公路水下混凝土水中抗分離劑應(yīng)用技術(shù)

摘　要: 介紹水中抗分離劑的主要成份及其配制成的水下不分離混凝土的主要性能, 以及此種新型水下混凝土的施工要求及其工程應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞: 公路工程; 水泥混凝土; 水中抗分離劑; 水下混凝土; 工程應(yīng)用

　　水下澆筑混凝土可省去為創(chuàng)造干地施工條件所必須的圍堰、基礎(chǔ)防滲和基坑排水工程的工期和費(fèi)用, 而且無論是寒冷還是炎熱季節(jié), 水環(huán)境對混凝土硬化都具適宜條件, 在無法建成圍堰的情況下, 水下混凝土甚至是形成水中混凝土建筑物的唯一方法。因此, 如何提高水下混凝土的質(zhì)量一直成為人們研究的課題。

　　眾所周知, 水泥雖然是水硬性材料, 但若將水泥混凝土拌和物直接傾倒于水中, 當(dāng)其穿過水層時(shí), 骨料便與水泥分離, 且很快沉到水底, 被水沖刷下來的水泥顆粒, 部分被水帶走, 部分長期處于懸浮狀態(tài)。當(dāng)水泥下沉?xí)r, 已呈凝固狀態(tài), 失去膠結(jié)骨料能力。澆下去的水泥混凝土拌和物分為一層砂礫石骨料,一層薄而強(qiáng)度很低的水泥絮凝體或水泥渣, 不能滿足工程要求。因此, 水下混凝土過去都要求在與環(huán)境水隔離的條件下澆筑, 而且要求澆筑過程不要中斷,以減少水的不利影響, 在其凝固后還要清除一定數(shù)量的強(qiáng)度不符合要求的水泥混凝土。因此, 以往水下混凝土質(zhì)量好壞, 主要取決于施工的優(yōu)劣, 關(guān)鍵是盡量隔斷水泥混凝土與水的接觸。常用的方法有袋裝迭置法、開底容器法、混凝土泵壓法及導(dǎo)管法和預(yù)填骨料壓漿施工法。近年來, 又對澆筑機(jī)具進(jìn)行了各種改進(jìn)和開發(fā), 出現(xiàn)了KDT 施工法等特殊澆筑形式,但使用最多的還是導(dǎo)管法及在其基礎(chǔ)上的改進(jìn)。但導(dǎo)管法只適于水深115 m 以上而且導(dǎo)管口埋入水泥混凝土深度必須大于1 m , 導(dǎo)管要隨水泥混凝土面的升高而逐漸向上提升, 不能左右移動(dòng)。導(dǎo)管法施工與水接觸部分混凝土易受水的沖洗而發(fā)生水泥漿流失, 致使表層水泥混凝土強(qiáng)度降低, 底層與基礎(chǔ)粘結(jié)不牢。據(jù)介紹[ 1 ] , 用導(dǎo)管法施工時(shí), 其表層水泥混凝土強(qiáng)度損失可達(dá)50% , 在間歇施工時(shí), 常因此要清除掉15～ 45 cm 厚的表層水下混凝土或?qū)δ承┙Y(jié)構(gòu)至少每邊多出15 cm 厚低質(zhì)量與水直接接觸的混凝土, 造成浪費(fèi)。

　　20 世紀(jì)70 年代以來, 以前聯(lián)邦德國為首, 從研究水泥混凝土本身性能的改善來提高水下混凝土的質(zhì)量, 使其具有在澆筑過程中直接與水接觸也不會使各組分材料分散的能力。1974 年前聯(lián)邦德國率先在工程上使用并定名為水下不分離混凝土(NonD ispersib le Concrete 以下簡稱NDC)。80 年代日本從前聯(lián)邦德國引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù), 并于1981 年開始在工程中應(yīng)用, 迄今已澆筑約100 萬m 3NDC。日本目前有10 個(gè)以上的廠家出售配制NDC 的水中抗分離外加劑( Non D ispersib le Concrete A dm ix tu re 或Segregat ion Con t ro lling A dm ix tu re 或A n t i2W ashou t A dm ix tu re, 以下簡稱NDCA ) 并提出NDCA 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)草案[ 2 ] , 主要是以水下制備試件的強(qiáng)度及其與在大氣中制備試件的強(qiáng)度比作為特征值, 規(guī)定水下試件28 d 抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度必須達(dá)到大氣制備試件的70% 和60% , 同時(shí)也規(guī)定了懸濁物質(zhì)及pH 值。除日本以外, 英、美等國也都在開展研究和應(yīng)用。北海油田, 斯堪的納維亞半島的哥本哈根港口等都曾成功地使用過NDC^{[ 3 ]}。

　　NDC 除具有水下抗分離性好的優(yōu)點(diǎn)外, 還具有優(yōu)良的流動(dòng)性和填充性, 可進(jìn)行大面積薄壁水下施工、鋼筋混凝土構(gòu)件等高質(zhì)量水下構(gòu)筑物施工、要求防止水質(zhì)污染的施工、搶險(xiǎn)救災(zāi)緊急工程以及難以應(yīng)用普通水下混凝土進(jìn)行施工的地方。

　　我國新建和已建土木工程有大量水下作業(yè), 特別是水下補(bǔ)強(qiáng)加固工程要求有高質(zhì)量能與基底有較好粘結(jié)的水下混凝土, 但目前我國水下混凝土的施工質(zhì)量不能盡如人意。據(jù)統(tǒng)計(jì)[ 1 ]: 我國一般導(dǎo)管法施工水下混凝土28 d 芯樣強(qiáng)度與機(jī)口取樣強(qiáng)度比為0149～0176, 水下新老混凝土粘結(jié)強(qiáng)度僅為干地粘結(jié)強(qiáng)度的40%～ 60%。因此, 開發(fā)研制NDC 迫在眉捷。

　　據(jù)介紹^{[ 4 ]} , 用于配制NDC 的材料可分為下列幾類:

　　(1) 合成或天然水溶性有機(jī)聚合物, 它可以增加拌和水的粘度, 例如纖維素酯、淀粉膠、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺、羧乙烯基聚合物、聚乙烯醇及菜膠等, 摻量一般為水泥質(zhì)量的012%～ 015%;

　　(2) 有機(jī)水溶性絮凝劑, 它能夠被吸附在水泥粒子上并通過加速粒子間的吸引來增加粘度, 例如帶有羧基的苯乙烯共聚物、合成高分子電解質(zhì)和天然膠等, 它們的摻量一般為水泥質(zhì)量的0101%～0110%;

　　(3) 各種有機(jī)材料的乳液, 它能增加粒子間的相互吸引并在水泥相中提供超細(xì)的粒子, 例如石蠟乳液、丙烯酸乳液和水分散性粘土等, 它的摻量一般為水泥質(zhì)量的011%～ 115%;

　　(4) 具有高表面積的無機(jī)材料, 它可以增加拌和物的保水能力, 例如膨脹土、熱解硅酸鹽、硅粉、壓碎的石棉和其他纖維狀的材料, 它的摻量一般為水泥質(zhì)量的1%～ 25%;

　　(5) 能在砂漿相中提供填充細(xì)顆粒的無機(jī)材料, 例如粉煤灰、熟石灰、高嶺土、硅藻土、原狀或煅燒過的膠凝材料和各種石粉, 它的摻量亦為水泥質(zhì)量的1%～ 25%。

　　我國近年來也開展了水下不分離混凝土的研究工作。原天津石油部施工技術(shù)科學(xué)研究所[ 5 ]研制成功的水中不分離混凝土外加劑UWB- 1, 交通部第二航務(wù)工程局科研所研制成功的PN 劑^{[ 6 ]} , 都屬于聚丙烯酰胺類的水中抗分離劑。南京水科院在20 世紀(jì)90 年初開發(fā)成功并通過部級專家鑒定的NNDC- 2型水下抗分離劑則屬于纖維素類水中抗分離劑^{[ 7 ]}。中國水科院也曾在20 世紀(jì)90 年代開發(fā)研制成功水中抗分離劑^{[ 8 ]}。

1　摻有水中抗分離劑混凝土的主要性能

1.1　新拌混凝土的性能

　　(1) 抗分離性和水中強(qiáng)度。

　　水下混凝土抗分離性遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土, 可用水中懸濁物含量和倒入清水后水的透明度、水泥砂漿流失量等方法測定。由于其抗分散性好, 所以水下成型的強(qiáng)度也比不加抗分離劑的混凝土大得多。表1 是我國研制的水下不分離混凝土的抗分散性試驗(yàn)結(jié)果。

　　(2) 自流平性及填充性。

　　水下不分離混凝土粘稠, 富于塑性, 因此即使它在水下水平流動(dòng)的情況下, 也可得到澆筑均勻的水泥混凝土。且其流動(dòng)度損失一般也小于普通水泥混凝土。見圖1～ 圖3。

　　(3) 保水性和整體性。

　　水中抗分離劑一般都摻入保水劑, 很少出現(xiàn)泌水和浮漿現(xiàn)象, 施工和易性和可泵性好, 試驗(yàn)結(jié)果見表2 和表3。

　　(4) 凝結(jié)特性。

　　水下不分離混凝土的凝結(jié)時(shí)間隨所用水中抗分離劑的種類不同而不同。一般凝結(jié)時(shí)間有所延長, 但都可用調(diào)凝劑調(diào)整控制, 詳見表4。

1.2　硬化混凝土的性能

　　(1) 水下不分離混凝土的強(qiáng)度特性。

　　水下不分離混凝土的強(qiáng)度符合一般水灰比與強(qiáng)

度關(guān)系規(guī)律, 其抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系與常態(tài)混凝土相同。其強(qiáng)度與水中抗分離劑的摻量密切相關(guān), 隨著水中抗分離劑摻量的增加, 與普通混凝土相比在陸上制作摻有水中不分離劑的試件,抗壓強(qiáng)度相同或略低。而水下制作的試件卻隨水中抗分離劑摻量的增加而增加, 且其強(qiáng)度28 d 以后到180 d 增長緩慢, 長齡期仍繼讀增長。

　　水下不分離水泥混凝土的強(qiáng)度在水泥用量小于

　　360 kg／m 3 的情況下, 由于水灰比較大, 其抗分散性較低, 應(yīng)調(diào)整水中抗分離劑的用量或增加單方水泥用量, 以滿足水下強(qiáng)度要求。

　　水下不分離水泥混凝土與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度不論陸上或水下都與普通混凝土大致相同或好一些。因?yàn)樗谒苄? 不會出現(xiàn)由于鋼筋下側(cè)泌水引起粘結(jié)力下降。

　　水下不分離水泥混凝土的彈性模量與澆筑環(huán)境有關(guān), 陸上澆筑彈性模量偏低, 水下澆筑比普通混凝土略高。

　　表5 為作者與同事們研制的水下不分離水泥混凝土的各項(xiàng)性能。

　　(2) 水下不分離混凝土的耐久性。

　　混凝土的耐久性與其抗?jié)B透性密切相關(guān), 根據(jù)作者與同事們研究的結(jié)果, 水中成型的普通混凝土在1．2M Pa 恒壓下, 不到5 m in 全透, 而摻有水中抗分離劑水泥混凝土恒壓24 h 平均滲水深度為12．7 cm。楊國嫦等研究的摻水中抗分離劑水下成型混凝土在最大水壓1．9M Pa 情況下平均滲水深度為14．5 cm。

　　Kam al H1 Khayat 按照AA SHTO T 227- 83測量抗氯離子滲透性表明[ 11 ] , 在水灰比為014 時(shí), 沒有摻水中抗分離劑的為6 610 C, 而摻的只有3 980 C。說明抗氯離子滲透性也提高將近一倍。

2　水下不分離混凝土的配合比設(shè)計(jì)

2．1　配制強(qiáng)度

　　我國水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范規(guī)定, 采用導(dǎo)管法等澆筑的水下混凝土陸上配制強(qiáng)度要比設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值提高40%～ 50%。對水下不分離混凝土配制強(qiáng)度要求的提高系數(shù)P , 我國尚末規(guī)定。日本有關(guān)資料規(guī)定如下：

　　當(dāng)離差系數(shù)　C r≥10% 時(shí)P =

　　當(dāng)離差系數(shù)　C r< 10%時(shí)P =

　　水下不分離混凝土在澆筑中, 一般落差為30～50 cm , 故強(qiáng)度較陸地施工低, 也可按水下混凝土試塊制作方法做成型試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn), 以實(shí)測強(qiáng)度再乘以大于1 的系數(shù)來考慮混凝土的配制強(qiáng)度。在考慮配制強(qiáng)度提高系數(shù)時(shí), 關(guān)于混凝土質(zhì)量不均的提高率與普通混凝土相同。

2．2　水灰比

　　水灰比是關(guān)系水下不分離水泥混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B性、耐久性等的主要因素, 水灰比確定應(yīng)根據(jù)水下不分離水泥混凝土水下試塊強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系曲線確定。混凝土耐久性要求的水灰比與當(dāng)?shù)貧鉁?、環(huán)境、建筑物結(jié)構(gòu)有關(guān)。表6 和表7 列出日本水下不分離水泥混凝土設(shè)計(jì)與施工指南[12 ], 可供參考。

　　注: (1) 水渠、水池、橋臺、橋墩、擋土墻、涵洞襯砌等, 接近水面而且水飽和部位, 以及除此之外的梁、橋面板等雖離開水面, 但由于融雪、流水及飛濺水導(dǎo)致水飽和的部位;

　　(2) 截面厚度小于20 cm 的構(gòu)筑部位。

　　注: 對于已被施工和研究確認(rèn)的按耐久性確定的最大水灰比, 可在表7 的數(shù)值上再增加0105～ 011 左右。

2．3　單位用水量及水泥用量

　　水下不分離水泥混凝土由于水中抗分離劑的摻入, 拌和時(shí)內(nèi)部水的粘性提高, 故較普通混凝土的用水量大, 一般坍?dāng)U度為45 cm 左右, 水下不分離混凝土骨料最大粒徑為20 mm 時(shí), 單位用水量約220～230 kgöm 3, 骨料最大粒徑為40 mm 時(shí), 單位用水量約為215～ 225 kgöm 3。最后必須通過試驗(yàn)調(diào)整砂率及減水劑摻量, 取得最低用水量。

　　單位水泥用量是根據(jù)單位用水量和水灰比計(jì)算的。因水下不分離水泥混凝土的單位用水量較普通混凝土大, 故單位水泥用量也大。據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 如果單位水泥用量小于350 kgöm 3, 混凝土的耐久性可能降低, 故一般水泥用量在350 kgöm 3 以上。

2．4　骨料的最大粒徑與砂率

　　水下不分離混凝土的粗骨料若太大, 則易產(chǎn)生沉淀, 影響混凝土的整體性和均勻性。故本指南對粗骨料的粒徑限制為3115 mm。

　　砂率與混凝土和易性密切相關(guān), 應(yīng)根據(jù)混凝土和易性進(jìn)行選擇, 即在混凝土坍落度及水灰比固定情況下, 變化砂率大小, 以單位用水量最小者的砂率為最佳砂率。由于水下不分離水泥混凝土中保水劑具有粘稠效果, 即使砂率稍低, 混凝土仍具有不分離的特征, 所以與一般混凝土相比, 其砂率可略小, 一般在35%～ 40% 范圍內(nèi)。

2．5　外加劑摻量

　　水下不分離混凝土的主要外加劑是保水劑, 它的作用是增加混凝土的保水性和粘聚性, 使混凝土在水下能保持整體性而不分離。保水劑的摻量要根據(jù)保水劑的種類、水下不分離混凝土的施工方法及要求(如澆筑時(shí)允許混濁度)、混凝土的水中自由落差、澆筑場所周圍的水流情況等, 通過試驗(yàn)來確定。至于其他外加劑, 如為提高水下混凝土和易性而摻入的減水劑, 必須選擇與保水劑并用而不影響水下不分離水泥混凝土性質(zhì)的品種, 最好采用液體或粉末狀的高效減水劑。此外還可摻用引氣劑及引氣減水劑, 但均需通過試驗(yàn)確定其他外加劑的品種及摻量。如要求早凝則要增加早強(qiáng)劑等。

2．6　工程使用配合比舉例

　　日本工程使用配合比舉例見表8。

3　水下不分離混凝土的施工

3．1　材料儲存及計(jì)量

　　水中抗分離劑多數(shù)為粉劑, 易于吸濕受潮。要特別注意儲存在室內(nèi)干燥處, 并在使用中對其劑量按本指南嚴(yán)格控制。

3．2　攪拌

　　由于水中抗分離劑配制的混凝土比較粘稠, 故必須用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌。如果用自落式攪拌機(jī)攪拌效果差, 就要適當(dāng)提高配制強(qiáng)度。表9 中可看出為同一配比2 種攪拌機(jī)拌和后的強(qiáng)度差異。

3．3　運(yùn)輸及澆筑

　　必須選擇材料離析少及損失少的方法, 快速運(yùn)輸, 立即澆筑。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有顯著離析時(shí), 必須重新攪拌?，F(xiàn)場運(yùn)輸按工程條件、工序、混凝土量、經(jīng)濟(jì)效益及和易性選定?？刹捎没炷帘谩⒌豕?、帶式輸送機(jī)、混凝土溜槽及手推車等。

　　水下不分離水泥混凝土的澆筑, 原則上使用導(dǎo)管, 開底容器或混凝土泵。如果使用混凝土攪拌車、攪拌船的輸送帶或手推車等其他方法進(jìn)行澆筑。此時(shí)一般要適當(dāng)增加水中抗分離劑的摻量。使用導(dǎo)管法時(shí), 可參照《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》(JTJ 268- 96) 中“911 水下混凝土施工”進(jìn)行。

　　當(dāng)用泵壓法施工時(shí), 必須不透水且在澆筑中經(jīng)常充滿混凝土。為此必須注意, 當(dāng)泵送開始時(shí), 如輸送管內(nèi)有水, 要采用下列方法:

　　(1) 在泵送前先輸送水中不分離砂漿;

　　(2) 在泵管內(nèi)先投入海綿球;

　　(3) 在泵管外裝活門, 在輸送管投入水中之前,先在水上將管內(nèi)充滿混凝土, 關(guān)上活門再沉放到預(yù)定位置打開活門澆筑。

　　當(dāng)澆筑面積較大時(shí), 可采用撓性軟管, 由潛水員移動(dòng)澆筑位置。施工中, 當(dāng)轉(zhuǎn)移工點(diǎn)及超過高程等需移動(dòng)水下泵管時(shí), 需在輸送管的出口端安裝特殊的活門或擋板, 必要時(shí)可用麻袋將管口包起來。

　　當(dāng)采用開底容器法時(shí), 必須裝有澆筑混凝土?xí)r易于開啟的底。澆筑時(shí), 將該容器輕輕放入水中, 混凝土排出后, 再將容器緩緩地提離混凝土表面相當(dāng)距離。開底容器在不妨礙施工范圍內(nèi), 應(yīng)盡量采用大容量的。底的形狀以水下不分離水泥混凝土能順利流出為佳, 一般多采用錐形的、方形或圓形料罐。此法適合斜面施工的低流動(dòng)性的水下不分離水泥混凝土的澆筑。

　　水下不分離水泥混凝土的澆筑以靜水澆筑為原則。澆筑在水中的自由落差, 原則上為30～ 50 cm 以下, 澆筑必須注意盡可能不擾動(dòng)混凝土。在采用一般導(dǎo)管及混凝土泵施工時(shí), 當(dāng)流速在013～ 015 min時(shí), 混凝土的流失量較少。

　　水下不分離水泥混凝土自流平的終止時(shí)間, 一般在澆筑后30m in 到1 h。待混凝土表面沉實(shí)和自流平終止后, 即要進(jìn)行用木抹子從上往下壓的抹平作業(yè), 由于水下不分離水泥混凝土水泥難于被水沖掉,一般不會因抹平而質(zhì)量下降。當(dāng)進(jìn)行連續(xù)澆筑作業(yè)時(shí), 必須在水下不分離水泥混凝土還有流動(dòng)性的情況下, 澆筑后續(xù)的混凝土。

　　當(dāng)迫不得已必須在水下設(shè)置施工縫時(shí), 必須注意以下幾點(diǎn), 以防止對構(gòu)筑物強(qiáng)度產(chǎn)生影響:

　　(1) 施工縫應(yīng)盡可能設(shè)在剪切力及彎矩小的位置;

　　(2) 必須在剪切力大的位置設(shè)施工縫時(shí), 需做榫或槽, 或者埋設(shè)適當(dāng)?shù)穆窦M(jìn)行補(bǔ)強(qiáng);

　　(3) 對施工縫混凝土表面要嚴(yán)格清理, 清除浮漿, 表面疏松混凝土層、松動(dòng)的骨料等。

　　由于水下不分離水泥混凝土浮漿少, 只要在澆筑中注意, 即使不進(jìn)行施工縫表面處理, 也可以得到一定的結(jié)合強(qiáng)度。因此, 如基礎(chǔ)加固混凝土、沉箱等填充混凝土以及沉箱基礎(chǔ)等混凝土重力構(gòu)筑物, 對其施工縫亦可不必予以特殊考慮。

3．4　養(yǎng)護(hù)及模板

　　為防止水下不分離水泥混凝土在硬化過程中受動(dòng)水、波浪等沖刷造成的水泥漿流失及混凝土被淘空, 必須進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。為此, 要對預(yù)計(jì)到的波浪, 設(shè)置安全可靠的模板或用苫布把混凝土表面保護(hù)起來。當(dāng)施工部位從水下到達(dá)水上時(shí), 對于暴露在空氣中的混凝土, 必須進(jìn)行與普通混凝土相同的養(yǎng)護(hù)。

　　水下不分離水泥混凝土模板設(shè)計(jì)和施工均與普通混凝土相同。但要注意模板的強(qiáng)度及拆模時(shí)間受水下不分離水泥混凝土的流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間的影響。可以拆模的混凝土的抗壓強(qiáng)度, 一般可與空氣中施工的普通混凝土等同對待?？蓞⒄毡?0 的數(shù)值。

4　水下不分離水泥混凝土的工程應(yīng)用

4．1　UWB 絮凝劑配制的NDC[ 5 ]

　　UWB 絮凝劑為國內(nèi)最早開發(fā)成功的聚丙烯酰胺類水下不分離水泥混凝土外加劑。用之配制的NDC 曾進(jìn)行2 m 水中落差的施工試驗(yàn), 澆筑了013 m ×013 m ×2 m 水下梁、0125 m ×0125 m ×2 m 水下柱等構(gòu)件。環(huán)境水溫4～ 6 ℃, 澆筑后28 d 檢查: 外觀密實(shí)、光滑, 末發(fā)現(xiàn)跑漿、夾砂、蜂窩, 芯樣強(qiáng)度21M Pa。

　　曾進(jìn)行了海堤護(hù)坡灌漿、灌注樁、水下梁、沉井水下封底等工程應(yīng)用, 質(zhì)量良好。其中沉井封底是在6～ 8 m 水中落差情況下施工的。

　　近年來還在秦山核電站取水口工程中成功應(yīng)用^{[ 13 ]}。

4．2　PN 配制的NDC[ 6 ]

　　PN 也是一種聚丙烯酰胺類的水中抗分離劑,其應(yīng)用工程有以下幾項(xiàng)。

　　(1) 南京空軍后勤部水運(yùn)大隊(duì)修理所船臺滑道水下節(jié)點(diǎn)施工。

　　該滑道陸上部分為現(xiàn)澆鋼筋混凝土軌道梁, 干砌塊石