高流动性水下抗分散混凝土的配制研究

陈黎明

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北涿州 072750）

1 引言

水下抗分散混凝土的特性体现在施工作业时可直接在水中浇筑成型，且不易发生分散与离析，并能确保浇筑混凝土的质量和强度，因此被国内外学者广泛赞誉为“新一代的混凝土技术革新”[1]。相较于普通混凝土，水下抗分散混凝土的核心体现在抗分散剂，即水溶性高分子聚合物，其水解后形成的长链相互交叉、络合形成网络状结构，同时络合水泥水化过程中形成的水化产物，形成密实的网络状结构，从而提高混凝土强度。

目前国内外研究学者对絮凝剂的应用以及水下抗分散混凝土的配制进行了相应的研究。例如，贵州中建建筑科研设计院[2]采用自主研制的具有高强度高抗离析性能的ZJ-1型絮凝剂，成功配制出水陆强度和抗离析指标分别大于85%和92.6%的水下抗分散混凝土；高礼雄等[3]选用铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥以及水石膏构成三元胶凝体系，通过控制凝结时间制备出了自流平水下抗分散铝酸盐水泥基砂浆；相关学者[4-5]提出水下抗分散混凝土复配时采用大掺量粉煤灰可达到降低混凝土水化热，提高混凝土耐久性的效果。由此可见，国内学者多集中于工程实际应用与抗分散混凝土的配置研究，国外学者则多集中于抗分散剂的讨论研究，而现阶段缺乏对抗分散剂与混凝土材料配合比匹配性研究，因此开展抗分散剂与混凝土材料配合比匹配性研究对配制出较优抗分散性和流动性的水下抗分散混凝土十分关键。目前试验研究以及工程中应用的絮凝剂主要以纤维素醚类和多聚糖类为主，纤维素醚类包含：羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、甲基纤维素等；多聚糖类包含：壳聚糖、黄原胶、韦兰胶。由于纤维素醚类絮凝剂会使混凝土出现引气现象，而且多聚糖类和纤维素醚类价格均比较昂贵，因此本文选择用聚丙烯酰胺为絮凝剂进行试验，并立足于研究聚丙烯酰胺最佳分子量、最佳掺量的基础上，着重讨论不同掺量的粉煤灰、减水剂对改性后砂浆的pH值、悬浊物含量以及流动性能的影响，对比分析改性后砂浆抗分散性和流动性的变化规律及其原因。在此基础上提出水下抗分散混凝土复配配合比，通过28 天水陆抗压强度对比，确定最佳混凝土配合比。

2 试验

2.1 原材料

为满足实验要求，实验中所选用的原材料明细如表 1所示。

表1 原材料生产厂家及技术要求

2.2 试验方案

2.2.1 砂浆的基础配比

首先确定砂浆的基础配比为水泥 : 砂 : 水=1 : 3 : 0.5，在基础配比确定的前提下展开不同分子量、不同掺量的聚丙烯酰胺以及不同掺量的粉煤灰和减水剂对改性后砂浆流动性、悬浊物含量、pH值的影响研究，并对其变化规律展开讨论分析，最终确定聚丙烯酰胺的最佳分子量、最佳掺量以及粉煤灰、减水剂的最佳掺量。在上述各掺量明确的前提下提出水下抗分散混凝土复配配合比，再通过28天水陆抗压强度对比，确定混凝土的最佳配合比。

2.2.2 流动性的测定

流动性测定试验的目的是测定不同水胶比、不同掺量的絮凝剂和减水剂掺入到水泥浆中后，对扩展度变化的影响，试验方法依据《混凝土外加剂匀质性试验方法》[9]。

2.2.3 悬浊物含量及水陆强度比测定

悬浊物含量及水陆强度比按GB/T 37990-2019《水下不分散混凝土絮凝剂技术要求》标准[10]进行试验。

（1）悬浊物含量的测定。悬浊物含量计算公式为：

式（1）中，S为悬浊物含量，mg/L；m1为滤纸和表面皿的质量，mg；m2为含悬浊物的滤纸和表面皿的质量，mg；V为量筒所量取的试样容积，mL。取两次结果算术平均值，修正算术平均值为整数。

（2）水陆强度比测试。分别测试空气中成型和水下成型试件的28天抗压强度，水陆强度比计算公式为：

式（2）中，RS为水陆强度比，%；fW为水下成型的受检混凝土28天抗压强度，MPa；fA为空气中成型的受检混凝土28天抗压强度，MPa。

3 试验结果与分析

3.1 聚丙烯酰胺对砂浆抗分散性和流动性的影响

为探究聚丙烯酰胺的最优分子量及最佳掺量，提出用AP8（分子量800万）和AP10（分子量1 000万）2种分子量分别以掺量为水泥质量的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%掺加于水泥砂浆中，测试出不同分子量和不同掺量的聚丙烯酰胺对水泥砂浆pH值、悬浊物含量以及流动性的影响，其变化规律如图1～图 3所示。

图3 聚丙烯酰胺对砂浆流动性的影响

由图1、图2可知，随着聚丙烯酰胺掺量的增加，掺加AP8和AP10的砂浆pH值和悬浊物含量均呈现先减小后增大趋势，当聚丙烯酰胺的掺量为0.8%时，掺加两种分子量所对应的砂浆中的pH值和悬浊物含量均为最小。主要原因在于聚丙烯酰胺具有较强的絮凝作用，随着聚丙烯酰胺掺量的增加，其絮凝效果逐渐增加，表现出良好的抗分散性；但当聚丙烯酰胺掺量大于0.8%后，砂浆中会出现“结团”现象，聚丙烯酰胺的絮凝作用呈下降趋势，同时砂浆的pH值和悬浊物含量会增大。综上所述，当AP8和AP10掺量相同时，掺加AP8的砂浆pH值和悬浊物含量均高于AP10，即掺加AP10砂浆的抗分散性优于AP8。

图1 聚丙烯酰胺对砂浆pH值的影响

图2 聚丙烯酰胺对砂浆悬浊物含量的影响

由图3可知，随着聚丙烯酰胺掺量的增加，掺加AP8和AP10的砂浆的流动度均会降低，而且掺加AP8的砂浆流动度与AP10相接近。

综合图1、图2和图3的实验结果分析，AP10掺量为0.8%的抗分散性最优，因此下面就聚丙烯酰胺AP10掺量为0.8%的前提下，展开试验分析。

3.2 粉煤灰掺量对砂浆抗分散性和流动性的影响

粉煤灰掺量对改性砂浆pH值、悬浊物含量影响变化分别如图4、图5所示，随着粉煤灰掺量的增加，改性后砂浆的pH值和悬浊物含量均呈减小趋势，当掺量超过17%时，改性后砂浆的pH值和悬浊物含量变化幅度降低，表明粉煤灰掺量的增加会使砂浆的抗分散性降低。

图5 粉煤灰对砂浆悬浊物含量影响

粉煤灰掺量对改性后砂浆流动性影响规律如图6所示，随着粉煤灰掺量的增加，改性后砂浆流动度呈增大趋势，归结于粉煤灰球形颗粒的微结构形态，砂浆中掺入粉煤灰使改性砂浆内部摩阻力减少，即增加浆体中有效用水量，改善水泥基材的孔结构从而提高砂浆的流动度。

综合图4～图6的实验结果分析，兼顾经济效益考虑，在以下试验中选择粉煤灰掺量为17%进行试验。

图4 粉煤灰对砂浆pH值影响

图6 粉煤灰对砂浆流动性影响

3.3 减水剂掺量对砂浆抗分散性和流动性的影响

不同减水剂掺量对改性后砂浆的pH值、悬浊物含量和流动性的影响规律分别如图7～图9所示，随着减水剂掺量的增加，改性后砂浆的pH值、悬浊物含量和流动性相应增大，即掺加减水剂的改性砂浆抗分散性逐渐降低。综合图7～图9所示的试验结果分析，兼顾抗分散性和流动性及经济效益方面考虑，在以下试验中选择减水剂掺量为1.3%进行试验。

图7 减水剂对砂浆pH值影响

图9 减水剂对砂浆流动性影响

3.4 水下抗分散混凝土试验分析

混凝土的浇筑与养护方法根据GB/T 37990-2019标准[10]。基于上述改性后砂浆的研究讨论，确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检测如表3所示，从表中可得新拌混凝土的pH值、悬浊物含量、扩展度、7天抗压强度、28天抗压强度以及28天水陆强度比均满足GB/T 37990-2019标准[10]的要求，表明其具有较优的抗分散性、流动性以及抗压强度。

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检测结果

图8 减水剂对砂浆悬浊物含量影响

4 结论

（1）通过对比不同分子量及不同掺量的聚丙烯酰胺、粉煤灰以及减水剂对砂浆抗分散性和流动性影响的试验数据，分析出不同分子量下各掺量对砂浆抗分散性和流动性的影响规律以及原因。确定了聚丙烯酰胺最佳分子量为AP10，聚丙烯酰胺、粉煤灰、减水剂最佳掺量依次为：0.8%、17%、1.3%；

（2）确定了当聚丙烯酰胺的分子量为1 000万，水泥、水、砂子、石子、聚丙烯酰胺、粉煤灰、减水剂掺量分别为2 kg、1 kg、3.24 kg、5.34 kg、0.8%、17%、1.3%时，复配出的水下抗分散混凝土兼具最优的抗分散性、流动性以及抗压强度，同时符合规范要求，其28天抗压强度比可达87.6%。