摘要: 通过对聚丙烯系絮凝剂进行改性并优化水下不分散剂的配方, 研制出工作性好、抗分散能力强、坍落度保持性能好、强度损失小的HLC- IV 新型聚丙烯系混凝土水下不分散剂, 并在连云港太平庄闸应急加固工程中得到了良好应用。
关键词: 混凝土水下不分散剂; 水下混凝土; 聚丙烯系; 应用; 太平庄闸
1 引言
水下不分散混凝土是将以絮凝剂为主的水下不分散剂加入到新拌混凝土中, 使其与水泥颗粒表面生成离子键或共价键, 起到压缩双电层、吸附水泥颗粒和保护水泥的作用。同时, 水泥颗粒之间、水泥与骨料之间, 可通过絮凝剂的高分子长链的“桥架”作用, 使拌合物形成稳定的空间柔性网络结构,提高新拌混凝土的粘聚力, 限制新拌混凝土的分散、离析及避免水泥流失[1]。
自德国Sibo 公司于1974 年首先研制应用以来, 水下不分散混凝土的研究和应用已有30 多年的历史, 在水利、桥梁、海洋工程等领域发挥了巨大的作用[2- 3]。据Sonebi 和Khayat 等人[4- 5]的文献报导,近年常用的水下不分散剂的主要成分为welan 树脂和纤维素类, 并辅以粉煤灰、磨细矿渣、缓凝剂、萘磺酸盐和密胺树脂等。
目前, 我国混凝土水下不分散剂有聚丙烯系和纤维素系两大类。掺加纤维素系水下不分散剂的混凝土凝结时间较长, 强度偏低;而掺加聚丙烯系水下不分散剂的混凝土存在需水量大、拌合物坍落度损失大的缺点。
南京水利科学研究院于20 世纪90 年代初成功开发出混凝土水下不分散剂, 于1993 年通过电力工业部组织的专家鉴定, 掺水下不分散剂的混凝土具有在水中不分离、能自流平自密实、在水中强度损失少等优点, 已广泛应用于新安江电站桥墩水下加固、马迹塘浅孔护坦补强、舟山港及扬州港等工程中。针对现有混凝土水下不分散剂的前述问题, 在过去科研成果的基础上[6], 对聚丙烯系絮凝剂从聚合物的分子结构、分子量、分子链的聚合方式等出发, 并接枝上一定的减水功能基团( 如羧基、磺酸基等) , 合成出了性能良好的新型聚丙烯系絮凝剂( PAM) , 并通过优化配方研制成功了HLC- IV 新型聚丙烯系混凝土水下不分散剂( 以下简称HLCIV)。该产品具有工作性能好、抗分散能力强、坍落度保持性能好、强度损失小等优点, 并在有关工程中得到了良好应用。
2 试验
2.1 试验原材料
水泥: 南京天宝山水泥有限公司产天宝P.O42.5; 砂子:河砂, 细度模数2.6; 碎石: 碎石, 10～20mm 连续级配; 水溶性聚丙烯系絮凝剂PAM(A) : 市售及自制改性均有; 高效减水剂(B): 萘磺酸盐减水剂, 自备; 有机保塑材料(C): 市售; 无机增强材料(D) : 市售。
2.2 试验方法
2.2.1 混凝土试件成型方法
水下试件的成型方法参考DL/T 5117- 2000《水下不分散混凝土试验规程》, 将150 mm×150 mm×150 mm 试模置于水箱中, 水面与试模顶部高差500mm, 用手铲自水面处分批倒入混凝土拌合物, 料量超出试模表面, 然后水中取出并用木锤轻敲试模两侧排水, 再将试模放入水中养护。陆上试件成型时试模放在空气中, 其余同水下试件的成型方法。
2.2.2 pH 值测定
在1 000 mL 烧杯中加入800 mL 水, 用手铲铲一份水下不分散混凝土或砂浆倒入水中, 烧杯静置3min 后, 用酸度计测定水的pH 值, 评价其抗分散性。
2.3 试验结果与讨论
2.3.1 不同聚丙烯系絮凝剂对混凝土性能的影响为考察用不同方法改性制备PAM 的效果, 我们用几种不同的聚丙烯系絮凝剂复配成HLC- IV 进行性能试验, 并与市售水下不分散剂进行了对比,结果如表1 所示。
表1 不同聚丙烯系絮凝剂与混凝土用水量及工作度的关系
注: 1. PAM为改性前聚丙烯系絮凝剂, PAM1、PAM2 和PAM3分别为三种改性产品, 以上絮凝剂均加入其他组分复配成水下不分散剂后掺入混凝土; 2. 混凝土配合比为水泥: 砂: 石子=1: 1.36: 1.88。
从表1 中结果可以看出, 在保持混凝土初始坍落度基本相同的情况下, 改性前PAM用水量最大,甚至比市售产品略差; 几种改性产品性能均有提高, 其中掺PAM2 的混凝土用水量最低。从坍落度和坍扩度及其经时损失来看, 除了PAM2 外, 其他各组均有较大程度的下降。由此可见采用改性聚丙烯系絮凝剂PAM2 复配成HLC- IV 后使用能够明显改善新拌混凝土性能, 同时由于单方混凝土用水量减少, 对强度也应有较大提高。
2.3.2 不同原料组成对HLC- Ⅳ水下不分散剂的性能影响
使用改性后的聚丙烯系絮凝剂PAM2 复配成HLC- IV 水下不分散剂, 对于HLC- IV 四种主要组成原材料进行正交试验, 确定其最佳配方。本试验固定HLC- IV 掺量为3%, 通过砂浆跳桌流动度、酸度计测定砂浆倒入水中后的pH 值和砂浆陆上抗压强度, 分别考察其工作性能、不分散性和对强度的影响情况, 试验结果见表2。
由表2 结果可以看到, 从流动度及其经时损失来看, 组分A 的用量在3%时最好, 5%时略有下降,而7%时则下降很多, 尤其是流动度损失, 可能是由于PAM的缓慢溶胀、溶解过程需要吸收大量的水,可见配方中絮凝剂组分不宜过多; 组分B 的用量则是越大越好; 组分C 对流动度损失的影响很大, 用量越多则损失越小。从pH 值来看, 组分A 为3%时, 砂浆的粘聚性较差, 达不到抗分散的效果, 用量提高到5%～7%左右后, 不分散性变化不大; 其它组分则影响较小。从抗压强度看, 组分A 的用量从3%提高到5%强度下降不多, 提高到7%则有明显下降; 组分C 的影响较小, 而组分B 和D 则是越多强度越高。从上述三个指标可以看到, 第6 组的综合性能最佳, 故确定HLC- IV 的最佳配方为A:B:C:D =5:45:7:40。
2.3.3 不同HLC- IV 掺量对混凝土强度的影响
混凝土中掺加不同用量的HLC- IV 对混凝土性能的影响见表3, 试验中控制初始坍落度在220±20 mm。从表3 可见, 随着HLC- IV 掺量的增大, 混凝土的水陆抗压强度比增大, 表明不分散性提高; 但HLC- IV 掺量增大, 导致用水量增大, 从而陆上强度绝对值降低, 而且掺量过高, 坍落度及坍扩度损失也较大。HLC- IV 掺量在3%时, 坍落度和坍扩度损失小, 7d 和28d 水陆强度比达到82%和75%, 符合水下不分散混凝土的性能要求, 工程中推荐使用。3 HLC- I V 在太平庄闸应急加固工程中的应用
3.1 工程简介
太平庄闸位于东海县浦南乡新沭河上, 建成于1977 年7 月, 共22 孔, 每孔净宽5.0 m, 每孔净高5.2 m, 总宽度131.0 m。设计最大过闸流量为1 000m3 /s, 该闸的主要作用为挡潮、蓄淡。由于早期施工时的技术限制, 且经过多年的运行, 临海侧消力槛下游护坦已经出现多处冲坑, 需要进行应急加固。
但因施工部位在水下3～4 m, 同时施工又受潮水影响, 故需要使用水下不分散混凝土施工技术。
3.2 应用情况
工程使用商品混凝土, 从出料到浇筑现场约20 km, 现场采用柴油地泵输送, 输送距离约150 m左右, 综合考虑现场调度等因素, 要求混凝土基本无坍落度损失。由于冲坑内地形复杂, 要求混凝土具有良好流动性, 对强度则无过高要求, 故确定混凝土设计性能为: C20 混凝土, 坍落度为220～240mm, 坍扩度为450～500 mm。工程所使用的原材料为: 山东大宇P.O 42.5 水泥; 郯城中粗砂, 细度模数2.9; 大岛山碎石, 10～20 mm 连续级配; HLC- IV水下不分散剂, 外掺3%。经试验室试配和现场中试, 确定单方混凝土配合比为水泥∶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, 坍落度为225 mm,坍扩度为460 mm, 7d 水下试件强度18.2MPa, 水陆强度比0.84, 28 d 水下试件强度27.8MPa, 水陆强度比0.76。施工现场抽样检验, 完全满足工程设计工作度及强度要求。整个修补加固工程工艺简单, 工期短, 确保在汛期前优质快速完成了对太平庄闸的应急加固
参考文献:
[1] 买淑芳. 混凝土聚合物复合材料及其应用[M] . 北京:科学技术文献出版社, 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] 刘希和, 于凤琴译. 水下不分散混凝土设计与施工指南[M].北京:水利水电出版社, 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] 林宝玉, 蔡跃波, 单国良.水下不分散混凝土的研究和应用[J].水力发电学报, 1995, ( 3) : 22- 33.
