铝酸盐水泥基水下灌浆材料的制备及性能表征

袁春燕

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

随着深海探索与南海岛礁的建设，混凝土材料越来越广泛的应用于水下工程。普通混凝土在水环境中直接浇筑时，会受到水的影响而产生分离、水泥流失，导致强度和耐久性下降，并且还会引起环境污染。传统的围堰隔水法施工工艺复杂、工期长，工程成本成倍增加，且难以保证水下灌浆材料的质量。絮凝剂可使混凝土材料各组分黏聚在一起，遇水不离析、水泥不流失、自流平、自密实，无须振捣，从而实现混凝土在水中的直接浇灌，可保证混凝土质量。

铝酸盐水泥因具有快硬、高强、耐高温等优点，被广泛用于紧急军事工程、抢修工程以及冬季施工工程，但铝酸盐水泥因晶型转变会导致强度倒缩、凝结时间延长。研究发现普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏三种胶凝材料按一定比例复合(三元体系)具有凝结时间短、流动性强、早期强度高的性能[1-2]。丁汝茜[3]认为三元胶凝体系中铝酸盐水泥∶普通硅酸盐水泥∶二水石膏= 85%∶4%∶11%时，三元体系力学性能、流动性能及抗倒缩性能最佳。

本文针对兴泉铁路六角宫水库中桥深水斜岩地质桩基及承台施工中出现水下混凝土灌浆料凝结速度慢、不密实、强度低、耐久性差等问题，选用铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和二水石膏三元胶凝体系，拟研制出一种新型快硬、早强、易于施工的水下混凝土灌浆材料，力争能使水下桩基及承台顺利施工。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

铝酸盐水泥：登电集团水泥有限公司生产；普通硅酸盐水泥：福建大田新岩水泥有限公司生产的P.O 42.5；二水石膏：山东鑫旺博新材料有限公司生产，纯度96%；聚丙烯酰胺(PAM)：阴离子型，分子量为1 000万，广东首信环保科技有限公司生产；羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)：市售，标称粘度100 000 mPa·s；UWB-Ⅱ型抗分散剂：中国石油集团工程技术研究院制；缓凝剂：葡萄糖酸钠，苏州市米达化工有限公司生产；减水剂：聚羧酸高效减水剂，保定金钟制药有限公司生产，减水率20%；细骨料：河砂，细度模数2.7，含泥量0.9%，表观密度2 600 kg/m3；粗骨料：粒径为5～20 mm连续级配，含泥量0.5%，表观密度2 680 kg/m3；水：自来水。

1.2 试验方案

选用铝酸盐水泥∶普通硅酸盐水泥∶二水石膏质量比为85%∶4%∶11%，掺加不同絮凝剂(PAM、HPMC、UWB-Ⅱ)制备三元胶凝体系砂浆，测试砂浆流动性、抗分散性及抗压强度，选择工作性最优的絮凝剂，并确定其最佳掺量；然后应用于水下混凝土，测试不同水灰比时水下混凝土的流动性、抗分散性及抗压强度，选出最佳水灰比，最终制备出快硬、早强、易于施工且工作性良好的水下灌浆材料。

2 试验结果及讨论

2.1 三元体系铝酸盐水泥基砂浆性能研究

2.1.1 絮凝剂对三元体系砂浆流动性的影响

砂浆流动性试验结果如图1所示，由图可知，铝酸盐水泥基砂浆流动性随PAM及UWB-Ⅱ掺量的增加先提高后降低，随HPMC掺量的增加而降低，且掺加UWB-Ⅱ的砂浆流动性高于掺加PAM砂浆的流动性；PAM与HPMC在相同掺量时，掺加PAM的砂浆流动性高于掺加HPMC砂浆的流动性。当PAM掺量为胶凝材料质量的0.4%时，砂浆流动性达到最佳；UWC-Ⅱ掺量为胶凝材料质量的2.5%时，砂浆流动性达到最佳；掺加HPMC时，即使很小的掺量都会使砂浆流动性降低。

2.1.2 絮凝剂对砂浆抗分散性的影响

三元体系砂浆通过水后水样的浊度表征砂浆抗分散性，抗分散性试验结果如图2所示。

由图2可知，无论何种絮凝剂的掺入都会使砂浆通过水后水样的浊度降低。PAM与HPMC相同掺量时，掺加HPMC砂浆抗分散性优于掺加PAM的砂浆抗分散性，掺加UWB-Ⅱ的砂浆抗分散性优于掺加HPMC砂浆的抗分散性。当抗分散性达到《水下不分散混凝土试验规程》(DL/T 5117-2000)规定的浊度(小于150 NTU)时，PAM与HPMC的掺量均为胶凝材料质量的0.6%，UWB-Ⅱ的掺量为胶凝材料质量的2.5%。

根据砂浆流动性及抗分散性试验可知，当掺加PAM及HPMC的砂浆流动性良好时，其砂浆抗分散性不符合规范要求；当UWC-Ⅱ掺量为胶材质量的2.5%时，砂浆流动性及抗分散性均良好，且符合规范要求。此外，根据市场调查，PAM20元/kg，HPMC120元/kg，UWB-Ⅱ15元/kg，HPMC及PAM成本高。根据砂浆流动性及抗分散性试验及成本控制选用UWB-Ⅱ作为水下灌浆材料的絮凝剂。

2.2 水灰比对三元铝酸盐水泥基混凝土性能的影响

选用不同水灰比制备水下不分散混凝土，测试其流动性、抗分散性及抗压强度，选出最佳水灰比，并测试其凝结时间，混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比设计

2.2.1 对混凝土流动性的影响

混凝土坍落度及坍扩度表征混凝土的流动性，其变化趋势如图3所示。

由图3可知，三元体系铝酸盐水泥基混凝土流动性随水灰比的增加而提高。当水灰比为0.35及0.39时，混凝土坍落度与坍扩度均无法满足规范要求；当水灰比为0.43时，坍落度及坍扩度均可满足规范要求；水灰比为0.47时，混凝土出现泌水现象，无法满足工程应用。

图1 絮凝剂对砂浆流动性的影响 图2 絮凝剂对砂浆抗分散性的影响 图3 不同水灰比时混凝土的流动性

2.2.2 对混凝土抗分散性的影响

三元体系混凝土通过水后水样的浊度及pH值表征不同水灰比混凝土的抗分散性，其试验结果如图4所示。

由图4可知，三元体系铝酸盐水泥基混凝土抗分散性随水灰比的增大而降低。当水灰比为0.35及0.39时，浊度分别为为43 NTU、95 NTU，水样非常清晰，pH值均小于12，满足规范要求，抗分散性良好，但其流动性无法满足规范要求，水下混凝土无法达到自流平自密实的要求。当水灰比为0.43时，混凝土抗分散性及流动性均可满足规范要求；当水灰比为0.47时，混凝土流动性良好，但抗分散性差易发生离析。

图4 不同水灰比时混凝土抗分散性

2.2.3 对混凝土抗压强度的影响

测试了不同水灰比、不同龄期、不同成型条件时三元铝酸盐基混凝土的抗压强度，其试验结果如图5所示。

图5 不同水灰比时三元铝酸盐水泥基混凝土抗压强度

由图5可知，水中成型及陆地成型的三元铝酸盐水泥基混凝土7 d及28 d抗压强度均随水灰比的增加而降低。水灰比为0.35及0.39时，陆地成型与水中成型的混凝土抗压强度均较高，水陆强度比均满足规范(DL/T 5117-2000)规定的7 d水陆强度比大于60%、28 d水陆强度比大于70%的要求，但由于流动性较差，无法实现水下的直接浇筑自流平要求。水灰比为0.43时，水中成型混凝土试块的28 d抗压强度可达49.2 MPa，强度等级可达C40混凝土，且水陆强度比满足规范要求。但水灰比为0.47时，因水中成型时混凝土离析，胶凝材料流失，水中成型及陆地成型的混凝土7 d及28 d抗压强度均较低，无法满足设计要求。

2.3 缓凝剂对三元铝酸盐水泥基混凝土性能的影响

2.3.1 对混凝土工作性能的影响

由于此类水下混凝土在动水及深水时无法直接浇筑，应采用导管法辅助施工，相对而言施工时间跨度大，然而铝酸盐水泥凝结时间短，在较长的施工时间段内，无法保持良好的塑性，故掺加缓凝剂延缓凝结时间，以达到工程应用的要求。

根据上述试验结果选用水灰比为0.43、掺量2.5%UWB-Ⅱ为絮凝剂，掺加葡萄糖酸钠作为缓凝剂。葡萄糖酸钠既可以延缓混凝土凝结时间，又可增加混凝土的可塑性和强度。制备的三元体系混凝土配合比为：胶材∶水∶砂∶石子=500∶175∶639∶1 064(kg/m3)，减水剂1.5%，葡萄糖酸钠掺量分别为0.5%,1.0%,1.5%,和2.0%。测试的凝结时间、流动性、浊度和pH值结果如图6所示。

由图6(a)知，铝酸盐水泥基混凝土的凝结时间随缓凝剂掺量的增加而显著延长。当缓凝剂掺量为0.5‰时，混凝土初凝时间为2 h20 min，终凝时间为24 h40 min，无法满足规范(DL/T 5117-2000)规定的水下混凝土初凝时间大于5 h的施工要求。当缓凝剂掺量为1‰时，混凝土初凝时间为5 h10 min，终凝时间为29 h20 min，可满足规范规定的初凝时间大于5 h、终凝时间小于30 h的施工要求。当缓凝剂掺量超过1‰时，混凝土终凝时间超过30 h，无法满足规范要求。由图6(b)知，铝酸盐水泥基混凝土流动性随缓凝剂掺量的增加而提高。当缓凝剂掺量为0～1‰时，混凝土坍落度及坍扩度均可满足规范要求；当缓凝剂掺量超1‰时，混凝土流动过快，会导致水下浇筑过程中混凝土离析。

图6 缓凝剂对三元铝酸盐水泥基混凝土性能的影响

由图6(c)知，铝酸盐水泥基混凝土抗分散性随缓凝剂掺量的增加而降低。当缓凝剂掺量为0～1‰时，混凝土浊度及pH值均可满足要求，抗分散性良好。当缓凝剂掺量超过1‰时，混凝土抗分散性显著下降，在浇筑过程中易造成水泥流失。

2.3.2 对混凝土抗压强度的影响

根据上述试验，选用葡萄糖酸钠掺量为胶凝材料的1‰作为最佳掺量，制备三元铝酸盐水泥基混凝土并测其抗压强度，试验结果如表2所示。

由表2知，陆地及水中成型的三元铝酸盐水泥基混凝土早期(7 d)抗压强度均随缓凝剂掺量的增加而略有降低；后期(28 d)抗压强度随缓凝剂掺量的增加而提高，且掺量越高，对强度的提高越明显，但缓凝剂掺量不宜过大，掺量过大时，缓凝时间过长，由于水分的蒸发和散失会使混凝土内部孔隙率提高，对混凝土耐久性造成不利影响。

表2 掺加缓凝剂时三元铝酸盐水泥基混凝土抗压强度

根据上述试验选出葡萄糖酸钠的最佳掺量为胶凝材料的1‰，此时混凝土的流动性、抗分散性均良好，抗压强度可达C40等级，7 d水陆强度比可达71%、28 d水陆强度比可达89%，满足规范要求。

2.3.3 水下灌浆料的抗渗性

对所制备的不同成型条件下水下灌浆料7 d及28 d龄期进行电通量试验，测试其抗氯离子渗透性。试验结果如表3所示。

表3 水下灌浆料电通量C

成型方式7 d28 d陆地成型2 412.361 560.22水中成型3 156.271 903.31

根据文献[4] 及混凝土电通量与氯离子渗透性等级关系以及表3结果可知，水中成型及陆地成型的早期(7 d)三元铝酸盐水泥基混凝土氯离子渗透等级均为“中”，抗氯离子渗透性较好；两者后期(28 d)氯离子渗透等级为“低”，抗氯离子渗透性良好；陆地成型的混凝土试块抗氯离子渗透性优于水中成型试块的抗氯离子渗透性。

3 结论

(1)三元铝酸盐水泥基灌浆料在掺加UWB-Ⅱ型絮凝剂时，可实现在静水下的直接浇筑，施工方便、工期短、施工成本低。UWB-Ⅱ最佳掺量为胶凝材料的2.5%。

(2)三元铝酸盐水泥基灌浆料在动水及深水环境施工时，要采用导管法施工，施工工期长，由于其具有快硬、早强的优点，要加入缓凝剂(葡萄糖酸钠)调节凝结时间，防止长时间施工时过早凝结，葡萄糖酸钠最佳掺量为胶凝材料的1‰。

(3)所制备的三元铝酸盐基水下灌浆料28 d抗压强度可达49 MPa，强度等级可达C40，7 d水陆强度比可达71%，28 d水陆强度比可达89%；且早期(7 d)抗氯离子渗透性较好，后期(28 d)抗氯离子渗透性良好。

将所研制的水下灌浆材料应用于深水斜岩地区六角宫水库中桥的桩基及水下承台施工，解决了普通水下灌浆料材料存在的凝结速度慢、不密实、强度低等技术难题，取得了很好的效果。