深水区水下不分散混凝土抗分散剂的配制研究

陈卫涛

(中铁十八局集团有限公司勘察设计院，天津 300000)

1 试验概述

传统水下混凝土主要是针对静水环境下施工，混凝土的强度也相对低，随着我国经济的快速发展，海底隧道、跨江、跨海大桥等深水区域的施工越来越多，相应的对混凝土的流动性、抗分散性、强度和耐久性要求越来越高。深水区水下混凝土施工能否顺利进行一方面取决于配套的施工装备技术，另一方面取决于混凝土自身的抗分散性能和高流动性的协调一致，现有的抗分散剂在深水区不能完全满足工程要求。

目前所研制的抗分散剂的主剂大部分是水溶性纤维素醚或水溶性丙烯酸类的聚合物[1]。中国石油天然气总公司工程技术研究院生产的UWB系列抗分散剂，其中分为缓凝型、普通型、早强型、双快型、注浆型以及高性能型[2]。丁庆军[3]等通过快硬硫铝酸盐水泥，高效减水剂、缓凝剂、早强剂及抗水分散剂制备出适合水下施工的抗分散灌浆材料；刘昌国和李冬梅[4-5]也以快硬硫铝酸盐水泥为胶凝材料开发出水下快速施工材料。

本文选取不同分子量、不同掺量的聚丙烯酰胺PAM以及不同掺量的减水剂(PC)，对水泥净浆和砂浆的扩展度、透明度(水的清澈程度)、pH、浊度(水的浑浊程度)、抗压强度、水陆强度比(在空气中浇注与水下浇注成型混凝土的强度比值)进行性能分析。通过试验研究首先确定絮凝剂的最佳分子量，絮凝剂与减水剂的适应性和掺量优化，在此基础上应用于混凝土中，测试其扩展度、抗分散性以及抗压强度，确定水下不分散混凝土抗分散剂的最佳掺量和组成。

所用试验原材料：水泥，冀东水泥厂生产的P.O42.5级普通硅酸盐水泥；河砂，细度模数2.7，含泥量0.9%，表观密度2.35 kg·m-3；粉煤灰，阳逻Ⅱ级粉煤灰，细度18%，烧失量3.4%；减水剂，保定金钟制药有限公司聚羧酸减水剂；聚丙烯酰胺，分子量分别为800万(AP8)、1 600万(AP16)和2 000万(AP20)，市售；拌和水：自来水。

2 水下不分散混凝土抗分散剂的配制

2.1 PAM对水泥净浆的影响

2.1.1 PAM对水泥净浆扩展度的影响

为初步确定PAM的适宜分子量和掺量，测试了不同分子量和不同掺量的PAM对水泥净浆扩展度的影响，结果如图1所示。试验中PC和PAM掺量分别为水泥质量的0.5%和0.1%～1.0%。

图1 水泥净浆扩展度

由图1得出：相同分子量的PAM在PC掺量相同时，随着PAM掺量的增加，水泥净浆扩展度逐渐降低；相同掺量的PAM在分子量不同时，随着PAM分子量的增加，水泥净浆扩展度逐渐降低。AP8和AP20随着掺量的增加，其水泥净浆扩展度变化均较小；AP16对水泥净浆扩展度的变化较大，即AP16的掺量对水泥净浆扩展度的影响较大。

2.1.2 PAM对水泥净浆抗分散性的影响

进行透明度试验，以观察透明玻璃杯中水泥净浆拌和物的变化，杯中的水越浑浊，其抗分散性越差，相反其抗分散性好。

由表1得掺加AP8和AP20的水泥净浆的透明度均较差，即AP16掺量为0.3%、0.5%时，水泥净浆透明度试验中烧杯内透明度好，即抗分散性较好。

表1 水泥净浆透明度

2.2 PAM对砂浆抗分散性能的影响

为进一步明晰PAM的最佳分子量和掺量，进行砂浆抗分散性能试验，结合工程需要，砂浆的水灰比为0.48。

2.2.1 水泥砂浆抗分散试验

砂浆抗分散性的透明度试验结果如表2所示。从试验结果得，在AP16掺量是0.5%时，随着PC掺量的增加，杯中的水未变浑浊，说明具有很好的抗分散性，且不会随着PC的掺量增加而改变，表明PC与AP16的相容性良好。

表2 水泥砂浆外加剂掺量与透明度关系

砂浆的pH值和浊度试验结果如表3所示，也表明当AP16掺量为0.5%时，砂浆的pH值和浊度均是最小值，进一步证明AP16最佳掺量是0.5%。当PC掺量一定时，随着AP16掺量的增加，砂浆的pH值和浊度均降低，因为PAM具有好的絮凝效果；当AP16掺量一定时，随着PC掺量的增加，砂浆的pH值和浊度均增大，主要是PC改善了砂浆的流动性。

表3 砂浆抗分散性试验结果

2.2.2 水泥砂浆扩展度分析

试验中不掺加PAM和PC时，水泥砂浆的扩展度为112 mm；当AP16的掺量为0.5%时，PC的用量对水泥砂浆流动度影响的试验结果如表4所示。AP16掺量为0.5%时，水泥砂浆的抗分散性能良好，所以拌制混凝土时，以PC的掺量为2.0%进行混凝土相关性能试验。

表4 砂浆扩展度试验结果

2.2.3 水泥砂浆强度试验

为进一步明晰AP16掺量对硬化砂浆强度影响规律，测试了7 d砂浆的水陆强度，结果如表5所示。从表中可以看出随着AP16掺量的增加，水泥砂浆的抗折和抗压强度均增大，主要原因是砂浆的流动性满足施工要求：随絮凝剂掺量增加，水泥的流失量在降低，相应的强度在增加。试验结果也表明当PC掺量为2%、AP16掺量为0.45%时，水泥砂浆的抗折和抗压水陆强度比均最大。

表5 水泥砂浆抗折抗压强度

由以上分析可得，AP16掺量为0.45%时其抗分散性、流动性能和强度满足设计要求，也有利于节约成本。

2.3 水下不分散混凝土试验分析

按照C40混凝土配合比设计进行混凝土拌和，模仿实际工程中的导管法施工(如图2所示)，选取了800 mm×600 mm×800 mm 的透明树脂板加工水箱，通过1根空心的PVC管将混凝土浇入水深为450 mm试模中。水温保持20±1 ℃，浇筑完成1 h时，将试模取出对试件表面抹平后再放回水中，24 h时拆模将试件放入标准养护箱进行养护。

为满足不同施工环境对抗分散性能要求，根据水泥净浆和砂浆的试验结果，PC掺量为2.0%，调整AP16的用量为0.40%、0.45%、0.50%、0.55%。根据《水下不分散混凝土试验规程》(DL5117-2000)，水泥、砂子、石子、水的掺量分别为4.0 kg、6.975 kg、10.24 kg、2.6 kg(拌制15 L的用量)。

图2 模拟导管法水下浇筑示意图

2.3.1 水下不分散混凝土扩展度

各组混凝土扩展度试验结果如表6所示。由表6可知，PC掺量为2%时，混凝土扩展度随着AP16掺量的增加而降低；当AP16掺量大于0.45%时，混凝土的流动度明显降低，且不能满足设计要求。掺量为0.40%时，在装模振动过程中混凝土有轻微的泌水现象，原因是PC用量过多或者振捣时间太长导致的泌水，因此水下不分散混凝土的AP16掺量需小于0.45%。

表6 混凝土扩展度与AP16掺量关系

2.3.2 水下不分散混凝土抗压强度

水下混凝土成型试模尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，水下成型24 h标养，所测结果如表7所示，其中粉煤灰掺量为水泥质量的百分比。由表7可得，当粉煤灰掺量为12%～15%，随着粉煤灰掺量的增加，水下不分散混凝土的流动度和抗压强度增大，pH值、浊度均降低。当粉煤灰掺量大于17%，随着粉煤灰掺量的增加，水下不分散混凝土的流动度增大，pH值、浊度均增大，抗压强度降低，所以粉煤灰的掺量应低于17%。

表7 不同粉煤灰掺量的水下不分散混凝土性能检测指标

在粉煤灰掺量确定后，AP16掺量对混凝土抗分散性和强度结果如表8所示。从表8可得：随着AP16掺量的增加，水下不分散混凝土的抗压强度增加，pH值、浊度均降低，抗分散性越好，在水中养护7 d强度发展快。当聚丙烯酰胺掺量大于0.45%时，混凝土拌和物的扩展度不符合设计要求；由结果得，AP16掺量不小于0.45%时，具有良好的抗分散性。因此在配制混凝土时候应选择分子量为1 600万的聚丙烯酰胺作为絮凝剂，掺量为0.45%。

表8 AP16掺量变化下水下不分散混凝土的性能检测指标

3 结论

(1) 固定PC的掺量为0.5%，拌制水下抗分散水泥净浆，通过对扩展度和抗分散性对比分析，得出AP16的掺量为0.3%和0.5%时，所配制出的水泥净浆具有良好抗分散性和流动性。

(2) 以水泥砂浆为基体，验证并调整AP16和PC的掺量，证实AP16的掺量为0.5%、PC的掺量为2%时，拌制的水泥砂浆具有良好的抗分散性和扩展度。

(3)AP16为抗分散剂、掺量为0.45%，PC掺量为2.0%，粉煤灰的掺量为17%，水泥、砂子、石子、水的掺量分别为4.0 kg、6.975 kg、10.24 kg、2.6 kg时，水下不分散混凝土的抗分散性、流动性、抗压强度均能满足要求。