高流動(dòng)性水下抗分散混凝土的配制研究

陳黎明

（中鐵十八局集團(tuán)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(xiàn)在施工作業(yè)時(shí)可直接在水中澆筑成型，且不易發(fā)生分散與離析，并能確保澆筑混凝土的質(zhì)量和強(qiáng)度，因此被國內(nèi)外學(xué)者廣泛贊譽(yù)為“新一代的混凝土技術(shù)革新”[1]。相較于普通混凝土，水下抗分散混凝土的核心體現(xiàn)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(luò)合形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)絡(luò)合水泥水化過程中形成的水化產(chǎn)物，形成密實(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土強(qiáng)度。

目前國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)絮凝劑的應(yīng)用以及水下抗分散混凝土的配制進(jìn)行了相應(yīng)的研究。例如，貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院[2]采用自主研制的具有高強(qiáng)度高抗離析性能的ZJ-1型絮凝劑，成功配制出水陸強(qiáng)度和抗離析指標(biāo)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(gòu)成三元膠凝體系，通過控制凝結(jié)時(shí)間制備出了自流平水下抗分散鋁酸鹽水泥基砂漿；相關(guān)學(xué)者[4-5]提出水下抗分散混凝土復(fù)配時(shí)采用大摻量粉煤灰可達(dá)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(nèi)學(xué)者多集中于工程實(shí)際應(yīng)用與抗分散混凝土的配置研究，國外學(xué)者則多集中于抗分散劑的討論研究，而現(xiàn)階段缺乏對(duì)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(duì)配制出較優(yōu)抗分散性和流動(dòng)性的水下抗分散混凝土十分關(guān)鍵。目前試驗(yàn)研究以及工程中應(yīng)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(huì)使混凝土出現(xiàn)引氣現(xiàn)象，而且多聚糖類和纖維素醚類價(jià)格均比較昂貴，因此本文選擇用聚丙烯酰胺為絮凝劑進(jìn)行試驗(yàn)，并立足于研究聚丙烯酰胺最佳分子量、最佳摻量的基礎(chǔ)上，著重討論不同摻量的粉煤灰、減水劑對(duì)改性后砂漿的pH值、懸濁物含量以及流動(dòng)性能的影響，對(duì)比分析改性后砂漿抗分散性和流動(dòng)性的變化規(guī)律及其原因。在此基礎(chǔ)上提出水下抗分散混凝土復(fù)配配合比，通過28 天水陸抗壓強(qiáng)度對(duì)比，確定最佳混凝土配合比。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

為滿足實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)中所選用的原材料明細(xì)如表 1所示。

表1 原材料生產(chǎn)廠家及技術(shù)要求

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 砂漿的基礎(chǔ)配比

首先確定砂漿的基礎(chǔ)配比為水泥 : 砂 : 水=1 : 3 : 0.5，在基礎(chǔ)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(duì)改性后砂漿流動(dòng)性、懸濁物含量、pH值的影響研究，并對(duì)其變化規(guī)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(fù)配配合比，再通過28天水陸抗壓強(qiáng)度對(duì)比，確定混凝土的最佳配合比。

2.2.2 流動(dòng)性的測定

流動(dòng)性測定試驗(yàn)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(duì)擴(kuò)展度變化的影響，試驗(yàn)方法依據(jù)《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》[9]。

2.2.3 懸濁物含量及水陸強(qiáng)度比測定

懸濁物含量及水陸強(qiáng)度比按GB/T 37990-2019《水下不分散混凝土絮凝劑技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)[10]進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）懸濁物含量的測定。懸濁物含量計(jì)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(zhì)量，mg；m2為含懸濁物的濾紙和表面皿的質(zhì)量，mg；V為量筒所量取的試樣容積，mL。取兩次結(jié)果算術(shù)平均值，修正算術(shù)平均值為整數(shù)。

（2）水陸強(qiáng)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(qiáng)度，水陸強(qiáng)度比計(jì)算公式為：

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

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 聚丙烯酰胺對(duì)砂漿抗分散性和流動(dòng)性的影響

為探究聚丙烯酰胺的最優(yōu)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(zhì)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(duì)水泥砂漿pH值、懸濁物含量以及流動(dòng)性的影響，其變化規(guī)律如圖1～圖 3所示。

圖3 聚丙烯酰胺對(duì)砂漿流動(dòng)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(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，當(dāng)聚丙烯酰胺的摻量為0.8%時(shí)，摻加兩種分子量所對(duì)應(yīng)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(qiáng)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(xiàn)出良好的抗分散性；但當(dāng)聚丙烯酰胺摻量大于0.8%后，砂漿中會(huì)出現(xiàn)“結(jié)團(tuán)”現(xiàn)象，聚丙烯酰胺的絮凝作用呈下降趨勢(shì)，同時(shí)砂漿的pH值和懸濁物含量會(huì)增大。綜上所述，當(dāng)AP8和AP10摻量相同時(shí)，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(yōu)于AP8。

圖1 聚丙烯酰胺對(duì)砂漿pH值的影響

圖2 聚丙烯酰胺對(duì)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(dòng)度均會(huì)降低，而且摻加AP8的砂漿流動(dòng)度與AP10相接近。

綜合圖1、圖2和圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，AP10摻量為0.8%的抗分散性最優(yōu)，因此下面就聚丙烯酰胺AP10摻量為0.8%的前提下，展開試驗(yàn)分析。

3.2 粉煤灰摻量對(duì)砂漿抗分散性和流動(dòng)性的影響

粉煤灰摻量對(duì)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(shì)，當(dāng)摻量超過17%時(shí)，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(huì)使砂漿的抗分散性降低。

圖5 粉煤灰對(duì)砂漿懸濁物含量影響

粉煤灰摻量對(duì)改性后砂漿流動(dòng)性影響規(guī)律如圖6所示，隨著粉煤灰摻量的增加，改性后砂漿流動(dòng)度呈增大趨勢(shì)，歸結(jié)于粉煤灰球形顆粒的微結(jié)構(gòu)形態(tài)，砂漿中摻入粉煤灰使改性砂漿內(nèi)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(jié)構(gòu)從而提高砂漿的流動(dòng)度。

綜合圖4～圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，兼顧經(jīng)濟(jì)效益考慮，在以下試驗(yàn)中選擇粉煤灰摻量為17%進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 粉煤灰對(duì)砂漿pH值影響

圖6 粉煤灰對(duì)砂漿流動(dòng)性影響

3.3 減水劑摻量對(duì)砂漿抗分散性和流動(dòng)性的影響

不同減水劑摻量對(duì)改性后砂漿的pH值、懸濁物含量和流動(dòng)性的影響規(guī)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(dòng)性相應(yīng)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(yàn)結(jié)果分析，兼顧抗分散性和流動(dòng)性及經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，在以下試驗(yàn)中選擇減水劑摻量為1.3%進(jìn)行試驗(yàn)。

圖7 減水劑對(duì)砂漿pH值影響

圖9 減水劑對(duì)砂漿流動(dòng)性影響

3.4 水下抗分散混凝土試驗(yàn)分析

混凝土的澆筑與養(yǎng)護(hù)方法根據(jù)GB/T 37990-2019標(biāo)準(zhǔn)[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(kuò)展度、7天抗壓強(qiáng)度、28天抗壓強(qiáng)度以及28天水陸強(qiáng)度比均滿足GB/T 37990-2019標(biāo)準(zhǔn)[10]的要求，表明其具有較優(yōu)的抗分散性、流動(dòng)性以及抗壓強(qiáng)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(jié)果

圖8 減水劑對(duì)砂漿懸濁物含量影響

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)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(duì)砂漿抗分散性和流動(dòng)性影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析出不同分子量下各摻量對(duì)砂漿抗分散性和流動(dòng)性的影響規(guī)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(dāng)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(shí)，復(fù)配出的水下抗分散混凝土兼具最優(yōu)的抗分散性、流動(dòng)性以及抗壓強(qiáng)度，同時(shí)符合規(guī)范要求，其28天抗壓強(qiáng)度比可達(dá)87.6%。