摘要: 通過對聚丙烯系絮凝劑進行改性并優化水下不分散劑的配方, 研制出工作性好、抗分散能力強、坍落度保持性能好、強度損失小的HLC- IV 新型聚丙烯系混凝土水下不分散劑, 并在連云港太平莊閘應急加固工程中得到了良好應用。
關鍵詞: 混凝土水下不分散劑; 水下混凝土; 聚丙烯系; 應用; 太平莊閘
1 引言
水下不分散混凝土是將以絮凝劑為主的水下不分散劑加入到新拌混凝土中, 使其與水泥顆粒表面生成離子鍵或共價鍵, 起到壓縮雙電層、吸附水泥顆粒和保護水泥的作用。同時, 水泥顆粒之間、水泥與骨料之間, 可通過絮凝劑的高分子長鏈的“橋架”作用, 使拌合物形成穩定的空間柔性網絡結構,提高新拌混凝土的粘聚力, 限制新拌混凝土的分散、離析及避免水泥流失[1]。
自德國Sibo 公司于1974 年首先研制應用以來, 水下不分散混凝土的研究和應用已有30 多年的歷史, 在水利、橋梁、海洋工程等領域發揮了巨大的作用[2- 3]。據Sonebi 和Khayat 等人[4- 5]的文獻報導,近年常用的水下不分散劑的主要成分為welan 樹脂和纖維素類, 并輔以粉煤灰、磨細礦渣、緩凝劑、萘磺酸鹽和密胺樹脂等。
目前, 我國混凝土水下不分散劑有聚丙烯系和纖維素系兩大類。摻加纖維素系水下不分散劑的混凝土凝結時間較長, 強度偏低;而摻加聚丙烯系水下不分散劑的混凝土存在需水量大、拌合物坍落度損失大的缺點。
南京水利科學研究院于20 世紀90 年代初成功開發出混凝土水下不分散劑, 于1993 年通過電力工業部組織的專家鑒定, 摻水下不分散劑的混凝土具有在水中不分離、能自流平自密實、在水中強度損失少等優點, 已廣泛應用于新安江電站橋墩水下加固、馬跡塘淺孔護坦補強、舟山港及揚州港等工程中。針對現有混凝土水下不分散劑的前述問題, 在過去科研成果的基礎上[6], 對聚丙烯系絮凝劑從聚合物的分子結構、分子量、分子鏈的聚合方式等出發, 并接枝上一定的減水功能基團( 如羧基、磺酸基等) , 合成出了性能良好的新型聚丙烯系絮凝劑( PAM) , 并通過優化配方研制成功了HLC- IV 新型聚丙烯系混凝土水下不分散劑( 以下簡稱HLCIV)。該產品具有工作性能好、抗分散能力強、坍落度保持性能好、強度損失小等優點, 并在有關工程中得到了良好應用。
2 試驗
2.1 試驗原材料
水泥: 南京天寶山水泥有限公司產天寶P.O42.5; 砂子:河砂, 細度模數2.6; 碎石: 碎石, 10～20mm 連續級配; 水溶性聚丙烯系絮凝劑PAM(A) : 市售及自制改性均有; 高效減水劑(B): 萘磺酸鹽減水劑, 自備; 有機保塑材料(C): 市售; 無機增強材料(D) : 市售。
2.2 試驗方法
2.2.1 混凝土試件成型方法
水下試件的成型方法參考DL/T 5117- 2000《水下不分散混凝土試驗規程》, 將150 mm×150 mm×150 mm 試模置于水箱中, 水面與試模頂部高差500mm, 用手鏟自水面處分批倒入混凝土拌合物, 料量超出試模表面, 然后水中取出并用木錘輕敲試模兩側排水, 再將試模放入水中養護。陸上試件成型時試模放在空氣中, 其余同水下試件的成型方法。
2.2.2 pH 值測定
在1 000 mL 燒杯中加入800 mL 水, 用手鏟鏟一份水下不分散混凝土或砂漿倒入水中, 燒杯靜置3min 后, 用酸度計測定水的pH 值, 評價其抗分散性。
2.3 試驗結果與討論
2.3.1 不同聚丙烯系絮凝劑對混凝土性能的影響為考察用不同方法改性制備PAM 的效果, 我們用幾種不同的聚丙烯系絮凝劑復配成HLC- IV 進行性能試驗, 并與市售水下不分散劑進行了對比,結果如表1 所示。
表1 不同聚丙烯系絮凝劑與混凝土用水量及工作度的關系
注: 1. PAM為改性前聚丙烯系絮凝劑, PAM1、PAM2 和PAM3分別為三種改性產品, 以上絮凝劑均加入其他組分復配成水下不分散劑后摻入混凝土; 2. 混凝土配合比為水泥: 砂: 石子=1: 1.36: 1.88。
從表1 中結果可以看出, 在保持混凝土初始坍落度基本相同的情況下, 改性前PAM用水量最大,甚至比市售產品略差; 幾種改性產品性能均有提高, 其中摻PAM2 的混凝土用水量最低。從坍落度和坍擴度及其經時損失來看, 除了PAM2 外, 其他各組均有較大程度的下降。由此可見采用改性聚丙烯系絮凝劑PAM2 復配成HLC- IV 后使用能夠明顯改善新拌混凝土性能, 同時由于單方混凝土用水量減少, 對強度也應有較大提高。
2.3.2 不同原料組成對HLC- Ⅳ水下不分散劑的性能影響
使用改性后的聚丙烯系絮凝劑PAM2 復配成HLC- IV 水下不分散劑, 對于HLC- IV 四種主要組成原材料進行正交試驗, 確定其最佳配方。本試驗固定HLC- IV 摻量為3%, 通過砂漿跳桌流動度、酸度計測定砂漿倒入水中后的pH 值和砂漿陸上抗壓強度, 分別考察其工作性能、不分散性和對強度的影響情況, 試驗結果見表2。
由表2 結果可以看到, 從流動度及其經時損失來看, 組分A 的用量在3%時最好, 5%時略有下降,而7%時則下降很多, 尤其是流動度損失, 可能是由于PAM的緩慢溶脹、溶解過程需要吸收大量的水,可見配方中絮凝劑組分不宜過多; 組分B 的用量則是越大越好; 組分C 對流動度損失的影響很大, 用量越多則損失越小。從pH 值來看, 組分A 為3%時, 砂漿的粘聚性較差, 達不到抗分散的效果, 用量提高到5%～7%左右后, 不分散性變化不大; 其它組分則影響較小。從抗壓強度看, 組分A 的用量從3%提高到5%強度下降不多, 提高到7%則有明顯下降; 組分C 的影響較小, 而組分B 和D 則是越多強度越高。從上述三個指標可以看到, 第6 組的綜合性能最佳, 故確定HLC- IV 的最佳配方為A:B:C:D =5:45:7:40。
2.3.3 不同HLC- IV 摻量對混凝土強度的影響
混凝土中摻加不同用量的HLC- IV 對混凝土性能的影響見表3, 試驗中控制初始坍落度在220±20 mm。從表3 可見, 隨著HLC- IV 摻量的增大, 混凝土的水陸抗壓強度比增大, 表明不分散性提高; 但HLC- IV 摻量增大, 導致用水量增大, 從而陸上強度絕對值降低, 而且摻量過高, 坍落度及坍擴度損失也較大。HLC- IV 摻量在3%時, 坍落度和坍擴度損失小, 7d 和28d 水陸強度比達到82%和75%, 符合水下不分散混凝土的性能要求, 工程中推薦使用。3 HLC- I V 在太平莊閘應急加固工程中的應用
3.1 工程簡介
太平莊閘位于東海縣浦南鄉新沭河上, 建成于1977 年7 月, 共22 孔, 每孔凈寬5.0 m, 每孔凈高5.2 m, 總寬度131.0 m。設計最大過閘流量為1 000m3 /s, 該閘的主要作用為擋潮、蓄淡。由于早期施工時的技術限制, 且經過多年的運行, 臨海側消力檻下游護坦已經出現多處沖坑, 需要進行應急加固。
但因施工部位在水下3～4 m, 同時施工又受潮水影響, 故需要使用水下不分散混凝土施工技術。
3.2 應用情況
工程使用商品混凝土, 從出料到澆筑現場約20 km, 現場采用柴油地泵輸送, 輸送距離約150 m左右, 綜合考慮現場調度等因素, 要求混凝土基本無坍落度損失。由于沖坑內地形復雜, 要求混凝土具有良好流動性, 對強度則無過高要求, 故確定混凝土設計性能為: C20 混凝土, 坍落度為220～240mm, 坍擴度為450～500 mm。工程所使用的原材料為: 山東大宇P.O 42.5 水泥; 郯城中粗砂, 細度模數2.9; 大島山碎石, 10～20 mm 連續級配; HLC- IV水下不分散劑, 外摻3%。經試驗室試配和現場中試, 確定單方混凝土配合比為水泥∶砂∶石子: HLCIV∶水=500:624∶934∶30∶266。按照上述配合比的拌合物粘聚性好, 不泌水, 自流平, 坍落度為225 mm,坍擴度為460 mm, 7d 水下試件強度18.2MPa, 水陸強度比0.84, 28 d 水下試件強度27.8MPa, 水陸強度比0.76。施工現場抽樣檢驗, 完全滿足工程設計工作度及強度要求。整個修補加固工程工藝簡單, 工期短, 確保在汛期前優質快速完成了對太平莊閘的應急加固
參考文獻:
[1] 買淑芳. 混凝土聚合物復合材料及其應用[M] . 北京:科學技術文獻出版社, 1996, 181- 189.
[2] Kamal Henni Khayat. Effects of anti- washout admixtures onfresh concrete properties [J]. ACI Materials Journal, 1995, 92 (2):164- 171.
[3] 劉希和, 于鳳琴譯. 水下不分散混凝土設計與施工指南[M].北京:水利水電出版社, 1993.
[4] M. Sonebi and K. H. Khayat. Effect of Mixture Composition onRelative Strength of Highly Flowable Underwater Concrete[J]. ACIMaterials Journal, 2001, 98(3): 233- 239.
[5] Kamal H. Khayat and Mohammed Sonebi. Effect of MixtureComposition on Washout Resistance of Highly Flowable UnderwaterConcrete[J]. ACI Materials Journal, 2001, 98(3): 289- 295.
[6] 林寶玉, 蔡躍波, 單國良.水下不分散混凝土的研究和應用[J].水力發電學報, 1995, ( 3) : 22- 33.
