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高保坍高强水下不分散混凝土的研究及在船台滑道工程中的应用

发布时间:2019-09-16 来 源 :武汉华轩高新

      水下直接浇筑混凝土可省去为创造干地施工条件所必须的围堰、基础防渗和基坑排水工程的工期和费用,是形成水中混凝土建筑物的主要方法。普通混凝土在水中抗分散性差、强度低,而水下不分散混凝土具有自流平、自密实、免振捣的性能而可简化水下工程的施工工艺,因此研制和应用水下不分散混凝土已成为水下混凝土的发展方向。但由于水下不分散混凝土中不分散剂的絮凝作用,导致混凝土强度损失大、工作性差,从而限制了水下不分散混凝土的进一步推广使用[5]。


      本文通过正交实验,研制出具有坍扩度保持性能好、强度损失低、抗分散性能好等优点的新型混凝土水下不分散剂HLC-Ⅳ(H),利用该水下不分散剂配制出C40高保坍水下不分散混凝土,并在芜湖江东船厂3万吨级船台滑道工程中得到了成功应用。


1、原材料及试验方法

      1.1  原材料


      试验用水泥为芜湖白马山水泥有限公司生产的海螺P.O 42.5水泥;矿粉采用马钢嘉华S95级矿粉;粉煤灰:马鞍山万能达电厂Ⅰ级灰;砂为河砂,中砂,细度模数2.6;碎石采用5 mm~25 mm连续级配;絮凝剂采用进口PS生物多聚糖;自制ZX聚羧酸系高性能减水剂粉剂,减水率大于40%;自制BT有机保塑材料;市售YM无机增强材料。


      1.2  试验方法


      1.2.1  拌和物流动性试验


砂浆流动性试验参考JTJ270-98《水运工程混凝土试验规程》附录A.13条灌浆用新拌水泥(砂)浆流动度试验(流动锥法)方法进行,即测试1725 ml浆料在漏斗中流过漏斗出口(直径为13 mm)所需时间。混凝土拌和物的坍落度按照GBJ 80-85标准测试,在进行坍落度试验的同时测定拌和物的坍扩度(取两相互垂直方向的扩展度值的平均值)。流速测定采用倒坍落度筒流出时间,具体过程如下:倒立坍落度筒于离地面一定高度的支架平面上,分2次向其中加入混凝土拌和物,每次装1/ 2高度,并插捣25次,抹平。将坍落度筒移离地面,使拌和物依靠自重自由流出坍落度筒口,并用秒表记录全部物料流出时间(s),即为倒坍落度筒流速[6]。


      1.2.2  水下不分散混凝土的抗分散性试验(pH值法)


      在1000 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3 min后,用酸度计测定水的pH值,评价其抗分散性。


      1.2.3  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》,将试模置于水箱中,水面与试模上部高差500 mm,用手铲自水面处分批倒入拌合物,料量超出试模表面,水中取出用木锤轻敲试模两侧排水,放入水中养护,在达到预定龄期时,进行强度测试。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。混凝土采用150 mm×150 mm×150 mm立方试模,砂浆采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方试模。


      2、高保坍水下不分散剂的研制



      高保坍水下不分散剂为在原有研究成果基础上[7],采用生物多聚糖类絮凝剂PS取代原有的聚丙烯酰胺絮凝剂PAM,并引入聚羧酸系高性能减水剂及缓释型有机保塑材料作为减水保塑组分,大大降低了混凝土需水量,提高了混凝土坍落度尤其是坍落度保持性能。


      通过进行砂浆流速、砂浆抗压强度(7 d、28 d水中、陆上抗压强度及强度比)和pH值的正交实验,以确定水下不分散剂中生物多聚糖类絮凝剂PS (水平值为3%,4%,5%)、ZX聚羧酸系高性能减水剂粉剂(水平值为12%,15%,18%)、BT有机保塑材料 (水平值为6%,8%,10%)、YM无机增强材料(水平值为20%,30%,40%)的最佳掺量,根据积差分析,得到新型水下不分散剂HLC-Ⅳ(H)的配方见表1。




      利用上述最佳配方配制的水下不分散混凝土与其它几种水下不分散剂的性能比较结果见表2,水下不分散剂掺量均为7%。



      表2结果表明,普通混凝土虽然强度比较高,但抗分散效果差,混凝土过水后pH值达到12.5,水泥浆基本全被洗出。而掺加水下不分散剂NDC配制的水下不分散混凝土的初始坍扩度和pH值指标较好,但工作性差,2 h后的坍扩度损失比较大,并且3 d和28 d的强度下降幅度也较大。掺加水下不分散剂HLC-Ⅳ(A)配制的水下不分散混凝土性能略好于掺NDC的水下不分散混凝土,但优势不明显,达不到高保坍、自流平的要求。掺加水下不分散剂HLC-Ⅳ(H)配制的水下不分散混凝土的工作性能优良,初始流动性能好,且2 h后的坍扩度无损失。抗分散性能也更好,过水后混凝土的pH值仅为8.5,基本为中性,水下不分散混凝土28 d的水下强度达到44.2 MPa,水陆强度比达到91%,均超过对比产品,可以配制强度为C35以上的高性能水下不分散混凝土。


      3、高保坍高强水下不分散混凝土的制备


      3.1  水下不分散混凝土的配合比确定


      水下不分散混凝土的强度等级要求为C40,2 h坍扩度要求大于50 cm,流速小于15 s,为此需要对混凝土配合比开展优化设计,主要调整参数为水下不分散剂HLC-Ⅳ(H)掺量、胶凝材料用量、水胶比及砂率。根据水下不分散混凝土的特点,经过正交试验,确定的混凝土配合比如表3。



      3.2  水下不分散混凝土的性能


      3.2.1  新拌混凝土性能


      新拌水下不分散混凝土的流动性及经时损失通过不同时间的坍扩度及流速来表征,抗分散性能则采用pH值法,结果见表4。


      结果表明,基准混凝土过水后的pH值高达12.5,可见水泥浆几乎全部洗出,而掺加HLC-Ⅳ(H)后的pH值仅为8.5,接近中性,说明其抗分散性能良好;基准混凝土的坍扩度虽然初始和水下不分散混凝土相差不大,但损失很大,2 h后就完全没有流动性,而水下不分散混凝土初始坍扩度大于50 cm,2 h后不但没有损失,还略有增大;从流速反映就更明显,基准混凝土2 h后流不动,而水下不分散混凝土流速更小,仅有7.5 s,完全能够达到自流平、自密实的要求;而且水下混凝土的泌水率由于其中絮凝剂的作用,也从基准混凝土的2.3%下降至0.1%。


      3.2.2  硬化混凝土性能


      主要测定混凝土的抗压强度、水陆强度比及抗冲磨强度。抗冲磨强度采用水下成型试件,根据SL352-2006《水工混凝土试验规程》采用水下钢球法对标准养护28 d的试件进行测试,结果见表5。





      由表5结果可知,基准混凝土虽然陆上强度要略高于水下不分散混凝土,7 d水陆强度比仅为16%,28 d水陆强度比也仅为23%,抗水分散效果极差,不能满足混凝土的带水作业的要球;而掺加水下不分散剂HLC-Ⅳ(H)后,28 d陆上强度为53.6 MPa,虽略有下降,但水陆强度比高达93%,28 d水下强度仍可满足C40混凝土的要求;混凝土的抗冲磨强度也达到2.08 h·(kg·m-2)-1,远高于基准混凝土,能够达到一般的抗冲磨混凝土要求。


      4、工程应用


      长航集团江东船厂3万吨级船台滑道技术改造工程,位于芜湖江东船厂内。其船台滑道采用带有闸门的纵向倾斜船台滑道形式,坡度1:20,总长326 m,其中船台长207 m、宽39 m,底端设有挡水闸门;滑道长323 m,以闸门为界,分为116 m长的水下段和207 m长的陆上段,两条轨道中心间距9 m。水下滑道采用φ1000、φ1500、φ1800 mm钻孔灌注桩及φ1000 mm钢管桩,1#~23#排架水下滑道采用预制安装横梁、滑道梁结构,安装完成后,浇筑水下不分散混凝土,连接成整体。整个工程设计共有46个水下节点,节点钢护筒内共需浇筑水下不分散混凝土约600 m3 ,水下不分散混凝土的强度等级要求为C40,2 h坍扩度要求大于50 cm,流速小于15 s(倒坍落度筒法)。


      由于施工现场条件限制,采用的施工办法是商品混凝土搅拌送至工程现场,放料至挖掘机抓斗中后移至岸边的吊罐中,然后用船吊吊至江中施工点上方的料斗中,最后通过导管靠自重浇筑到施工节点处。工地外围搅拌车运输路线由于道路施工,运输时间没有保障,施工现场混凝土的两次转移过程也需要近1 h,因此混凝土从出仓到浇筑完毕整个过程需要2 h甚至更长时间。


      整个施工持续6天,未发生堵管或离析现象。现场钻芯取样检测表明,混凝土密实、表面光滑、骨料分布均匀;混凝土平均强度为51.6 MPa,高于试验室试配强度,满足了施工设计要求。


      5、结论


      (1)水下不分散剂HLC-Ⅳ(H)具有流动性经时无损失、强度损失小、抗分散性能好等特点,可用于配制C40以上高性能水下不分散混凝土。


      (2)利用水下不分散剂HLC-Ⅳ(H)配制的新拌水下不分散混凝土,抗分散性能好,能自流平、自密实,无泌水现象。硬化水下不分散混凝土强度高,抗冲磨性能好。


      (3)工程应用表明,利用水下不分散剂HLC-Ⅳ(H)配制的高保坍高强水下不分散混凝土性能优良,能满足特殊作业条件下水下混凝土的施工要求。


参考文献

[1] 孙振平,蒋正武,吴慧华. 水下抗分散混凝土性能的研究[J].建筑材料学报,2006,9(3):279-284.

[2] Kamal H Khayat,Joseph Assaad. Relationship between washout resistance and rheological properties of high-performance underwater concrete[J].Materials Journal,2003,100(3):185-193.

[3] M. Sonebi,A. K. Tamimi,P. J. M. Bartos. Application of factorial models to predict the effect of anti-washout admixture, superplasticizer and cement on slump, flow time and washout resistance of underwater concrete[J]. Materials and Structures,2000,33(5):317-323.

[4] 姜从盛,陈江,吕林女,等.水下不分散混凝土的研制与应用[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2004,28(3):353-356.

[5] 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.

[6] 蒋正武,崔宝琦,孙振平,等.水下抗分散混凝土的性能研究[J].建筑材料学报,2000,3(2):129-134.

[7] 陈国新,卢安琪,陈健,等.新型混凝土水下不分散剂的研究及在太平庄闸应急加固工程中的应用[J].大坝与安全,2006,4:45-47.


作者简介: 陈国新(1972-),男,江苏无锡人,博士生,高级工程师