深水區水下不分散混凝土抗分散劑的配制研究

陳衛濤

(中鐵十八局集團有限公司勘察設計院，天津 300000)

1 試驗概述

傳統水下混凝土主要是針對靜水環境下施工，混凝土的強度也相對低，隨著我國經濟的快速發展，海底隧道、跨江、跨海大橋等深水區域的施工越來越多，相應的對混凝土的流動性、抗分散性、強度和耐久性要求越來越高。深水區水下混凝土施工能否順利進行一方面取決于配套的施工裝備技術，另一方面取決于混凝土自身的抗分散性能和高流動性的協調一致，現有的抗分散劑在深水區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]。中國石油天然氣總公司工程技術研究院生產的UWB系列抗分散劑，其中分為緩凝型、普通型、早強型、雙快型、注漿型以及高性能型[2]。丁慶軍[3]等通過快硬硫鋁酸鹽水泥，高效減水劑、緩凝劑、早強劑及抗水分散劑制備出適合水下施工的抗分散灌漿材料；劉昌國和李冬梅[4-5]也以快硬硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料開發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)，對水泥凈漿和砂漿的擴展度、透明度(水的清澈程度)、pH、濁度(水的渾濁程度)、抗壓強度、水陸強度比(在空氣中澆注與水下澆注成型混凝土的強度比值)進行性能分析。通過試驗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性和摻量優化，在此基礎上應用于混凝土中，測試其擴展度、抗分散性以及抗壓強度，確定水下不分散混凝土抗分散劑的最佳摻量和組成。

所用試驗原材料：水泥，冀東水泥廠生產的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；河砂，細度模數2.7，含泥量0.9%，表觀密度2.35 kg·m-3；粉煤灰，陽邏Ⅱ級粉煤灰，細度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(AP8)、1 600萬(AP16)和2 000萬(AP20)，市售；拌和水：自來水。

2 水下不分散混凝土抗分散劑的配制

2.1 PAM對水泥凈漿的影響

2.1.1 PAM對水泥凈漿擴展度的影響

為初步確定PAM的適宜分子量和摻量，測試了不同分子量和不同摻量的PAM對水泥凈漿擴展度的影響，結果如圖1所示。試驗中PC和PAM摻量分別為水泥質量的0.5%和0.1%～1.0%。

圖1 水泥凈漿擴展度

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

2.1.2 PAM對水泥凈漿抗分散性的影響

進行透明度試驗，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，水泥凈漿透明度試驗中燒杯內透明度好，即抗分散性較好。

表1 水泥凈漿透明度

2.2 PAM對砂漿抗分散性能的影響

為進一步明晰PAM的最佳分子量和摻量，進行砂漿抗分散性能試驗，結合工程需要，砂漿的水灰比為0.48。

2.2.1 水泥砂漿抗分散試驗

砂漿抗分散性的透明度試驗結果如表2所示。從試驗結果得，在AP16摻量是0.5%時，隨著PC摻量的增加，杯中的水未變渾濁，說明具有很好的抗分散性，且不會隨著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系

砂漿的pH值和濁度試驗結果如表3所示，也表明當AP16摻量為0.5%時，砂漿的pH值和濁度均是最小值，進一步證明AP16最佳摻量是0.5%。當PC摻量一定時，隨著AP16摻量的增加，砂漿的pH值和濁度均降低，因為PAM具有好的絮凝效果；當AP16摻量一定時，隨著PC摻量的增加，砂漿的pH值和濁度均增大，主要是PC改善了砂漿的流動性。

表3 砂漿抗分散性試驗結果

2.2.2 水泥砂漿擴展度分析

試驗中不摻加PAM和PC時，水泥砂漿的擴展度為112 mm；當AP16的摻量為0.5%時，PC的用量對水泥砂漿流動度影響的試驗結果如表4所示。AP16摻量為0.5%時，水泥砂漿的抗分散性能良好，所以拌制混凝土時，以PC的摻量為2.0%進行混凝土相關性能試驗。

表4 砂漿擴展度試驗結果

2.2.3 水泥砂漿強度試驗

為進一步明晰AP16摻量對硬化砂漿強度影響規律，測試了7 d砂漿的水陸強度，結果如表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度均增大，主要原因是砂漿的流動性滿足施工要求：隨絮凝劑摻量增加，水泥的流失量在降低，相應的強度在增加。試驗結果也表明當PC摻量為2%、AP16摻量為0.45%時，水泥砂漿的抗折和抗壓水陸強度比均最大。

表5 水泥砂漿抗折抗壓強度

由以上分析可得，AP16摻量為0.45%時其抗分散性、流動性能和強度滿足設計要求，也有利于節約成本。

2.3 水下不分散混凝土試驗分析

按照C40混凝土配合比設計進行混凝土拌和，模仿實際工程中的導管法施工(如圖2所示)，選取了800 mm×600 mm×800 mm 的透明樹脂板加工水箱，通過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，將試模取出對試件表面抹平后再放回水中，24 h時拆模將試件放入標準養護箱進行養護。

為滿足不同施工環境對抗分散性能要求，根據水泥凈漿和砂漿的試驗結果，PC摻量為2.0%，調整AP16的用量為0.40%、0.45%、0.50%、0.55%。根據《水下不分散混凝土試驗規程》(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 模擬導管法水下澆筑示意圖

2.3.1 水下不分散混凝土擴展度

各組混凝土擴展度試驗結果如表6所示。由表6可知，PC摻量為2%時，混凝土擴展度隨著AP16摻量的增加而降低；當AP16摻量大于0.45%時，混凝土的流動度明顯降低，且不能滿足設計要求。摻量為0.40%時，在裝模振動過程中混凝土有輕微的泌水現象，原因是PC用量過多或者振搗時間太長導致的泌水，因此水下不分散混凝土的AP16摻量需小于0.45%。

表6 混凝土擴展度與AP16摻量關系

2.3.2 水下不分散混凝土抗壓強度

水下混凝土成型試模尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，水下成型24 h標養，所測結果如表7所示，其中粉煤灰摻量為水泥質量的百分比。由表7可得，當粉煤灰摻量為12%～15%，隨著粉煤灰摻量的增加，水下不分散混凝土的流動度和抗壓強度增大，pH值、濁度均降低。當粉煤灰摻量大于17%，隨著粉煤灰摻量的增加，水下不分散混凝土的流動度增大，pH值、濁度均增大，抗壓強度降低，所以粉煤灰的摻量應低于17%。

表7 不同粉煤灰摻量的水下不分散混凝土性能檢測指標

在粉煤灰摻量確定后，AP16摻量對混凝土抗分散性和強度結果如表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度增加，pH值、濁度均降低，抗分散性越好，在水中養護7 d強度發展快。當聚丙烯酰胺摻量大于0.45%時，混凝土拌和物的擴展度不符合設計要求；由結果得，AP16摻量不小于0.45%時，具有良好的抗分散性。因此在配制混凝土時候應選擇分子量為1 600萬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指標

3 結論

(1) 固定PC的摻量為0.5%，拌制水下抗分散水泥凈漿，通過對擴展度和抗分散性對比分析，得出AP16的摻量為0.3%和0.5%時，所配制出的水泥凈漿具有良好抗分散性和流動性。

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

(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，水下不分散混凝土的抗分散性、流動性、抗壓強度均能滿足要求。