C35水下灌注超缓凝混凝土试验研究.pdf

2023年第9期（总第429期）研究探讨钻孔咬合桩作为一种基坑围护结构施工方案，在工程施工中得到了越来越多的应用。所谓咬合桩1是指采用机械磨孔、套管下压、套管内抓斗取土，在桩与桩之间相互咬合排列的基坑围护结构形式。桩的排列方式一般为一个a桩（素混凝土桩）和一个b桩（钢筋混凝土桩）间隔布置，施工时先施工a桩，后施工b桩，a桩混凝土采用超缓凝混凝土，在b桩施工中由于必须切割a桩，因此a桩要有足够长的凝结时间。通常在a桩混凝土处于未初凝的状态下进行b桩的施工，以保证能够对a桩进行顺利切割。因此，被切割桩的混凝土能否满足设计与施工要求是该工艺能否成功的关键。目前，国内工程采用C25超缓凝混凝土施工案例较多，本次试验研究的是C35水下灌注超缓凝混凝土，既要满足水下灌注要求，又要满足超缓凝的技术要求。某工程C35水下灌注超缓凝混凝土项目技术要求为现场浇注坍落度200mm20mm，初凝时间不小于60h，终凝时间小于120h，3d强度小于3MPa，混凝土拌合物1h后坍落度损失低于30mm。由此可见，C35水下灌注超缓凝混凝土技术难度较大，且国内尚不多见。根据国内外试验研究和施工案例，C35水下灌注超缓凝混凝土的配制有以下难点和重点：混凝土和易性要优良。水下灌注混凝土施工不具备振捣条件，靠的是混凝土自身重量产生流动，在桩基底部摊平和密实，若流动性较差，就会造成灌注困难，出现堵管现象，严重的甚至会出现断桩。混凝土要同时具有良好的粘聚性和保水性，以防止因混凝土的离析、泌水导致灌注过程中碎石在导管中局部集结，造成“卡管”；混凝土缓凝主要依靠减水剂和缓凝剂对水泥的水化抑制作用，因此配制合适的缓凝减水剂就变得尤为重要，既要考虑减水剂对混凝土和易性的影响，又要考虑缓凝剂对凝结时间的影响，缓凝减水剂不足和过量均不能达到项目技术指标设计要求；混凝土凝结时间与水泥品种及其物理性能和化学成分有关，同时也受掺合料、骨料品种和吸水率的影响，因此，配合比设计须在符合设计规范的基础上兼顾诸多因素。1试验原材料1.1水泥水泥采用普通PO 42.5，化学成分见表1，物理性C35水下灌注超缓凝混凝土试验研究徐惠惠李荣张海涛赵健雷航舟姚亮（中国西部水泥有限公司，陕西西安710100）摘要：通过对缓凝剂种类及掺量的优选，设计了C35水下灌注超缓凝混凝土配合比，检测了混凝土拌合物的工作性能、凝结时间、不同龄期强度等，并通过水化热及XRD测试，浅析了超缓凝混凝土的缓凝机理，以期为水下灌注钻孔咬合桩的设计和施工提供技术参考和指导。关键词：超缓凝混凝土；缓凝剂；咬合桩；配合比设计；性能Experimental study on C35 underwater super-retared concretXU Hui-hui LI Rong ZHANG Hai-tao ZHAO Jian LEI Hang-zhou YAO LiangAbstract：Through optimizing the kinds and dosage of the retarder,the mix ratio of C35 underwater super-retared concret was designed.Testing the working performance,setting time and strength at different ages of theconcrete mix.Also the hydration and the XRD experiment were carried out in order to do a simple analysis onthe retardation mechanism.We wish to provide some reference and guide for the disign and construction of theunderwater secant pile wall.Key Words：super-retared concret，retarder，secant pile wall，design of mixture raio，performance中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1001-6945（2023）09-19-2023年第9期（总第429期）能见表2。表1 水泥化学成分/%Loss5.31SiO223.30Al2O36.61Fe2O33.84CaO54.59MgO2.7SO32.4R2O0.90f-CaO0.47Cl-0.048表2水泥物理性能初凝/min170终凝/min230标准稠度/%27.9比表面积/m2/kg3763d/MPa抗折5.9抗压34.328d/MPa抗折7.3抗压53.41.2粉煤灰粉煤灰性能参数见表3。表3粉煤灰性能参数等级F类级45m筛余23%烧失量4.2%需水量比102%28d活性指数71%SO30.77%f-CaO0.57%安定性合格1.3矿渣粉矿渣粉性能参数见表4。表4 矿渣粉性能参数等级S95级比表面积416/m2/kg28d活性指数102%玻璃体含量96%1.4细骨料表细骨料性能参数见表5。表5细骨料性能参数等级中砂细度模数2.5含泥量2.7%泥块含量0.3%表观密度2670kg/m31.5粗骨料粗骨料性能参数见表6。表6 粗骨料性能参数等级5mm25mm连续级配碎石针片状含量3%压碎指标9%表观密度2675kg/m31.6减水剂减水剂性能参数见表7。表7 减水剂性能参数种类高效聚羧酸减水剂减水率19.9%含固量10.1%pH71.7缓凝剂缓凝剂的配制和选用主要达到的效果是超缓凝。根据设计要求，混凝土的初凝时间60h，终凝时间120h。为了满足此次水下灌注咬合桩的施工要求，结合国内外目前缓凝剂的使用效果，选择了7种缓凝材料进行单因素水泥胶砂试验，结合试验数据，最终优选出3种数据相对稳定的缓凝材料用于本次试验研究，分别为糖类材料（A）、偏磷酸盐类材料（B）、葡萄糖酸盐类（C），试验结果见表8。表8 3种缓凝剂单因素水泥胶砂性能及强度检测编号空白ABC掺加量0.01.01.01.0初凝时间/h：min5:3014:0529:2019:45终凝时间/h：min7:1520:3537:1530:053d/MPa34.932.926.932.47d/MPa43.941.245.644.828d/MPa56.555.758.255.8由表8可见，与空白试验相比，单因素掺加1.0缓凝剂，3种缓凝剂延长水泥胶砂初凝时间为10h25h，延长终凝时间为13h30h，对凝结时间影响依次为BCA，水泥胶砂掺加1.0B缓凝剂，降低3d早期强度，提高28d后期强度，A和C对3d和28d强度无显著影响。综合考虑缓凝效果及成本，最终决定将3种缓凝材料按照不同比例进行复配，水泥胶砂试验数据见表9。表9 3种缓凝剂复配水泥胶砂性能及强度检测A：B：C6:4:114:6:112:8:11掺加量1.01.01.0初凝时间/h：min19:5721:2422:51终凝时间/h：min28:4230:1831:543d/MPa31.928.027.17d/MPa41.042.444.828d/MPa53.156.458.3由表9可见，当总量设为21（比例）时，第一组效果较差，第三组B用量高，成本较高，因此A、B、C这3种缓凝材料最佳比例为4:6:11，故而优选此比例复配的缓凝剂为C35水下灌注超缓凝混凝土的缓凝剂。2混凝土配合比设计根据普通混凝土配合比设计规程JGJ 5523，C35水下灌注超缓凝混凝28d配制强度fcu，0=fcu，k+1.645=35+1.6455=43.2MPa，采用假定容重法进行混凝土配合比设计，混凝土容重设定为2400kg/m3，混凝土水胶比为0.43，胶凝材料为 400kg/m3，用水量为 170kg/m3，砂率41%，按水利规范要求水泥不得低于300kg/m3，掺合料粉煤灰50kg/m3，矿粉50kg/m3，根据设计规范水胶比加减0.05，共设计三组配合比进行混凝土试验，配合比设计方案见表10。表10 C35水下灌注超缓凝混凝土试验配合比/kg/m3编号1#2#3#碎石109310771036河砂775745725水泥275300320粉煤灰405065矿粉405065缓凝减水剂掺量2.02.12.2水1701701703配合比试验采用容积60L的卧轴式强制搅拌机4，先将计量好的砂石和胶凝材料倒入搅拌机中干拌30s；再继续搅拌加入2/3的水量，然后将计量好的缓凝减水剂加入搅拌机，再将剩余的1/3水加入继续搅拌60s后出料。测定混凝土拌和物的坍落度和扩展度，1h经时损失检测完毕后，成型3组100mm100mm100mm试块，混凝土表面用薄膜覆盖，在养护温度202，相对湿度60%的实验室养护，终凝后脱模标准养护至规定龄期，按照GB/T 50081 检测 3d、7d、28d 混凝土强度，按照 GB/T50080进行凝结时间检测。混凝土强度、凝结时间及工作性能检测结果见表11。表11 超缓凝混凝土工作性能和强度测试结果编号1#2#3#初始/mmTL220220225KZ61062063060min/mmTL210210220KZ590600620和易性微泌水良好良好凝结时间/h：min初凝70:2571:4579:05终凝80:3577:5587:15标养强度/MPa3d无无无7d26.231.731.428d38.546.152.7研究探讨2023年第9期（总第429期）由表11可见，1#配合比的混凝土流动度、凝结时间以及强度都能满足设计要求，但呈现出微泌水的现象，故而排除。3#配合比各方面都满足要求，性能优异，但富裕强度过高，没有必要，且缓凝剂掺量略高，带来成本压力。综合流动度、和易性、凝结时间和强度等因素，由2#配合比配制的混凝土，初始坍落度220mm，扩展度620mm，1h坍落度210mm，扩展度600mm，混凝土和易性良好，无流浆及骨料分离现象，满足施工工作性要求，有利于混凝土的泵送施工。且3d强度小于3MPa，28d强度46.1MPa，达到设计强度132%，满足强度设计要求。混凝土初凝71h:45min，终凝77h:55min，满足初凝大于60h，终凝小于120h的设计要求，且初凝后仅隔6h就达到终凝，这对混凝土初凝后尽快产生强度以减少自重引起的变形是非常有利的。最终优选2#配合比为C35水下灌注超缓凝混凝土配合比。4结果与分析4.1超缓凝机理浅析采用普通PO 42.5纯水泥（Reference）与掺加1优选的缓凝剂水泥样品（HN）进行水化热和XRD测试。4.1.1水化热测试由图1（a）可见，对于普通PO 42.5纯水泥（Reference），遇水之后，随着龄期的延长，水化速率持续加快，在约14h时，出现第一个水化峰，之后水化速率继续增大，直至19h时达到最快。此后开始经历水化衰减期，水化速率持续下降，至120h时，趋于稳定。与之相比，缓凝水泥HN则呈现全然不同的水化状态，遇水出现第一个水化放热峰之后，水化速率持续递减，水化几乎停滞，至96h时才开始缓慢回升；此后经历一段稳定期，在约240h时开始缓慢下降。图1（b）为放热量曲线，可以看出，由于缓凝剂的加入极大程度降低了水泥的水化速率，导致在72h之前几乎未有明显的放热量，之后放热量回升，但最终同龄期的放热量依然低于空白水泥。结果表明，缓凝剂显著降低了水泥的水化速率，延迟了水泥的水化。4.1.2XRD测试图2为XRD测试结果，其中，黑线为PO 42.5纯水泥（Reference），红线为掺加1优选的超缓凝剂水泥样品（HN）。图1 水化热测试曲线（b）放热量曲线（a）水化速率曲线（a）水化3d图谱（b）水化28d图谱图2XRD测试图谱研究探讨2023年第9期（总第429期）如图2所示，两者3d水化产物区别较大，28d水化产物较为接近。对水化产物进行XRD定量分析，数据见表12。表12XRD定量分析结果主要矿物Reference 3dHN 3dReference 28dHN 28dC3S7.7349.482.373.41C2S10.7913.646.076.22C3A1.293.490.340.49C4AF2.476.790.330.49CaCO38.507.9114.3918.15钙矾石0.00.03.996.29水化硅酸钙46.2812.8851.9746.62Ca(OH)218.860.9714.2311.78由图2和表12可以看出，早期缓凝剂对硅酸三钙水化抑制作用较强，对硅酸二钙水化抑制作用较弱，对铝酸三钙和铁铝酸四钙抑制作用较接近。后期硅酸三钙水化、铝酸三钙、铁铝酸四钙水化较为充分，硅酸二钙水化较为缓慢。缓凝水泥HN水化产物较空白水泥水化产物少，氢氧化钙含量低，但钙矾石量较空白样高。由XRD测试结果可知，缓凝剂在水化初期降低了液相中Ca2+的浓度，延迟了氢氧化钙的析晶，对早期矿物水化抑制较为明显。但随着龄期延长，对矿物后期水化抑制作用明显减弱，后期水化将继续进行，这也解释了掺加缓凝剂降低早期强度但不影响后期强度，而且掺加缓凝剂水化产物钙矾石含量显著提高。研究表明5，混凝土具有超缓凝的原因是缓凝剂中含有OH-1。OH-1吸附于水泥颗粒或水化产物新相的表面，延缓了水泥的水化和浆体结构的形成。通过影响水泥水化产物与硫酸钙相互作用的速度，影响水化产物生成的速度及产物的粘结和结晶特性来延缓水泥混凝土的凝结硬化。4.2试验结论（1）对于超缓凝混凝土而言，缓凝剂的选择至关重要。优选出3种缓凝材料（糖类、偏磷酸盐类、葡萄糖酸盐类）进行超缓凝剂的复配水泥胶砂试验，通过试验得出3种材料的最佳比例为4:6:11。（2）进行了 3 组配合比试验，2#超缓凝剂掺量为2.1，凝结时间、强度、和易性等均满足设计要求，且初凝后仅隔6h就达到终凝，有利于混凝土初凝后尽快产生强度，以减少自重引起的变形。（3）通过水化热及XRD测试，探究了缓凝机理。缓凝剂的存在，显著降低了水泥的水化速率，延迟了水泥的水化，通过影响水化产物的生成速率和结晶特性来延缓水泥的凝结硬化。参考文献：1陈清志,崔冕昌.深圳地铁工程钻孔咬合桩超缓凝混凝土的配制与应用J.2002(03):55-58.2JGJ 55,普通混凝土配合比设计规程S.3田培，刘加平，王玲，等.混凝土外加剂手册M.北京：化学工业出版社,2009.4GB/T 50107,混凝土强度检验评定标准S.5李亚杰.建筑材料M.北京：中国水利水电出版社,2001.收稿日期：2023-7-10研究探讨丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙丙劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂劣质黏土增强剂砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣砖瓦企业好伴侣“墙材”牌劣质黏土增强剂能增加黏土塑性和结合力，每吨泥土的添加量1kg1.5kg，它可调整原料可塑性指数3050，增加成品砖抗压强度538，降低砖瓦成型用水量 4050，降低制砖瓦油耗2030，能耗1015，使砖瓦坯体成品合格率达 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