减水剂和抗分散剂在水下混凝土中的应用研究

2023-12-13杨英英

黑龙江水利科技 2023年11期

杨英英

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司,辽宁抚顺 113000)

0 引言

近年来,我国深水区域的跨海、跨江大桥、海底隧道等工程项目不断增多,对混凝土的强度、耐久性、抗分散性和流动性的要求也逐渐提高。水下混凝土能否顺利施工既取决于其自身高流动性与抗分散性的协调一致性,还与配套装备、施工技术有关,而现有抗分散剂已无法满足深水区特别是动水环境下的施工要求[1]。

我国最早于20世纪80年代开始研制水下不分散混凝土,如姜从盛等使用有机减水保塌落剂、无机材料、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较好抗分散性,其强度和流动度损失较小;丁庆军等采用早强剂、快硬硫铝酸盐水泥、抗分散剂、减水剂和缓凝剂配制的灌浆材料,对于水下施工表现出良好的可行性;孙振平等试验探讨了消泡剂、絮凝剂、硅灰、高效减水剂对水下混凝土力学性能的影响作用,结果表明强度等级相同时抗分散明显优于普通混凝土的耐久性;冯爱丽等试验分析了不同抗分散剂对混凝土性能的影响,结果显示掺纤维素类抗分散剂混凝土低于丙烯类的28d强度,但前者的流动性更好[2-5]。

水下不分散性混凝土研究不仅要考虑工艺技术和施工环境,还要分析抗分散剂与原材料之间的协调性;静水条件下与施工现场测定的抗分散性往往存在差异,为研制出适用于复杂环境的抗分散剂必须选择动水试验环境,经多次调整试配确定最优配合比[6]。同时,由于宏观测试时间较长,混凝土试配和调整工作量大,为提高研制效率以及降低投入成本必须选用适合的方法[7-9]。鉴于此,文章采用不同掺量的减水剂和抗分散剂,通过测试砂浆和水泥净浆的水陆强度比、抗压强度、pH值、浊度、透明度、扩展度等参数确定抗分散剂的最佳分子量,并结合减水剂与抗分散剂的适应性分析结果,将其用于水下不分散混凝土的配制,通过测定混凝土抗压强度、抗分散剂以及扩展度等参数确定在混凝土中的最优掺量。

1 试验材料

试验选用盾石牌P·O42.5级水泥,标稠用水量27.0%,比表面积335m2/kg;鞍山热电厂生产的磨细Ⅱ级粉煤灰,细度21.5%,比表面积380m2/kg,烧失量3.2%;浑河中砂,含泥量0.7%,吸水率1.05%,表观密度2480kg/m3;鞍山鹏程混凝土外加剂厂提供的聚羧酸高效减水剂,抗分散剂为市场上购买的分子量为2000万、1500万和900万的聚丙烯酰胺;拌和水使用当地自来水。

2 结果与分析

2.1 对水泥净浆的影响

1)水泥净浆扩展度。为确定抗分散剂的最优掺量与分子量,研究分析了水泥净浆扩展度随抗分散剂掺量和分子量的变化特征。本试验以等质量替代水泥的方式掺入0.1%～1.0%的抗分散剂和0.6%的减水剂,试验结果如图1所示。

图1 水泥净浆扩展度

从图1可以看出,固定减水剂掺量条件下,水泥净浆扩展度随同一分子量抗分散剂掺量的增加不断下降;固定抗分散剂掺量条件下,水泥净浆扩展度随抗分散剂分子量的增加不断下降。随着抗分散剂掺量的逐渐增大,分子量900万和2000万抗分散剂的水泥净浆扩展度变化较小,而分子量1500万出现明显改变,说明水泥净浆扩展度受分子量1500万抗分散剂掺量的影响显著。

2)水泥净浆抗分散性。采用透明度试验观察水泥净浆拌和物在透明玻璃杯中的变化情况,杯中水越清澈则抗分散性越好,反之则越差,试验结果如表1所示。

表1 水泥净浆透明度

由表1可知,分子量为900万和2000万抗分散剂的水泥净浆透明度较差,掺0.4%、0.6%分子量为1500万抗分散剂的水泥净浆透明度好,说明该组具有较好的抗分散性。

2.2 对砂浆抗分散性的影响

通过砂浆试验进一步确定抗分散剂的适宜掺量及分子量,考虑水下工程特点设定砂浆水胶比为0.50。

1)水泥砂浆抗分散性。采用透明度试验测定砂浆抗分散性,结果如表2所示。试验表明,掺0.6%分子量为1500万抗分散剂时,杯中水未随着减水剂掺量的增大而变得浑浊,表明该条件下的抗分散性较好,且增大减水剂掺量也不会发生明显改变,这说明分子量为1500万的抗分散剂与外加剂具有良好的相容性。

表2 水泥砂浆透明度

试验测定砂浆浊度与pH值如表3所示,结果表明掺0.6%分子量为1500万抗分散剂时,砂浆的浊度与pH值均最小,再次表明分子量为1500万抗分散剂的最优掺量为0.6%。固定减水剂掺量时,砂浆浊度和pH值均随着抗分散剂掺量的增加而减小,这是由于抗分散剂发挥着较好的絮凝作用;固定抗分散剂掺量时,砂浆浊度和pH值均随着减水剂用量的提高而增大,这是因为增大减水剂使得砂浆流动性明显改善。

表3 水泥砂浆浊度与pH值

2)水泥砂浆扩展度。不掺减水剂和抗分散剂条件下,水泥净浆扩展度达到110mm。掺0.6%分子量为1500万抗分散剂时,水泥砂浆流动度受减水剂掺量的影响如表4所示。试验表明,掺0.6%分子量为1500万抗分散剂的水泥砂浆具有较好的抗分散性,在研究混凝土相关性能时推荐减水剂掺量为2.0%。

表4 砂浆扩展度值

3)水泥砂浆强度。为揭示硬化砂浆强度受分子量为1500万抗分散剂掺量的影响作用,试验测定7d水陆砂浆强度,即在水下和空气中浇筑的试件强度,如表5。

表5 水泥砂浆强度

由表5可知,砂浆强度随着分子量为1500万抗分散剂掺量的增加而增大,砂浆能够满足流动性要求;水泥的流失量随抗分散剂掺量的增大而减小,强度逐渐增大。另外,掺0.55%分子量为1500万抗分散剂、掺2%减水剂时,砂浆的抗压和抗折水陆强度比达到最高。

综上分析,掺0.55%分子量为1500万抗分散剂能够满足砂浆强度、流动性和抗分散性要求,也可以降低一定的材料成本。

2.3 对水下不分散混凝土的影响

试验配制强度等级C40混凝土,为模拟导管施工法,将透明树脂板加工成800mm×600mm×800mm的水箱,将新拌混凝土沿空心PVC管浇筑到400mm水深的试模内,试验中控制水温(20±2)℃。浇筑1h后取出试模,抹平试件表面并放水水中,静置24h拆模移入标养室养护。

为保证水下不分散混凝土性能,结合砂浆与水泥净浆试验数据,设定减水剂掺量2%,分子量为1500万抗分散剂掺量为0.50%、0.55%、0.60%、0.65%。依据《水下不分散混凝土试验规程》进行混凝土的拌和、成型和养护,试验配制15L混凝土所需水、水泥、砂、碎石用量为2.8kg、4.2kg、7.0kg和10.1kg。

1)混凝土扩展度。试验表明,掺0.50%、0.55%、0.60%、0.65%分子量为1500万抗分散剂所配制的混凝土扩展度分别为452mm、435mm、386mm和357mm。因此,随着分子量为1500万抗分散剂掺量的增大混凝土扩展度逐渐减小;抗分散剂掺量超过0.55时拌和物流动度快速减小,无法满足施工要求。掺0.50%抗分散剂时,拌和物因装模振动出现轻微泌水,这是由于振捣时间过长或减水剂掺量太高所引起的,所以分子量为1500万的抗分散剂掺量≤0.55%[10]。

2)混凝土强度。将拌和物水下浇筑成型制成边长150mm的立方体试件,并测定各组试件的主要性能指标,如表6所示。

表6 水下不分散混凝土性能

由表6可知,掺14%～16%粉煤灰时,增大粉煤灰掺量使得试件强度和流动度均有所提升,但浊度和pH值逐渐减小;掺量达到18%以上时,拌合物流动度随粉煤灰掺量的进一步增加明显提升,浊度和pH值也明显增大,抗压强度降低,因此水下不分散混凝土中的粉煤灰掺量≤18%。

通过对比发现,混凝土抗压强度随着分子量为1500万抗分散剂掺量的增加而增大,而浊度和pH值有所下降,这说明抗分散剂掺量越高拌和物抗分散性越好,并且早期强度发展较快。结合以上试验数据,抗分散剂掺量≥0.55%时的抗分散性较好。因此,采用分子量为1500万抗分散剂配制水下不分散混凝土时的最优掺量为0.55%。另外,本试验所配制的水泥净浆、砂浆对于修复水下结构具有一定的优势,可以为解决水下异型、薄壁、窄小等特殊部位无法使用普通方法修补的难题提供一定参考[11-13]。