高流動性水下抗分散混凝土的配制研究

陳黎明

（中鐵十八局集團第三工程有限公司，河北涿州 072750）

1 引言

水下抗分散混凝土的特性體現在施工作業時可直接在水中澆筑成型，且不易發生分散與離析，并能確保澆筑混凝土的質量和強度，因此被國內外學者廣泛贊譽為“新一代的混凝土技術革新”[1]。相較于普通混凝土，水下抗分散混凝土的核心體現在抗分散劑，即水溶性高分子聚合物，其水解后形成的長鏈相互交叉、絡合形成網絡狀結構，同時絡合水泥水化過程中形成的水化產物，形成密實的網絡狀結構，從而提高混凝土強度。

目前國內外研究學者對絮凝劑的應用以及水下抗分散混凝土的配制進行了相應的研究。例如，貴州中建建筑科研設計院[2]采用自主研制的具有高強度高抗離析性能的ZJ-1型絮凝劑，成功配制出水陸強度和抗離析指標分別大于85%和92.6%的水下抗分散混凝土；高禮雄等[3]選用鋁酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥以及水石膏構成三元膠凝體系，通過控制凝結時間制備出了自流平水下抗分散鋁酸鹽水泥基砂漿；相關學者[4-5]提出水下抗分散混凝土復配時采用大摻量粉煤灰可達到降低混凝土水化熱，提高混凝土耐久性的效果。由此可見，國內學者多集中于工程實際應用與抗分散混凝土的配置研究，國外學者則多集中于抗分散劑的討論研究，而現階段缺乏對抗分散劑與混凝土材料配合比匹配性研究，因此開展抗分散劑與混凝土材料配合比匹配性研究對配制出較優抗分散性和流動性的水下抗分散混凝土十分關鍵。目前試驗研究以及工程中應用的絮凝劑主要以纖維素醚類和多聚糖類為主，纖維素醚類包含：羥乙基纖維素、羧甲基纖維素、甲基纖維素等；多聚糖類包含：殼聚糖、黃原膠、韋蘭膠。由于纖維素醚類絮凝劑會使混凝土出現引氣現象，而且多聚糖類和纖維素醚類價格均比較昂貴，因此本文選擇用聚丙烯酰胺為絮凝劑進行試驗，并立足于研究聚丙烯酰胺最佳分子量、最佳摻量的基礎上，著重討論不同摻量的粉煤灰、減水劑對改性后砂漿的pH值、懸濁物含量以及流動性能的影響，對比分析改性后砂漿抗分散性和流動性的變化規律及其原因。在此基礎上提出水下抗分散混凝土復配配合比，通過28 天水陸抗壓強度對比，確定最佳混凝土配合比。

2 試驗

2.1 原材料

為滿足實驗要求，實驗中所選用的原材料明細如表 1所示。

表1 原材料生產廠家及技術要求

2.2 試驗方案

2.2.1 砂漿的基礎配比

首先確定砂漿的基礎配比為水泥 : 砂 : 水=1 : 3 : 0.5，在基礎配比確定的前提下展開不同分子量、不同摻量的聚丙烯酰胺以及不同摻量的粉煤灰和減水劑對改性后砂漿流動性、懸濁物含量、pH值的影響研究，并對其變化規律展開討論分析，最終確定聚丙烯酰胺的最佳分子量、最佳摻量以及粉煤灰、減水劑的最佳摻量。在上述各摻量明確的前提下提出水下抗分散混凝土復配配合比，再通過28天水陸抗壓強度對比，確定混凝土的最佳配合比。

2.2.2 流動性的測定

流動性測定試驗的目的是測定不同水膠比、不同摻量的絮凝劑和減水劑摻入到水泥漿中后，對擴展度變化的影響，試驗方法依據《混凝土外加劑勻質性試驗方法》[9]。

2.2.3 懸濁物含量及水陸強度比測定

懸濁物含量及水陸強度比按GB/T 37990-2019《水下不分散混凝土絮凝劑技術要求》標準[10]進行試驗。

（1）懸濁物含量的測定。懸濁物含量計算公式為：

式（1）中，S為懸濁物含量，mg/L；m1為濾紙和表面皿的質量，mg；m2為含懸濁物的濾紙和表面皿的質量，mg；V為量筒所量取的試樣容積，mL。取兩次結果算術平均值，修正算術平均值為整數。

（2）水陸強度比測試。分別測試空氣中成型和水下成型試件的28天抗壓強度，水陸強度比計算公式為：

式（2）中，RS為水陸強度比，%；fW為水下成型的受檢混凝土28天抗壓強度，MPa；fA為空氣中成型的受檢混凝土28天抗壓強度，MPa。

3 試驗結果與分析

3.1 聚丙烯酰胺對砂漿抗分散性和流動性的影響

為探究聚丙烯酰胺的最優分子量及最佳摻量，提出用AP8（分子量800萬）和AP10（分子量1 000萬）2種分子量分別以摻量為水泥質量的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%摻加于水泥砂漿中，測試出不同分子量和不同摻量的聚丙烯酰胺對水泥砂漿pH值、懸濁物含量以及流動性的影響，其變化規律如圖1～圖 3所示。

圖3 聚丙烯酰胺對砂漿流動性的影響

由圖1、圖2可知，隨著聚丙烯酰胺摻量的增加，摻加AP8和AP10的砂漿pH值和懸濁物含量均呈現先減小后增大趨勢，當聚丙烯酰胺的摻量為0.8%時，摻加兩種分子量所對應的砂漿中的pH值和懸濁物含量均為最小。主要原因在于聚丙烯酰胺具有較強的絮凝作用，隨著聚丙烯酰胺摻量的增加，其絮凝效果逐漸增加，表現出良好的抗分散性；但當聚丙烯酰胺摻量大于0.8%后，砂漿中會出現“結團”現象，聚丙烯酰胺的絮凝作用呈下降趨勢，同時砂漿的pH值和懸濁物含量會增大。綜上所述，當AP8和AP10摻量相同時，摻加AP8的砂漿pH值和懸濁物含量均高于AP10，即摻加AP10砂漿的抗分散性優于AP8。

圖1 聚丙烯酰胺對砂漿pH值的影響

圖2 聚丙烯酰胺對砂漿懸濁物含量的影響

由圖3可知，隨著聚丙烯酰胺摻量的增加，摻加AP8和AP10的砂漿的流動度均會降低，而且摻加AP8的砂漿流動度與AP10相接近。

綜合圖1、圖2和圖3的實驗結果分析，AP10摻量為0.8%的抗分散性最優，因此下面就聚丙烯酰胺AP10摻量為0.8%的前提下，展開試驗分析。

3.2 粉煤灰摻量對砂漿抗分散性和流動性的影響

粉煤灰摻量對改性砂漿pH值、懸濁物含量影響變化分別如圖4、圖5所示，隨著粉煤灰摻量的增加，改性后砂漿的pH值和懸濁物含量均呈減小趨勢，當摻量超過17%時，改性后砂漿的pH值和懸濁物含量變化幅度降低，表明粉煤灰摻量的增加會使砂漿的抗分散性降低。

圖5 粉煤灰對砂漿懸濁物含量影響

粉煤灰摻量對改性后砂漿流動性影響規律如圖6所示，隨著粉煤灰摻量的增加，改性后砂漿流動度呈增大趨勢，歸結于粉煤灰球形顆粒的微結構形態，砂漿中摻入粉煤灰使改性砂漿內部摩阻力減少，即增加漿體中有效用水量，改善水泥基材的孔結構從而提高砂漿的流動度。

綜合圖4～圖6的實驗結果分析，兼顧經濟效益考慮，在以下試驗中選擇粉煤灰摻量為17%進行試驗。

圖4 粉煤灰對砂漿pH值影響

圖6 粉煤灰對砂漿流動性影響

3.3 減水劑摻量對砂漿抗分散性和流動性的影響

不同減水劑摻量對改性后砂漿的pH值、懸濁物含量和流動性的影響規律分別如圖7～圖9所示，隨著減水劑摻量的增加，改性后砂漿的pH值、懸濁物含量和流動性相應增大，即摻加減水劑的改性砂漿抗分散性逐漸降低。綜合圖7～圖9所示的試驗結果分析，兼顧抗分散性和流動性及經濟效益方面考慮，在以下試驗中選擇減水劑摻量為1.3%進行試驗。

圖7 減水劑對砂漿pH值影響

圖9 減水劑對砂漿流動性影響

3.4 水下抗分散混凝土試驗分析

混凝土的澆筑與養護方法根據GB/T 37990-2019標準[10]。基于上述改性后砂漿的研究討論，確定水下抗分散混凝土配合比如表2所示。水下抗分散混凝土性能檢測如表3所示，從表中可得新拌混凝土的pH值、懸濁物含量、擴展度、7天抗壓強度、28天抗壓強度以及28天水陸強度比均滿足GB/T 37990-2019標準[10]的要求，表明其具有較優的抗分散性、流動性以及抗壓強度。

表2 水下抗分散混凝土配合比

表3 水下抗分散混凝土性能檢測結果

圖8 減水劑對砂漿懸濁物含量影響

4 結論

（1）通過對比不同分子量及不同摻量的聚丙烯酰胺、粉煤灰以及減水劑對砂漿抗分散性和流動性影響的試驗數據，分析出不同分子量下各摻量對砂漿抗分散性和流動性的影響規律以及原因。確定了聚丙烯酰胺最佳分子量為AP10，聚丙烯酰胺、粉煤灰、減水劑最佳摻量依次為：0.8%、17%、1.3%；

（2）確定了當聚丙烯酰胺的分子量為1 000萬，水泥、水、砂子、石子、聚丙烯酰胺、粉煤灰、減水劑摻量分別為2 kg、1 kg、3.24 kg、5.34 kg、0.8%、17%、1.3%時，復配出的水下抗分散混凝土兼具最優的抗分散性、流動性以及抗壓強度，同時符合規范要求，其28天抗壓強度比可達87.6%。