鋁酸鹽水泥基水下灌漿材料的制備及性能表征

袁春燕

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

隨著深海探索與南海島礁的建設(shè)，混凝土材料越來越廣泛的應(yīng)用于水下工程。普通混凝土在水環(huán)境中直接澆筑時(shí)，會(huì)受到水的影響而產(chǎn)生分離、水泥流失，導(dǎo)致強(qiáng)度和耐久性下降，并且還會(huì)引起環(huán)境污染。傳統(tǒng)的圍堰隔水法施工工藝復(fù)雜、工期長(zhǎng)，工程成本成倍增加，且難以保證水下灌漿材料的質(zhì)量。絮凝劑可使混凝土材料各組分黏聚在一起，遇水不離析、水泥不流失、自流平、自密實(shí)，無(wú)須振搗，從而實(shí)現(xiàn)混凝土在水中的直接澆灌，可保證混凝土質(zhì)量。

鋁酸鹽水泥因具有快硬、高強(qiáng)、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于緊急軍事工程、搶修工程以及冬季施工工程，但鋁酸鹽水泥因晶型轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度倒縮、凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和石膏三種膠凝材料按一定比例復(fù)合(三元體系)具有凝結(jié)時(shí)間短、流動(dòng)性強(qiáng)、早期強(qiáng)度高的性能[1-2]。丁汝茜[3]認(rèn)為三元膠凝體系中鋁酸鹽水泥∶普通硅酸鹽水泥∶二水石膏= 85%∶4%∶11%時(shí)，三元體系力學(xué)性能、流動(dòng)性能及抗倒縮性能最佳。

本文針對(duì)興泉鐵路六角宮水庫(kù)中橋深水斜巖地質(zhì)樁基及承臺(tái)施工中出現(xiàn)水下混凝土灌漿料凝結(jié)速度慢、不密實(shí)、強(qiáng)度低、耐久性差等問題，選用鋁酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和二水石膏三元膠凝體系，擬研制出一種新型快硬、早強(qiáng)、易于施工的水下混凝土灌漿材料，力爭(zhēng)能使水下樁基及承臺(tái)順利施工。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

鋁酸鹽水泥：登電集團(tuán)水泥有限公司生產(chǎn)；普通硅酸鹽水泥：福建大田新巖水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5；二水石膏：山東鑫旺博新材料有限公司生產(chǎn)，純度96%；聚丙烯酰胺(PAM)：陰離子型，分子量為1 000萬(wàn)，廣東首信環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)；羥丙基甲基纖維素醚(HPMC)：市售，標(biāo)稱粘度100 000 mPa·s；UWB-Ⅱ型抗分散劑：中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院制；緩凝劑：葡萄糖酸鈉，蘇州市米達(dá)化工有限公司生產(chǎn)；減水劑：聚羧酸高效減水劑，保定金鐘制藥有限公司生產(chǎn)，減水率20%；細(xì)骨料：河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含泥量0.9%，表觀密度2 600 kg/m3；粗骨料：粒徑為5～20 mm連續(xù)級(jí)配，含泥量0.5%，表觀密度2 680 kg/m3；水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方案

選用鋁酸鹽水泥∶普通硅酸鹽水泥∶二水石膏質(zhì)量比為85%∶4%∶11%，摻加不同絮凝劑(PAM、HPMC、UWB-Ⅱ)制備三元膠凝體系砂漿，測(cè)試砂漿流動(dòng)性、抗分散性及抗壓強(qiáng)度，選擇工作性最優(yōu)的絮凝劑，并確定其最佳摻量；然后應(yīng)用于水下混凝土，測(cè)試不同水灰比時(shí)水下混凝土的流動(dòng)性、抗分散性及抗壓強(qiáng)度，選出最佳水灰比，最終制備出快硬、早強(qiáng)、易于施工且工作性良好的水下灌漿材料。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 三元體系鋁酸鹽水泥基砂漿性能研究

2.1.1 絮凝劑對(duì)三元體系砂漿流動(dòng)性的影響

砂漿流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，由圖可知，鋁酸鹽水泥基砂漿流動(dòng)性隨PAM及UWB-Ⅱ摻量的增加先提高后降低，隨HPMC摻量的增加而降低，且摻加UWB-Ⅱ的砂漿流動(dòng)性高于摻加PAM砂漿的流動(dòng)性；PAM與HPMC在相同摻量時(shí)，摻加PAM的砂漿流動(dòng)性高于摻加HPMC砂漿的流動(dòng)性。當(dāng)PAM摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.4%時(shí)，砂漿流動(dòng)性達(dá)到最佳；UWC-Ⅱ摻量為膠凝材料質(zhì)量的2.5%時(shí)，砂漿流動(dòng)性達(dá)到最佳；摻加HPMC時(shí)，即使很小的摻量都會(huì)使砂漿流動(dòng)性降低。

2.1.2 絮凝劑對(duì)砂漿抗分散性的影響

三元體系砂漿通過水后水樣的濁度表征砂漿抗分散性，抗分散性試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，無(wú)論何種絮凝劑的摻入都會(huì)使砂漿通過水后水樣的濁度降低。PAM與HPMC相同摻量時(shí)，摻加HPMC砂漿抗分散性優(yōu)于摻加PAM的砂漿抗分散性，摻加UWB-Ⅱ的砂漿抗分散性優(yōu)于摻加HPMC砂漿的抗分散性。當(dāng)抗分散性達(dá)到《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5117-2000)規(guī)定的濁度(小于150 NTU)時(shí)，PAM與HPMC的摻量均為膠凝材料質(zhì)量的0.6%，UWB-Ⅱ的摻量為膠凝材料質(zhì)量的2.5%。

根據(jù)砂漿流動(dòng)性及抗分散性試驗(yàn)可知，當(dāng)摻加PAM及HPMC的砂漿流動(dòng)性良好時(shí)，其砂漿抗分散性不符合規(guī)范要求；當(dāng)UWC-Ⅱ摻量為膠材質(zhì)量的2.5%時(shí)，砂漿流動(dòng)性及抗分散性均良好，且符合規(guī)范要求。此外，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，PAM20元/kg，HPMC120元/kg，UWB-Ⅱ15元/kg，HPMC及PAM成本高。根據(jù)砂漿流動(dòng)性及抗分散性試驗(yàn)及成本控制選用UWB-Ⅱ作為水下灌漿材料的絮凝劑。

2.2 水灰比對(duì)三元鋁酸鹽水泥基混凝土性能的影響

選用不同水灰比制備水下不分散混凝土，測(cè)試其流動(dòng)性、抗分散性及抗壓強(qiáng)度，選出最佳水灰比，并測(cè)試其凝結(jié)時(shí)間，混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.2.1 對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響

混凝土坍落度及坍?dāng)U度表征混凝土的流動(dòng)性，其變化趨勢(shì)如圖3所示。

由圖3可知，三元體系鋁酸鹽水泥基混凝土流動(dòng)性隨水灰比的增加而提高。當(dāng)水灰比為0.35及0.39時(shí)，混凝土坍落度與坍?dāng)U度均無(wú)法滿足規(guī)范要求；當(dāng)水灰比為0.43時(shí)，坍落度及坍?dāng)U度均可滿足規(guī)范要求；水灰比為0.47時(shí)，混凝土出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，無(wú)法滿足工程應(yīng)用。

圖1 絮凝劑對(duì)砂漿流動(dòng)性的影響 圖2 絮凝劑對(duì)砂漿抗分散性的影響 圖3 不同水灰比時(shí)混凝土的流動(dòng)性

2.2.2 對(duì)混凝土抗分散性的影響

三元體系混凝土通過水后水樣的濁度及pH值表征不同水灰比混凝土的抗分散性，其試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，三元體系鋁酸鹽水泥基混凝土抗分散性隨水灰比的增大而降低。當(dāng)水灰比為0.35及0.39時(shí)，濁度分別為為43 NTU、95 NTU，水樣非常清晰，pH值均小于12，滿足規(guī)范要求，抗分散性良好，但其流動(dòng)性無(wú)法滿足規(guī)范要求，水下混凝土無(wú)法達(dá)到自流平自密實(shí)的要求。當(dāng)水灰比為0.43時(shí)，混凝土抗分散性及流動(dòng)性均可滿足規(guī)范要求；當(dāng)水灰比為0.47時(shí)，混凝土流動(dòng)性良好，但抗分散性差易發(fā)生離析。

圖4 不同水灰比時(shí)混凝土抗分散性

2.2.3 對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

測(cè)試了不同水灰比、不同齡期、不同成型條件時(shí)三元鋁酸鹽基混凝土的抗壓強(qiáng)度，其試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同水灰比時(shí)三元鋁酸鹽水泥基混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖5可知，水中成型及陸地成型的三元鋁酸鹽水泥基混凝土7 d及28 d抗壓強(qiáng)度均隨水灰比的增加而降低。水灰比為0.35及0.39時(shí)，陸地成型與水中成型的混凝土抗壓強(qiáng)度均較高，水陸強(qiáng)度比均滿足規(guī)范(DL/T 5117-2000)規(guī)定的7 d水陸強(qiáng)度比大于60%、28 d水陸強(qiáng)度比大于70%的要求，但由于流動(dòng)性較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)水下的直接澆筑自流平要求。水灰比為0.43時(shí)，水中成型混凝土試塊的28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)49.2 MPa，強(qiáng)度等級(jí)可達(dá)C40混凝土，且水陸強(qiáng)度比滿足規(guī)范要求。但水灰比為0.47時(shí)，因水中成型時(shí)混凝土離析，膠凝材料流失，水中成型及陸地成型的混凝土7 d及28 d抗壓強(qiáng)度均較低，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 緩凝劑對(duì)三元鋁酸鹽水泥基混凝土性能的影響

2.3.1 對(duì)混凝土工作性能的影響

由于此類水下混凝土在動(dòng)水及深水時(shí)無(wú)法直接澆筑，應(yīng)采用導(dǎo)管法輔助施工，相對(duì)而言施工時(shí)間跨度大，然而鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間短，在較長(zhǎng)的施工時(shí)間段內(nèi)，無(wú)法保持良好的塑性，故摻加緩凝劑延緩凝結(jié)時(shí)間，以達(dá)到工程應(yīng)用的要求。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果選用水灰比為0.43、摻量2.5%UWB-Ⅱ?yàn)樾跄齽瑩郊悠咸烟撬徕c作為緩凝劑。葡萄糖酸鈉既可以延緩混凝土凝結(jié)時(shí)間，又可增加混凝土的可塑性和強(qiáng)度。制備的三元體系混凝土配合比為：膠材∶水∶砂∶石子=500∶175∶639∶1 064(kg/m3)，減水劑1.5%，葡萄糖酸鈉摻量分別為0.5%,1.0%,1.5%,和2.0%。測(cè)試的凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性、濁度和pH值結(jié)果如圖6所示。

由圖6(a)知，鋁酸鹽水泥基混凝土的凝結(jié)時(shí)間隨緩凝劑摻量的增加而顯著延長(zhǎng)。當(dāng)緩凝劑摻量為0.5‰時(shí)，混凝土初凝時(shí)間為2 h20 min，終凝時(shí)間為24 h40 min，無(wú)法滿足規(guī)范(DL/T 5117-2000)規(guī)定的水下混凝土初凝時(shí)間大于5 h的施工要求。當(dāng)緩凝劑摻量為1‰時(shí)，混凝土初凝時(shí)間為5 h10 min，終凝時(shí)間為29 h20 min，可滿足規(guī)范規(guī)定的初凝時(shí)間大于5 h、終凝時(shí)間小于30 h的施工要求。當(dāng)緩凝劑摻量超過1‰時(shí)，混凝土終凝時(shí)間超過30 h，無(wú)法滿足規(guī)范要求。由圖6(b)知，鋁酸鹽水泥基混凝土流動(dòng)性隨緩凝劑摻量的增加而提高。當(dāng)緩凝劑摻量為0～1‰時(shí)，混凝土坍落度及坍?dāng)U度均可滿足規(guī)范要求；當(dāng)緩凝劑摻量超1‰時(shí)，混凝土流動(dòng)過快，會(huì)導(dǎo)致水下澆筑過程中混凝土離析。

圖6 緩凝劑對(duì)三元鋁酸鹽水泥基混凝土性能的影響

由圖6(c)知，鋁酸鹽水泥基混凝土抗分散性隨緩凝劑摻量的增加而降低。當(dāng)緩凝劑摻量為0～1‰時(shí)，混凝土濁度及pH值均可滿足要求，抗分散性良好。當(dāng)緩凝劑摻量超過1‰時(shí)，混凝土抗分散性顯著下降，在澆筑過程中易造成水泥流失。

2.3.2 對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)，選用葡萄糖酸鈉摻量為膠凝材料的1‰作為最佳摻量，制備三元鋁酸鹽水泥基混凝土并測(cè)其抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2知，陸地及水中成型的三元鋁酸鹽水泥基混凝土早期(7 d)抗壓強(qiáng)度均隨緩凝劑摻量的增加而略有降低；后期(28 d)抗壓強(qiáng)度隨緩凝劑摻量的增加而提高，且摻量越高，對(duì)強(qiáng)度的提高越明顯，但緩凝劑摻量不宜過大，摻量過大時(shí)，緩凝時(shí)間過長(zhǎng)，由于水分的蒸發(fā)和散失會(huì)使混凝土內(nèi)部孔隙率提高，對(duì)混凝土耐久性造成不利影響。

表2 摻加緩凝劑時(shí)三元鋁酸鹽水泥基混凝土抗壓強(qiáng)度

根據(jù)上述試驗(yàn)選出葡萄糖酸鈉的最佳摻量為膠凝材料的1‰，此時(shí)混凝土的流動(dòng)性、抗分散性均良好，抗壓強(qiáng)度可達(dá)C40等級(jí)，7 d水陸強(qiáng)度比可達(dá)71%、28 d水陸強(qiáng)度比可達(dá)89%，滿足規(guī)范要求。

2.3.3 水下灌漿料的抗?jié)B性

對(duì)所制備的不同成型條件下水下灌漿料7 d及28 d齡期進(jìn)行電通量試驗(yàn)，測(cè)試其抗氯離子滲透性。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 水下灌漿料電通量C

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

根據(jù)文獻(xiàn)[4] 及混凝土電通量與氯離子滲透性等級(jí)關(guān)系以及表3結(jié)果可知，水中成型及陸地成型的早期(7 d)三元鋁酸鹽水泥基混凝土氯離子滲透等級(jí)均為“中”，抗氯離子滲透性較好；兩者后期(28 d)氯離子滲透等級(jí)為“低”，抗氯離子滲透性良好；陸地成型的混凝土試塊抗氯離子滲透性優(yōu)于水中成型試塊的抗氯離子滲透性。

3 結(jié)論

(1)三元鋁酸鹽水泥基灌漿料在摻加UWB-Ⅱ型絮凝劑時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在靜水下的直接澆筑，施工方便、工期短、施工成本低。UWB-Ⅱ最佳摻量為膠凝材料的2.5%。

(2)三元鋁酸鹽水泥基灌漿料在動(dòng)水及深水環(huán)境施工時(shí)，要采用導(dǎo)管法施工，施工工期長(zhǎng)，由于其具有快硬、早強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，要加入緩凝劑(葡萄糖酸鈉)調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，防止長(zhǎng)時(shí)間施工時(shí)過早凝結(jié)，葡萄糖酸鈉最佳摻量為膠凝材料的1‰。

(3)所制備的三元鋁酸鹽基水下灌漿料28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)49 MPa，強(qiáng)度等級(jí)可達(dá)C40，7 d水陸強(qiáng)度比可達(dá)71%，28 d水陸強(qiáng)度比可達(dá)89%；且早期(7 d)抗氯離子滲透性較好，后期(28 d)抗氯離子滲透性良好。

將所研制的水下灌漿材料應(yīng)用于深水斜巖地區(qū)六角宮水庫(kù)中橋的樁基及水下承臺(tái)施工，解決了普通水下灌漿料材料存在的凝結(jié)速度慢、不密實(shí)、強(qiáng)度低等技術(shù)難題，取得了很好的效果。