人工砂配制水下不分散混凝土的研究及工程应用

曹明峰，王洪刚，刘新波

（胜利油田营海实业集团有限公司，山东 东营 257087）

人工砂配制水下不分散混凝土的研究及工程应用

曹明峰，王洪刚，刘新波

（胜利油田营海实业集团有限公司，山东 东营 257087）

用人工砂替代河砂制备水下不分散混凝土，经过试验研究及工程实例应用，分析了水下不分散混凝土试配的实用方案以及今后的发展方向。

水下不分散混凝土；人工砂；絮凝剂；泵送施工

0 前言

水下浇筑混凝土可省去为创造干地施工条件所必须围堰等的工程费用，进行水下混凝土的浇筑的混凝土必须具有良好的絮凝性能，做到混凝土不分散，减少外界水的进入，避免混凝土强度的大幅度降低。良好的原材料质量是配制水下不分散混凝土的重要条件，尤其是絮凝剂的选择与细骨料的质量。随着国内水下不分散混凝土的研究和使用的逐步加深，在絮凝剂的研究成果方面已经取得较好的成绩，本次研究选用中石油天然气集团 UWB-II 型絮凝剂，其絮凝剂在国内水下不分散混凝土的使用中质量可靠。随着河砂开采的限制，高质量河砂严重缺乏，人工砂配制水下不分散混凝土的研究和使用越来越具有实际意义及紧迫性。

1 关于人工砂使用存在的问题

人工砂基于人工机械破碎，在表面光滑度上较河砂差，相对于河砂配制混凝土流动性较差，在水下不分散混凝土的泵送中易产生堵管现象，要改善混凝土的使用性能，就需要进行砂率等参数的调整，但是在混凝土配比设计中，通常认为砂率变化易对混凝土强度造成影响，由于机制砂的特性，在进行水下不分散混凝土的配比设计与试验中，必然要进行砂率的较大幅度调整。

2 工程概况及重点

实际应用工程为胜利油田东营港新服务交通码头，浇筑方式为自卸与泵送共用。设计强度等级为 C25，引气含量要求 4% 以上，满足水下免振捣，达到自密实效果。自卸方量4300m³，泵送方量 600m³。

由于实例工程与混凝土厂家距离较远，混凝土流动性保持对泵送性能及导管水下输送具有关键性影响。海水的涨落潮造成混凝土冲刷，尤其在混凝土终凝之前的冲刷会造成表面保护层脱落，影响混凝土耐久性；为此，能够保持混凝土的远距离运输保证流动性满足泵送需求，加快终凝用于保护混凝土免受冲刷，将直接影响混凝土的使用与质量。

3 试验方案制定

3.1 砂率变化对强度的影响

根据砂率变化制定对比实验，配料方案见表1。试验结果及分析见表2。

表1 对比试验内容

表2 对比试验结果

由试验结果可以看到，水上试验成型与水下试验成型强度与砂率变化关系不明显，是由于在较低强度混凝土中，由于水泥浆本身具有较高的强度，在同一水灰比的情况下，导致砂率变化对混凝土强度的影响较小[1]，所以在本次试验中可以通过较大范围的调整砂率以满足混凝土性能要求，并做到水下强度与水上强度比满足：7d 大于 0.6；28d 大于 0.7[2]；混凝土含气量稳定。

3.2 混凝土流动性保持与凝结时间的解决

混凝土流动性要满足 2h 内坍落度损失小于 20mm，扩展度损失小于 20mm，和易性良好为最佳；水上初凝时间控制在 6h 以上，避免不可预知故障造成长时间未进行卸料，混凝土初凝，造成搅拌车运输的成本过高；为满足海水涨落潮，水下浇筑后终凝控制在 12h 以内，在保护混凝土与水结合面的同时，也可以应用于自卸类型工程的浇筑；满足以上条件的情况下可以进行远距离运输施工，加大商品性水下不分散混凝土用于远距离工程的可行性。

（1）采用对比实验，进行矿物掺合料的调整配料方案，见表3。

表3 矿物掺合料对比试验内容

（2）矿物掺合料变化对流动性变化与凝结时间的影响结果与分析，见表4 与表5。

表4 矿物掺合料使用对流动性变化试验结果与分析

由表4 的结果显示：矿粉的掺加对混凝土流动性变化影响较小，可以满足使用要求；粉煤灰对混凝土流动性变化影响较大，不适合在水下不分散混凝土中使用，并且在入水成型过程中表面浮浆过多，絮凝剂不能有效的发挥作用；矿粉、粉煤灰双掺使用对混凝土流动性变化影响较大，不适合进行较远距离运输使用，并且产生少量表面浮浆，不适合水流较大的工程使用。

表5 矿粉掺加对凝结时间影响的结果与分析

由表5 的结果表明：水上初凝时间过短，不能满足运输条件，水下终凝时间过长，在涨落潮过程中，水流的冲刷易造成表面保护层散失，影响耐久性使用；矿粉的使用对凝结时间影响不大，可以适当使用于配合比设计中。

（3）针对凝结时间问题，需增加调凝剂与缓凝剂的使用，用于增加初凝时间，缩短终凝时间，采用实验方案见表6。

（4）调整凝结时间结果与分析，见表7。

结果显示：絮凝剂、调凝剂、缓凝剂的同时使用没有出现不适应性，并且具有良好保坍作用；随着缓凝剂用量增加，初凝时间逐渐增加，在掺加量为 0.24 变化不再明显；随着调凝剂用量的增加，终凝时间逐渐缩短，在掺量 2.3 以上时，变化不再明显。所以，缓凝剂的最高掺加量为 0.24，调凝剂的最高掺量为 2.3；缓凝剂最佳掺量为 0.20 至 0.24，调凝剂的最佳掺量为 2.0 至 2.2。

3.3 有效试验强度结果及分析

有效试验强度结果及分析见表8。

表6 调节凝结时间配料方案

表7 试验结果

表8 有效试验强度结果

试验强度结果均符合标准水下强度与水上强度比：7d 大于 0.6，28d 大于 0.7；混凝土 7d 与 28d 强度均符合设计强度要求。

结合成本因素，选用 K6、K7、K8 配料方案进行泵送施工；自卸施工在投石基础上施工，施工状况良好，投石缝隙浇筑完成后实际填充效果良好，落潮后回弹值良好；泵送施工通过水下模板固定，水深 4.5m（落潮）至 5.5m（涨潮），导流管道进行导流入水，后期观测表面平整，无露石现象，并且自密实效果良好；施工水温为 18～26℃；选择海水流速7m/s 以内时进行施工。

4 研究结论

（1）人工砂在应用于水下不分散混凝土中具有切实可行性，并且在较低强度下，砂率的变化对强度无较大影响，在实际生产中，可以根据人工砂及石子粒径变化，较大范围的进行砂率调整。

（2）人工砂的使用不影响水下不分散混凝土的浇筑施工，掺入矿物掺合料，其流动性可以满足自密实性能。

（3）矿粉作为矿物掺合料可以实际应用于水下不分散混凝土的配合比设计，并且可以根据成本核算及标准规范要求进行适量使用。

（4）粉煤灰不适合用于水下不分散混凝土配制，但是在应用矿粉与粉煤灰双掺时，在运输使用小于1h，浇筑类型为自卸时，可以使用，同时需在满足水流速极低或静止水面的条件下，可以少量掺加，并且需经试验验证；海水中不可以使用掺粉煤灰水下不分散混凝土，易受涨落潮影响，造成表面保护层受到破坏，耐久性降低。

（5）絮凝剂与调凝剂、缓凝剂的适应性良好，并且具有良好的保坍性能，根据气温变化进行掺量调整，可以进行初凝与终凝时间的控制，达到良好的施工质量，不影响机制砂与矿粉在配合比中的设计使用。

（6）通过对当地原材料的适用性调整，为原材料多变情况下的水下不分散混凝土的配料方案方向有了一定指导作用。

[1] 何锦云，李瑞璟，王继宗．砂率对砼和易性及强度影响的试验研究[J]．河北建筑科技学院学报，2002,12(19): 27-29．

[2] Q/SY 1092—2009．中国石油天然气集团公司企业标准[S].

［通讯地址］东营市东营区西四路 958 号（257087）

Research and engineering application on the concrete of underwater non-dispersion with artificial sand

Cao Mingfeng, Wang Honggang, Liu Xinbo
(SLOF Yinghai Industry Group Co., Ltd., Shandong Dongying 257087)

The underwater non-dispersion concrete was manufactured of artificial sand. The paper analyzed the concrete practical test program and the development by the testing research and engineering practice.

non-dispersible underwater concrete; man-made sand; flocculant; puming construction;

曹明峰（1986—），助理工程师，从事混凝土生产试验研究。