C40 超缓凝自密实水下防扩散混凝土*

叶鸿宏，班录江，柯旭，何凯，路东义

（中建西部建设贵州有限公司，贵州 贵阳 550004）

1 背景

贵阳市龙洞堡在建的龙洞堡国际机场三期扩建工程T3 航站楼，根据 B3 区详勘报告及施工勘察报告，共有近 30 根超过 70 米的超长桩，部分超长桩基甚至超过100 米，这是国内外少有的水下超长桩基施工。同时，施工地质条件复杂，具有 4～64 米深的未夯实素土回填层及分布有大量的泥夹石、溶洞及岩溶裂隙。地下水主要有岩溶裂隙水，赋存于灰岩溶洞、溶孔及风化裂隙中；局部地段含少量上层滞水，赋存于素填土内。在如此复杂的地质条件下进行超长桩基施工对混凝土的性能要求极大，需要混凝土具有优良的工作性、抗水下冲刷性、水下防扩散性、水下自密实性及超长的凝结时间、超长的工作性保持时间（保塑时间）。根据上述要求急需开发一种 C40 超缓凝自密实水下防扩散混凝土。

在将来的几十年里，对海洋的开发、研究及大量水工工程的建设，水下施工将是一种重要的探索途径，因此，除了要求高性能混凝土的质量更高外，施工工艺要求简便、易操作，经济性好，且对环境无污染、节能减排[1]。普通混凝土在水下施工时存在许多不可预见的问题，而水下不分散混凝土是在新拌混凝土拌合物中掺加一种新型的天然高分子聚合物——水下抗分散剂，以提高新拌拌合物的黏聚性、保水性，从而在根源上解决了普通混凝土水下施工所遇到的易分散、离析、砂石分离等问题[2]。而水下抗分散剂是一种长链状结构的高分子聚合物，它在胶凝材料微粒之间起到表面活化和架桥作用，混凝土中的水溶性线性高分子通过化学键与部分拌和水结合，并以相应的形式存在于拌和水中，水化所需胶凝材料被束缚于聚合物的薄膜结构里，从而把胶凝材料保护起来不让其受到外界水分子的冲刷而分散[3]，实践证明，水下抗分散剂是配制水下不分散混凝土中胶凝材料中必不可少的材料，也是配制水下不分散混凝土最关键的技术措施[4]。据 Sonebi 和 Khayat[5-6]等人的文献可知，常用的水下不分散剂的主要成分为改性絮凝剂、蛋白质及其衍生物，同 Ⅱ 级粉煤灰、磨细矿渣、硅灰、超缓凝剂、萘磺酸盐和外加剂等共同参与反应。我国从 1980 年代开始对水下不分散混凝土进行相关研究，已有 30 年的研究和开发历程，在众多领域得到了广泛的应用[7-9]。

2 试验原材料及试验方法

2.1 原材料

（1）水泥 C：贵州省红狮牌 P·O42.5 级水泥。

（2）粉煤灰 F：粉煤灰采用 F 类Ⅱ级，粉煤灰烧失量小于 3.0%，铵根离子检测时，无大量气泡产生。

（3）硅灰 Si：采用加密硅灰或全加密硅灰，28d活性≥120%，比表面积大于 18000m2/kg，需水量比小于 105%。

（4）细骨料 S：细骨料为机制砂，宜选用质地坚硬、级配良好的机制砂，细度模数 2.5～3.0 的中砂，石粉含量在 5.0%～12.0% 之间，机制砂筛分析中，筛孔边长为 2.36mm 的筛余量不宜大于 30%，砂 MB 值应≤0.8。

（5）粗骨料 G：粗骨料为机制碎石，宜选用表面干净、质地坚硬、级配良好的 5～25mm 机制碎石，机制碎石的针片状含量小于 5.0%。

（6）水 W：拌和用水采用自来水。

（7）絮凝剂 X：由中国建材所研制的抗分散剂。

（8）外加剂 A：选择质量稳定、温度敏感性低的含有超缓凝组分的聚羧酸系效减水剂。在 5～35℃ 温度内，外加剂的性能应无明显变化。应满足混凝土的工作性、填充性、强度、耐久性要求，其减水率宜大于40%。缓凝时间应满足施工要求及工作性保持时间（保塑时间），具体指标由试验确定。

2.2 试验方法

2.2.1 试验参照标准

DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土试验规程》；DL/T 5330—2015《水工混凝土配合比设计规程》；CCES.02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》。

2.2.2 混凝土的搅拌

准确称量并加入试验所需的砂、石、水泥、粉煤灰、硅灰、一半用水量，将聚羧酸高效减水剂一并加入搅拌机，待搅拌均匀后，加入一半用水量，使其搅拌2min，再加入配制好的水下抗分散剂，搅拌时常较普通混凝土多 2min。

2.2.3 水下不分散混凝土的成型方法

水箱：设置刻度线控制为高度 450mm，往水箱中注入自来水，水温为 (20±5)℃。将水下成型用的试模缓慢置于水箱正中间位置，将水没过试模顶部 150mm处，将搅拌好的水下不分散混凝土拌合物一次性从水面处向水中让其自由落入试模中，投料应连贯，拌合物应超出试模表面。将试模从水中取出，用木锤轻敲击试模两侧面促进排水，静置 2～3min，使混凝土自流平、自密实而达到平稳状态，然后将其放回水中，初凝之前用抹刀收光平整表面，到相应龄期后拆模，放到水中进行养护，达到龄期进行测试。

2.2.4 水下不分散混凝土的基准配合比

混凝土配合比依据 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》、GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计规范》进行设计。水胶比的选择应同时满足混凝土强度和耐久性、自密实性要求。按照 JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》中的 5.2 节计算，要求水胶比宜低于 0.40。

胶凝材料用量根据经验选 540～580kg/m3，胶凝材料组成根据混凝土所要求的工作性、强度、耐久性及其它性能选取，同时满足施工环境的要求。水胶比、胶凝材料用量、用水量由试验确定，单方用水量宜为190～200kg/m3。砂率由试验确定。通大量的试验，最终得到基础配合比，见表 1。

表1 混凝土基础配合比 kg/m3

说明：絮凝剂厂家推荐絮凝剂单方用量宜为胶材总量的 1%～3%，絮凝剂的不同品种及用量，会直接影响用水量及外加剂用量，所以在确定基础配合比时外加剂用量及用水量不确定。

3 试验结果及讨论

3.1 水下不分散混凝土絮凝剂种类的确定

使用不同种类的絮凝剂，并对比其对混凝土性能的影响，结果见表 2。

表2 絮凝剂种类对混凝土性能的影响

UWB-I 型絮凝剂所引起的气泡，通过外加剂无法消除，故不适用。UWB-III 稠度大，不利于施工，不适用。综合考虑，选择 UWB-II 型絮凝剂。

3.2 水下不分散混凝土絮凝剂单方用量确定

分别加入 0、6%、8%、10%、12% 的 UWB-II 型絮凝剂，确定絮凝剂用量。混凝土的配合比及性能试验结果见表 3 和表 4。

表3 絮凝剂单方用量确定

表4 絮凝剂用量对混凝土工作性能的影响

（1）絮凝剂掺量对混凝土抗分散性的影响

图1 所示的是水灰比对混凝土抗分散性的影响情况（A1、A2、A3、A4 和 A5 试件）。可以看出，絮凝剂的掺量越大，其水泥流失量越少，水下抗分散性越好，强度越高。这是因为，水胶比越小，且在加入了一定量的水下抗分散剂后，使粉料的黏度增大、增大与浆体与骨料之间的粘接力，既可以防止拌合物离析，又可以在早期养护防止水分过分流失，有利于水泥水化，从而能够提高混凝土的密实度，但是掺量有着极限值，掺量在6%～10% 较为合适。

图1 水灰比对混凝土抗分散性的影响

由表 3、4 可知，絮凝剂用量增加，会影响混凝土的不分散性及水陆强度比。6%～10% 絮凝剂的用量就可以满足施工需要。10% 絮凝剂用量最佳，但应调整外加剂，使其单方用量下降。

3.3 外加剂的对调整混凝土凝结时间、保塑时间的研究

为了保证有充足的施工时间，需要混凝土的初凝时间比普通混凝土要长，通过对外加剂的研究复配超缓凝外加剂，超缓凝剂来源于两个不同的厂家，分别是西卡超缓凝剂及中兴南友超缓凝剂，超缓剂与其他外加剂复合在一起使用。结果见表 5。可以看出，通过外加剂的调整，适当的延长混凝土的凝结时间即保塑时间，并且对混凝土后期强度影响小。

表5 两种超缓凝剂与其它外加剂复合使用

4 结论

（1）混凝土强度受水下不分散掺量影响较大，当水下抗分散剂掺量在 6%～10% 时，强度可以得到保证，利于施工。

（2）外加剂对于水下抗分散有很大的影响，外加剂有利于改善水下抗分散混凝土的工作性，提高其抗压强度。

（3）抗压强度随着水胶比的降低而显著提高，水胶比越小，水下抗分散性越好、相应的耐久性也会得到提升。