較小；AP16對(duì)水泥凈漿擴(kuò)展度的變化較大，即AP16的摻量對(duì)水泥凈漿擴(kuò)展度的影響較大。

2.1.2 PAM對(duì)水泥凈漿抗分散性的影響

進(jìn)行透明度試驗(yàn)，以觀察透明玻璃杯中水泥凈漿拌和物的變化，杯中的水越渾濁，其抗分散性越差，相反其抗分散性好。

由表1得摻加AP8和AP20的水泥凈漿的透明度均較差，即AP16摻量為0.3%、0.5%時(shí)，水泥凈漿透明度試驗(yàn)中燒杯內(nèi)透明度好，即抗分散性較好。

表1 水泥凈漿透明度

2.2 PAM對(duì)砂漿抗分散性能的影響

為進(jìn)一步明晰PAM的最佳分子量和摻量，進(jìn)行砂漿抗分散性能試驗(yàn)，結(jié)合工程需要，砂漿的水灰比為0.48。

2.2.1 水泥砂漿抗分散試驗(yàn)

砂漿抗分散性的透明度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果得，在AP16摻量是0.5%時(shí)，隨著PC摻量的增加，杯中的水未變渾濁，說(shuō)明具有很好的抗分散性，且不會(huì)隨著PC的摻量增加而改變，表明PC與AP16的相容性良好。

表2 水泥砂漿外加劑摻量與透明度關(guān)系

砂漿的pH值和濁度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，也表明當(dāng)AP16摻量為0.5%時(shí)，砂漿的pH值和濁度均是最小值，進(jìn)一步證明AP16最佳摻量是0.5%。當(dāng)PC摻量一定時(shí)，隨著AP16摻量的增加，砂漿的pH值和濁度均降低，因?yàn)镻AM具有好的絮凝效果；當(dāng)AP16摻量一定時(shí)，隨著PC摻量的增加，砂漿的pH值和濁度均增大，主要是PC改善了砂漿的流動(dòng)性。

表3 砂漿抗分散性試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 水泥砂漿擴(kuò)展度分析

試驗(yàn)中不摻加PAM和PC時(shí)，水泥砂漿的擴(kuò)展度為112 mm；當(dāng)AP16的摻量為0.5%時(shí)，PC的用量對(duì)水泥砂漿流動(dòng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。AP16摻量為0.5%時(shí)，水泥砂漿的抗分散性能良好，所以拌制混凝土?xí)r，以PC的摻量為2.0%進(jìn)行混凝土相關(guān)性能試驗(yàn)。

表4 砂漿擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 水泥砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)

為進(jìn)一步明晰AP16摻量對(duì)硬化砂漿強(qiáng)度影響規(guī)律，測(cè)試了7 d砂漿的水陸強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示。從表中可以看出隨著AP16摻量的增加，水泥砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度均增大，主要原因是砂漿的流動(dòng)性滿足施工要求：隨絮凝劑摻量增加，水泥的流失量在降低，相應(yīng)的強(qiáng)度在增加。試驗(yàn)結(jié)果也表明當(dāng)PC摻量為2%、AP16摻量為0.45%時(shí)，水泥砂漿的抗折和抗壓水陸強(qiáng)度比均最大。

表5 水泥砂漿抗折抗壓強(qiáng)度

由以上分析可得，AP16摻量為0.45%時(shí)其抗分散性、流動(dòng)性能和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，也有利于節(jié)約成本。

2.3 水下不分散混凝土試驗(yàn)分析

按照C40混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行混凝土拌和，模仿實(shí)際工程中的導(dǎo)管法施工(如圖2所示)，選取了800 mm×600 mm×800 mm 的透明樹(shù)脂板加工水箱，通過(guò)1根空心的PVC管將混凝土澆入水深為450 mm試模中。水溫保持20±1 ℃，澆筑完成1 h時(shí)，將試模取出對(duì)試件表面抹平后再放回水中，24 h時(shí)拆模將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

為滿足不同施工環(huán)境對(duì)抗分散性能要求，根據(jù)水泥凈漿和砂漿的試驗(yàn)結(jié)果，PC摻量為2.0%，調(diào)整AP16的用量為0.40%、0.45%、0.50%、0.55%。根據(jù)《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL5117-2000)，水泥、砂子、石子、水的摻量分別為4.0 kg、6.975 kg、10.24 kg、2.6 kg(拌制15 L的用量)。

圖2 模擬導(dǎo)管法水下澆筑示意圖

2.3.1 水下不分散混凝土擴(kuò)展度

各組混凝土擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可知，PC摻量為2%時(shí)，混凝土擴(kuò)展度隨著AP16摻量的增加而降低；當(dāng)AP16摻量大于0.45%時(shí)，混凝土的流動(dòng)度明顯降低，且不能滿足設(shè)計(jì)要求。摻量為0.40%時(shí)，在裝模振動(dòng)過(guò)程中混凝土有輕微的泌水現(xiàn)象，原因是PC用量過(guò)多或者振搗時(shí)間太長(zhǎng)導(dǎo)致的泌水，因此水下不分散混凝土的AP16摻量需小于0.45%。

表6 混凝土擴(kuò)展度與AP16摻量關(guān)系

2.3.2 水下不分散混凝土抗壓強(qiáng)度

水下混凝土成型試模尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，水下成型24 h標(biāo)養(yǎng)，所測(cè)結(jié)果如表7所示，其中粉煤灰摻量為水泥質(zhì)量的百分比。由表7可得，當(dāng)粉煤灰摻量為12%～15%，隨著粉煤灰摻量的增加，水下不分散混凝土的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度增大，pH值、濁度均降低。當(dāng)粉煤灰摻量大于17%，隨著粉煤灰摻量的增加，水下不分散混凝土的流動(dòng)度增大，pH值、濁度均增大，抗壓強(qiáng)度降低，所以粉煤灰的摻量應(yīng)低于17%。

表7 不同粉煤灰摻量的水下不分散混凝土性能檢測(cè)指標(biāo)

在粉煤灰摻量確定后，AP16摻量對(duì)混凝土抗分散性和強(qiáng)度結(jié)果如表8所示。從表8可得：隨著AP16摻量的增加，水下不分散混凝土的抗壓強(qiáng)度增加，pH值、濁度均降低，抗分散性越好，在水中養(yǎng)護(hù)7 d強(qiáng)度發(fā)展快。當(dāng)聚丙烯酰胺摻量大于0.45%時(shí)，混凝土拌和物的擴(kuò)展度不符合設(shè)計(jì)要求；由結(jié)果得，AP16摻量不小于0.45%時(shí)，具有良好的抗分散性。因此在配制混凝土?xí)r候應(yīng)選擇分子量為1 600萬(wàn)的聚丙烯酰胺作為絮凝劑，摻量為0.45%。

表8 AP16摻量變化下水下不分散混凝土的性能檢測(cè)指標(biāo)

3 結(jié)論

(1) 固定PC的摻量為0.5%，拌制水下抗分散水泥凈漿，通過(guò)對(duì)擴(kuò)展度和抗分散性對(duì)比分析，得出AP16的摻量為0.3%和0.5%時(shí)，所配制出的水泥凈漿具有良好抗分散性和流動(dòng)性。

(2) 以水泥砂漿為基體，驗(yàn)證并調(diào)整AP16和PC的摻量，證實(shí)AP16的摻量為0.5%、PC的摻量為2%時(shí)，拌制的水泥砂漿具有良好的抗分散性和擴(kuò)展度。

(3)AP16為抗分散劑、摻量為0.45%，PC摻量為2.0%，粉煤灰的摻量為17%，水泥、砂子、石子、水的摻量分別為4.0 kg、6.975 kg、10.24 kg、2.6 kg時(shí)，水下不分散混凝土的抗分散性、流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度均能滿足要求。