（地质工程专业论文）提高水下混凝土灌注桩强度的试验研究与应用.pdf

堕盔兰堡主堂垡笙塞! ! 垦 摘要 随着社会的发展，近海的开发及大量水下工程的建设已越来越 多，水下建筑结构复杂，尤其在深海区，混凝土水下施工除了要求混 凝土的质量更高外，还要求施工工艺简单，经济要合理，且对环境无 污染，因此提高水下混凝土的性能受到了工程界的高度重视，本文就 提高水下混凝土灌注桩强度进行了试验研究。 为了提高水下混凝土灌注桩的强度，本文详细地阐述了水下混凝 土抗分散剂和复合增强剂的成分、性能等，并就它们对水下混凝土性 能的影响进行了试验研究，分析了抗分散剂和复合增强剂的作用机 理，提出了新型水下不分散混凝土中抗分散剂和复合增强剂的最佳掺 量。通过试验，就骨料品质和界面粘结强度对水下抗分散混凝土灌注 桩桩身强度的影响进行了分析，提出了选择骨料的评定指标。同时， 还对水下灌注混凝土配比优化设计和水下抗分散混凝土灌注桩灌注 工艺进行了初步的研究。 本文利用研制的新型水下混凝土抗分散剂和复合增强剂，在某市 铁路客站综合楼基础工程施工中得到了比较成功的应用。 关键词：水下混凝土，灌注桩，强度 a b s t r a c t w i 也也ed e v e l o p m e mo fs o c i e 吼t l l e r eh a v eb e e nm o r ea r l dm o r e d e v e l o p m e m o fc o a s t a lw a t e r sa n dl o t so fu i l d e n a t e r e n g i i l e e 曲g ， u i l d e n a t e rc o n s 锄c t i o ns 觚c t u r ei s c o m p l i c a t e d ，e s p e c i a l l yi nm ed e 印 a r e ao fs e a b e t t e r q u a l 时o fc o n c r e t e i s r e q u i r e d i nu r l d e r w a t e r c o n 曲m c t i o ne x e c u t i o no fw o r ko f c o n c r e t e ，a sw e l la ss i m p l et e c h n o l o g y o fc o n s 觚c 吐o ne x e c u 吐o no f 、o t kr e a s o n a b l e e c o n o m y n op o l l u t i o n t h l l s e r l l l 锄c i n g u i l d e r w a t e rc o n c r e t e p r o p e r 哆w a u sh i g 王1 l y v a l u e d b y e n g i i l e e 血gg r o u p s ，n i sp 印e r h a dd o n et e n 仨血v er e s e 8 r c ho n e 1 1 王1 a n c i n g u n d e n a t e rc o n c r e t e f i l l i n gp i l ei 1 1 t e n s 时 i no r d e rt o 幽c eu 1 1 d e 刑a t e rc o n c r e 钯f i l l i l l gp i l e m e n s 峨t h i s p 印e re l a b o m t e di l l d e t a i lm e c o m p o n e n 协a 1 1 dp r o p e r t i e so fu 1 1 d e n v a t e r c o n c r e t ea 砸一d i s p e r s i o n a g e n ta 芏l d 1 1 1 i x e d f 0 1 城矗e r ，a 1 1 dt o o kt e m a t i v e r e s e a r c ho nm e i re 腩c to nu r l d e m 眦e rc o n c r e t e p m p e r t y ，a i l a 王y z e d 删- d i s p e r s i o na g e n ta n dm i x e df o n i 丘e rm e c h a l l i s mo fw o r 虹n g ，p u t f - o n v a r db e s tm i x c u 舱v a i u e s o f 粕d _ d i s p e r s i o na g e n t 恤a t 、v 勰m 恢e d 埘m m i x e df o r t i 丘钟i nu i l d c r w a t e rc o n c r e t eo f n e w t y p e 1 1 l r o u g ht e s t ，e f 诧c t o nu i l d e 】州疵r c o n c r e t e 丘l l i n gp i l ei n t i e n s i t yb ya g 国嘴舭q 吲时a 1 1 d i n t e d a c eb o n d s t r e n g ：t l lw a s 锄a l y z e d ，p u tf 0 j w a m t 1 1 e 嬲s e s s i l l gi l l d e xo f c h o o s i n g 艇圆屯g a t e ，m e a n t i m e ，s t i l li i l i t i a l l yr e s e a r c h e dc o n c r e 把m i x _ c l l r e 2 ! 塑苎兰堡：! 笙苎 堑墼查! 至坌墼堡鳖圭苎竺：! ! ! 茎 r a t i o no p t i m u md e s i g no f u n d e n a t e rf i l l i n gp i l ea i l d 枷- d i s p e r s i o na g e n t f i l l i n gp i l et e c l l i l o l o g y t h i s p a p e rp u t f o 刑o r d n e w l yr e s e 砌e d u n d e 刑a t e rc o n c r e t e a n t d i s p e r s i o na g e n t a i l dm i x e df b n i f i e r ，w h i c hw a ss u c c e s s “l y 印p l i e d i nr a i l w a yg u e s ts 协t i o n s 呻t i c a lb u i l d m g f o u n d a t i o ne n g m e e 渤g e x e c u t i o no f w o r ki ns o m e c i 够 k e y w o r d s ：u n d e r v 阻t e rc o n c r e t e ， f i l l i i l gp i l e ，s i 吼 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位或证书而使用过的材料。与我共同工作 的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 日期：畦盟t 名吐日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以复印、缩印或其它手段保存学位论文；学 校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名导师签名 期：掣叫也日 ! 塑苎兰竺! 兰竺丝兰 一j ! 童 第一章前言 1 1水下混凝土的发展、特点和研究现状 混凝土的生产与应用已有百余年的发展历史。相传数千年前，我国劳动人民 就用石灰与砂子配合制成砂浆砌筑房屋，用砂、土、石灰和砾石建造了举世闻名 的万里长城，罗马人也曾用石灰、砂子和石予配制成混凝土，建造万神庙、斗兽 场的巨大墙体，但石灰类混凝土强度不高，使用范围有限。1 8 2 4 年波特兰水泥 的出现“1 ，使混凝土的强度及其他性能都有了很大的提高，混凝土的应用有了飞跃 性的发展。随着钢筋加强混凝土和预应力钢筋混凝土旅工工艺的相继发明，特别 是1 9 6 0 年前后各种混凝土外加剂的相继出现，减水剂、硫化剂的大量应用，不仅 改善了混凝土的各项性能，进一步提高了混凝土强度，而且为混凝土施工工艺和 水下混凝土新品种的发展创造了良好条件。 1 1 1水下混凝土的发展和研究现状 随着人类社会的发展进步，可开发利用的陆地资源相对越来越少，海洋资源 的丌发利用已势在必行因此水下混凝土的研究和应用越来越引起工程技术界的 重视，自上个世纪7 0 年代以来，世界各国从研究改善混凝土本身性能的途径来提 高水下混凝土的质量，也就是使混凝土自身具有在水中浇筑过程中直接与水接触， 而不会使混凝土拌合物各组分分散的能力，1 9 7 4 年水下混凝土首先由德国研制成 功( 定名为水下不分散混凝土。”) ，并在日本、德国等国家获得了迅速的发展。1 9 8 2 年，水下混凝土获得英国劳氏船级社和挪威船级社的认可，认为该混凝土可在海 洋工程中应用，至今德国的水下不分散混凝土工程应用量已达百万立方米。1 9 7 8 年日本从德国引进水下混凝土技术，并结合本国实际情况开展研究，于1 9 8 1 年开 始工程应用，至今水下不分散混凝土工程应用量已达9 0 0 百万立方米以上”1 。1 9 8 4 年中国石油天然气集团公司工程技术研究院率先立项开展水下不分散混凝土的研 究工作“，1 9 8 6 年国家计委确定了水下不分散混凝土研究项目作为填补国内空白 的“七五”新产品，同年石油研究院成功研制了丙烯系絮凝剂17 w b ，并于1 9 8 8 年通过部级鉴定，达到了八十年代中期国际先进水平川，自8 0 年代初石油研究院 主塑苎兰丝主兰些笙壅! ! 董 在国内首家成功开发出水下不分散混凝土絮凝剂以来，产品种类和质量得到不断 改进和发展，水下混凝土在国内工程中应用量已超过l o o 万立方米。 1 1 2 水下混凝土的特点 自德国西博混凝土公司首先研制出水下混凝土以来，随着土木工程的飞速发 展，水下混凝土在桥梁工程、高层建筑、公路建设中的应用越来越广泛，尤其是 作为桥梁工程、高层建筑隐蔽工程的桩基础，水下混凝土已成为其质量控制的重 要环节。水下混凝土的重要特点是： 1 水中不分散性在水泥中掺入抗分散剂，用来提高混凝土拌和物的粘稠性， 从而达到抗水洗的目的。 2 粘性、流动性好由于水中抗分散混凝土的粘性高，有效防止了混凝土分 离和冲散，同时又具有较好的流动性，在自重的作用下，经过一定的时间能自密 实、自流平，其拌合物接近牛顿体流型。 3 低泌水性用标准掺量的不分散剂制成的水下混凝不产生泌水和离析。 4 缓凝性纤维素类的外加荆对混凝土具有缓凝作用。 由于水下混凝土具有遇水不离析、水泥不流失的特点，克服了以往在水下施工 过程中，基坑排水、基础防渗、造围堰等繁锁工艺和施工难题，简化了旌工作业 程序，降低了工程风险造价，因而在水利、桥梁、港口、海洋工程等领域得到了 广泛的应用。我国于2 0 世纪8 0 年代末期开始研究和应用水下混凝土。 1 2 水下混凝灌注桩的发展、特点及研究现状 1 2 1 水下混凝土灌注桩的发展 一个多世纪以来，灌注桩已成为桩基工程中一种重要的桩型，使用范围已扩 大到土木工程的各个领域，它包括人工挖孔和机械钻孔两大类。2 0 世纪4 0 年代初， 随着大功率钻孔机具研制成功，二次世界大战后各国经济的复苏与发展，高层、 超高层建筑物和重型构造物的不断兴建，再加上灌注桩具有单桩承载力高、桩身 强度大、可根据土层分布情况任意变化桩长等优点，使得灌注桩成为这类建筑物 深基础的酋选类型。 1 8 9 3 年人工挖孔桩在美国问世以后，直到2 0 世纪6 0 年代初，我国才在南京、 上海、天津等地把灌注桩作为桥梁和港口建筑的基础，7 0 年代中期后又陆续在广 2 中南人学硕：i 学位论文 州、深圳、北京、厦门等大城市应用于高层和重型建( 构) 筑物，8 0 年代末9 0 年代 初，灌注桩的应用得到迅猛发展，遍及全国各大中城市，主要应用于包括软土、 黄土、膨胀土等特殊土在内的各类地基。由于灌注桩以其对各种地质条件良好的 适应性和施工时对环境影响较小等优点，在高层建筑、桥梁、高架路、水利等工 程中得到广泛使用并由水上向水下发展。 随着建筑物向高层化、重型化方向发展，对基础的承载力和稳定性提出了更 高的要求，作为一种主要基础桩的水下混凝土灌注桩，其单桩承载力和稳定性越 来越受到人们的关注，目前国内外在提高水下混凝土灌注桩的单桩承载力方面除 了采用扩大桩径和桩长方法外，还采用了一些其它方法。主要有”1 ： l 扩大桩身的比表面积为提高桩的竖向承载力，根据桩身的比表面积愈大， 桩侧阻力所提供的承载力就愈高的特点，将桩身截面作成六边形、环形、丁字形、 十字形、h 形等异形断面桩，或作成楔形、螺旋形、“糖葫芦”形等变断面桩。 2 扩大桩底面积为提高桩端阻力，在一个普通直径桩孔内采用扩底技术将 桩底扩成一定直径和高度的扩大头，以提高承裁力。 3桩底桩周压浆该技术方法能够提高桩基承载力2 0 l o o ，并在京、津等 地得到了广泛应用。 4 选择桩体材料桩体材料的强度在一定程度上制约着桩的竖向承载力，因 而选择合适的混凝土强度等级和配筋对于充分发挥桩端持力层的承载性能以及提 高竖向承载力十分重要。 以上几种提高水下混凝土灌注桩单桩承载力的方法是从改善桩和土共同作用 条件和桩体材料入手的，我们知道桩的承载力除了取决于以上因素外，还和桩身 混凝土强度具有很大关系，由于土的强度是客观存在的，因此怎样提高混凝土的 强度成为提高水下混凝士灌注桩单桩承载力主要途径，目前国内在改善桩身混凝 土力学性能的研究方面比较少，设计水平也较低。我国的水下混凝土灌注桩混凝 土强度大多在c 2 0 c 3 0 范围，远远满足不了实际工程的需要，近年来，如何研制 生产出水下高强度混凝土灌注桩已成为工程界普遍关注的课题。 1 ，2 2 水下混凝土灌注桩的特点 近年来，随着国民经济的快速发展，建筑工业取得了突飞猛进的发展，灌注 桩在全国各地得到广泛的推广和应用，我国应用灌注桩数量之多已堪称世界之最， ! 塑叁兰鳖! ：兰垡笙兰! ! 旦 作为混凝土灌注桩类型之一的水下混凝土灌注桩的应用也得到了普遍的推广和应 用。水下混凝土灌注桩的特点如下： l 属于非挤土桩或少量挤土桩，施工时基本无噪音和振动，无地面隆起和侧 移，对环境影响小，对周围建筑物、路面或地下设施等危害小。 2 可根据土层分布情况任意变化桩的长度，容易适应持力层面高低不平的变 化。 3 可穿过各种软、硬夹层，将桩端置于坚实土层或嵌入基岩。 4 可采取扩大底部的型式，充分发挥桩身强度和持力层的作用。 5 桩身配筋可根据荷载大小、性质和荷载沿深度的传递特征、土层的变化配 置，节约工程造价。 6 施工的设备比较简单、轻便，能够用简单的设备施工出单桩承载力较大的 桩。 7 大直径的水下混凝土灌注桩具有直径大、入土深，单桩承载力高，沉降量 较小的特点。 8 施工后的缺陷难于检查和修补，施工工艺和环节比较复杂，大直径桩的承 载力和沉降性状难于保证。 9 现场作业太多，影响桩质量的人为因素较多，质量还不够稳定，有时会发 生缩径、断桩、桩身局部夹泥、桩身混凝土离析、桩顶端混凝土疏松等质量事故。 12 3 水下混凝土灌注桩的研究现状 水下混凝土灌注桩在我国的研究还处在起步阶段，技术水平比较低，而且其 设计和施工工艺在一定程度上仍沿用陆上普通混凝土灌注桩的设计和施工工艺， 在材料选择、配合比设计和施工工艺上还存在着许多不足，理论研究也几乎是空 白。主要表现在以下几方面： l 由于施工环境是在水下，桩孔质量、桩底标高、回旋沉渣厚度、泥浆指标 难于控制，混凝土的强度难于保证，所以对于水下混凝土灌注桩的质量事故还没 有得到很好的解决。 2 影响水下混凝土灌注桩成桩质量的水下混凝土配合比设计大多是在各自试 验基础上粗略计算，还没有研究出完全适合多组分的水下灌注桩混凝土配合比的 设计方法，难于保证水下混凝土配合比满足设计要求强度、施工和易性、初凝时 中南火学硕七学位论文 间、耐久性和经济性的要求。 3 水下混凝土灌注桩的施工工序基本上沿用陆上混凝土灌注桩的工序，适应 水下混凝土灌注桩施工工艺目前尚处于试验研究阶段，还没有形成一套适应水下 混凝土灌注桩的施工工艺。 4 适应水下混凝土灌注桩且能改变桩身强度力学性能的外加剂的研究还不成 熟，品质单一，技术上可行的有的成本偏高，有的在经济上可行的却在施工质量 上又存在一些不足，在提高水下混凝土强度和抗分散性作用的研究上有待加强。 5 在检验水下灌注桩混凝土强度方法上，还没有形成一套完善的检验方法， 目前一般采用留取混凝士试块在空气中养护或在水中养护的方法，检验出的混凝 土强度很难达到规定要求。 1 3 本课题的研究目的、意义和内容 1 3 1 本课题的研究目的和意义 水下混凝土灌注桩是在陆上混凝灌注桩基础上发展起来的，它既具备陆上 混凝土灌注桩的某些特点，又具有其自身的特点。目前国内外对水下高强度混凝 士灌注桩的研究和应用还不成熟，理论和施工技术上的缺乏制约了水下混凝土灌 注桩的推广和应用。开展提高水下混凝土灌注桩强度的研究包括配制高强水下混 凝土技术的研究和施工技术的合理运用，并推广其在大型水利、桥梁和港口工程 中的广泛应用，对于提高重大工程的质量，缩小经济投资，提高经济效益和社会 效益，发展岩土工程施工技术具有重大意义。 1 3 2 本课题的研究内容 根据当前水下混凝土灌注桩的研究现状和水平，经查阅大量的文献资料，并 在导师彭振斌教授的指导下对该领域进行了一些研究，研究的主要内容如下： l 新型水下混凝土抗分散剂性能的研究 2 新型水下不分散混凝土试验与研究 3 新型水下抗分散混凝土灌注桩灌注工艺的研究 4 新型水下抗分散混凝土在某工程中的应用研究 5 中南人学f i j i ! l 。论文 新型水下不分散混凝土试验与研究 第二章新型水下混凝土抗分散剂性能的研究 2 1水下混凝土抗分散性剂的发展和研究现状 2 1 1水下混凝土抗分散剂的发展 水下混凝土的问世和越来越广泛的应用，有力地推动了水下混凝土抗分散剂的 发展。1 9 7 8 年日本从德国引进水下混凝土生产技术，并结合本国实际情况开展研 究，相继开发出丙烯系和纤维素系抗分散剂“。1 9 8 4 年，我国开展了抗分散剂的 研究工作，1 9 8 6 年中国石油天然气集团公司工程技术研究院研制成功了丙烯系抗 分散剂( 定名为u w b 型抗分散剂) ，1 9 8 9 年又开展了纤维素系列的试验研究， 并于1 9 9 0 年完成室内实验室工作( 定名为s c r 型抗分散剂) 。进入9 0 年代以来， 该院在原有产品的基础上采取控制高分子聚合物分子结构、溶解速度以及选用相 容性较好的液化剂，推出了新型的r 5 抗分散剂；同济大学根据水下抗分散剂性能 的影响因素，对聚丙烯系与纤维素系两大类高分子聚合物进行系统实验研究，研 制出了新型j s 水下混凝土抗分散剂。近年来，欧洲国家研制成功了一种被称为威 兰树脂( w e l a l lg 啪) “的水溶性生物多糖类聚合物作为添加剂，其稠度更大，抗分 散性更好。 21 2 水下混凝土抗分散剂的研究现状 水下混凝土抗分散剂由于其具有提高混凝土拌合物稠度，达到抗水性的功能， 从而在水下混凝土拌合物中得到越来越广泛的应用。但就目前而言，水下混凝土 抗分散剂的研究还不充分，对抗分散剂的性能和在施工中有效应用还没有完全掌 握，理论研究也有待于提高。具体表现在以下几个方面： l 对水下混凝土抗分散剂的用量难于控制，有的抗分散剂在很小掺量下即具 有较好的絮凝作用，而在大掺量时，反而引起水下混凝土需水量增大，强度明显 下降。 2 在提高水下混凝土抗水洗的功能时，也带来了一些新问题，如：流动性损 失快、可泵性差等。 中南人学f i j i ! l 。论文 新型水下不分散混凝土试验与研究 3目前抗分散剂品种单一，不能很好地满足市场需要，还有待开发出多功能、 高效能的品种。 4 抗分散剂与减水剂在水下混凝土中复合使用己比较广泛，但对于水下抗分 散剂与高效减水剂之间的相容性问题的研究还处在起步阶段，不同类减水剂与水 下抗分散之间的相容性作用机理有待于进一步探讨。 2 2水下混凝土抗分散剂的主要成分、性能 目前，国内外水下混凝土抗分散剂一般均为水溶性高分子聚合物，具有长链结 构，易溶于水。工程中常用的水下抗分散剂主要有聚丙烯系与纤维素两大类，前 者主要属于阴离予型高分子电解质，后者因纤维素三元环上羟基的氢被烃基取代， 取代基的种类较多。水中不分散混凝土外加剂的种类如表2 1 。 表2 1水中不分散混凝土外加剂种类 羟基丙酰甲基纤维素类( m p m c ) 纤维素类羟乙基甲基纤维素类( h e m c ) 羟乙基纤维素类( h e c ) 聚丙烯酰胺部分水解物 i丙烯类 丙烯酰胺和丙烯酸共聚物 以上两类抗分散剂各具优缺点，聚丙烯系类在很小掺量下即具有较好的絮凝 作用，但掺量大时，引起混凝土需水量增大，强度明显下降。纤维素类絮凝作用 明显，在小掺量时具有减水效果，大掺量时引气量较高且缓凝。 根据水下抗分散性能的影响因素，如高分子聚合物的分子结构、分子量、水 解度、溶解速度、单体含量以及分子链的聚合方式，同济大学对两类高分子聚合 物进行系统试验研究，研制出了j s 新型水下混凝士抗分散剂。“，具有较好的性能。 作者根掘实际工程的需要，拟采用j s 抗分散剂来进行试验研究，探讨抗分散剂对 水下混凝土性能的影响，以研制出性能优良的水下抗分散性混凝土。 2 3 抗分散剂对水下混凝土性能影响的试验研究 23 1 试验原材料 ! 查盔兰些! ：兰堡堡兰 堑型查! 堡堂圭垫坌塑型堡壁堕! ! ! l 水泥：5 2 5 号普通硅酸盐水泥( 设计水下混凝土灌注桩用的水泥宜选用5 2 5 号以上的普通硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，作者把5 2 5 标号普通硅酸盐水泥作 为施工水下混凝土灌注桩的主要建筑材料) 。 骨料：细骨料用河沙，细度模数2 6 ，级配良好，含泥量小于2 。 粗骨料用人工碎石，粒径5 2 0 m m ，含泥量小于2 ，级配见表2 2 ； 拌和水：自来水。 外加剂：j s 抗分散剂。 表2 2 碎石颗粒级配情况 筛孔尺寸( m m ) 0 1 6o 3 1 50 6 31 2 52 55 0 0 细度模数 累计筛余( ) 9 6 28 6 86 6 43 6 o1 1 40 o2 8 7 筛孔尺寸( m m ) 2 01 61 050 累计筛余( ) 1 o1 9 34 2 08 4 19 8 8 连续级配 2 3 2 试验方法 水下抗分散混凝土各项物理力学性能的测定按中国交通部标准港口工程混 凝土试验方法进行，混凝土拌合物流动性按德国d 玳1 0 4 8 标准进行。3 1 ，水下不 分散混凝土拌合物抗分散性以水泥流失率、环境水浊度或p h 值和硬化混凝土的水 陆强度比表示。试件成型方法如下：将1 5 0 1 5 0 1 5 0 衄试模置于水下4 0 c m 处， 把搅拌好的混凝土拌合物通过导管穿过水层浇灌于试模中，自行流平，自密实， 取出试模抹平，待硬化后拆模并在水中养护( 养护温度为2 0 2 ) 。 23 3 试验内容 2 3 3 1 水下不分散混凝土拌和物性能 1 抗分散性：抗分散剂能改变水泥颗粒的表面性能，使其凝聚性增强，具有 抗水洗能力，遇水时不分散、不离析，可自流平、自密实，且安全无毒，不污染 环境。在抗分散剂掺量不同的情况下，取拌有抗分散剂的水下混凝士混合物3 l ， 倒入直径为3 0 c m ，高为5 0 c m 装满净水的桶中1 ，测定周围环境中水溶液p h 值的 变化情况，如图2 一l 所示。 ! 查苎兰塑兰兰些垒壅堑型查! 堡鳖圭茎坐堂型壁堕堕! ! ! ! l p h 值 00 10 20 3 0 4，0 5 j s 抗分散剂的掺量( ) 图2 1j s 抗分散剂掺量对环境水p h 值的彩晌 图2 1 表明，环境水的p h 值随j s 抗分散剂掺量的增加而降低，说明拌合物 中洗出的水泥量明显减少，从而使环境水p h 值受水泥水化的影响程度迅速降低。 当掺量o 0 4 以上时，p h 值已几乎不再降低。 水下混凝土拌合物在6 0 c m 水中自由落下，经筛洗分析后各组分含量的试验结 果如图2 2 。 晷组分的台量 图2 2 普通混凝土和j s 混凝土筛洗分析结果 a j s 混凝土拌合物水中落下后配比，； b 一拌合物配合比。： c 普通混凝土拌合物水中落下后配比，。 从图2 2 中的筛洗分析结果看出，普通混凝土的水泥流失率比较高，面加入 j s 抗分散剂后，混凝土的水泥流失率相对要低得多。 幢 m 9 8 7 6 如 如 m 0 主塑查兰堡! ：堡兰堑型窭立2 兰塑堑墨壁圭堕垦：! ! 堕 2 流动性：水下不分敖混凝土拌合物能缓慢地自动流平和自密实，充填性 好，但由于较为粘稠，流动速度慢，其流动特性与普通混凝土有明显差别。在实 际施工中，水下混凝土拌合物不仅仅最初要有较好的和易性，还要求在运输和浇 筑过程中，都保持一定的流动性和均匀性，不产生分层离析，才能适应用于水下 浇筑m 】。图2 3 为普通混凝土和水下不分散混凝土的坍落度变化情况： 坍落度( c m ) 2 5 2 0 l s 1 0 s 闻( n 图2 3 混凝土拌台物坍落度随时间变化曲线 上图表明在水下混凝土中加入j s 抗分散剂后，其拌合物的流动性有明显的改 善，随时间延长坍落度减小比普通混凝土慢。 3 凝结时间：水下不分散性混凝土的凝结时间测定结果如表3 1 所示： 表2 3 抗分散剂对水下混凝凝结时间的影响 地点 抗分散剂掺入量 凝结既。间( h ) ( ) 初凝终凝 o8 91 3 2 空气中 0 0 31 3 81 9 5 01 3 31 8 9 0 0 11 4 72 4 4 水中 o 0 21 7 62 8 9 o 0 4l e 3 由表中可以看到j s 抗分散剂对混撮土拌合物均有一定的缓凝作用。在水中测 0 中南人学f i j i ! l 。论文 新型水下不分散混凝土试验与研究 定时，掺抗分散剂的混凝土的凝结时间与空白试件相比，初凝延迟4 7 小时，终 凝延迟4 8 小时，且随j s 抗分散剂掺量的提高而逐渐增加。 4 含气量：水下不分散性混凝土的含气量测定结果如表2 4 所示： 表2 4j s 抗分散剂对水下混凝含气量的影响 地点扰分散剂掺入量( )含气量( ) 0l - 1 0 0 li 3 0 0 21 5 水中 ， o 0 32 2 o 0 437 0 0 54 0 表2 4 中显示，j s 抗分散剂的加入对拌合物的含气量有所增加，但增加量不 多，符合水下混凝土拌合物含气量的要求。 5 泌水性：水下不分散性混凝土的泌水性测定结果如表2 5 所示： 表中表明j s 抗分散剂的掺入，提高了混凝土拌合物的保水性，不易产生分层离 析和泌水现象，当掺入量在0 0 4 以上时，基本不再有泌水现象产生。 表2 5 掺j s 抗分散剂剂水泥浆的泌水率 抗分散剂 时 间( r n i n ) 掺入最( )0 1 53 06 0 9 01 2 0 oo 0 8 51 7 4 2 3 32 6 92 8 7 0 0 l0 0 5 21 1 31 2 4 1 3 01 3 3 o 0 2o 0 4 l1 2 7l j5 3 2 2 92 9 2 o 0 4 00 2 30 3 3 0 3 90 4 l o 4 3 o 1 00 0 0 80 1 0 o 1 4 0 1 6o 2 1 2 3 3 2 硬化混凝土性能 1 水陆强度比：它是水下不分教浞凝土强度特性的一项技术指标，有的国家 在特殊水中混凝土质量管理要求中规定，水下混凝土7 天的水陆强度比为6 0 以 上，2 8 天的水陆强度比为7 0 以上。j s 絮凝剂混凝土水陆强度比如表2 6 所示： 中南人学f i j i ! l 。论文新型水下不分散混凝土试验与研究 表2 6 水下不分散混凝水陆强度比 j s 抗分散剂2 8 天抗压强度( m p a ) 序号 1 w c水陆强度比 ( ) 水中成型陆上成型 1o 0 1 1 2 62 2 15 4 3 20 0 21 6 12 3 26 9 4 30 0 31 8 92 4 57 7 1 o 4 0 4o 0 42 0 42 6 7 7 6 4 50 ，0 52 1 63 0 1 7 1 8 6o 1 02 2 83 0 5 7 4 8 表2 6 说明在j s 抗分散剂不同掺量条件下，水下混凝土的水下强度和陆上强 度都有较大的提高，但当掺量大于o 0 4 时，水下强度和陆上强度增加不再明显。 在掺量大于0 0 3 时，j s 混凝土的2 8 天水陆强度比都在7 0 以上，满足在特殊水 中混凝土质量管理规定2 8 天的水陆强度比大于7 0 的要求。 2 抗渗性：由于骨料在混凝土中多为水泥石所包裹，在密实的混凝土中，对 渗透性影响最大的是水泥石的渗透性，但随着抗分散剂的加入，引入了适量的微 小气泡，并减少了泌水通道，从而可提高水下不分散混凝土的抗渗性。j s 在不同 掺量下水下混凝土抗渗性指标如表2 7 所示： 表2 7 j s 不同掺量下抗渗性指标 序号水灰比 j s 抗分散剂掺入量( ) 抗渗指标 l o 4 0 0 s 4 204 5 0 0 2 s 1 2 3 0 4 0 o 0 4 - s 3 7 4 o 5 0 o 0 6 s 3 8 4 由表2 7 可知，随着j s 抗分散剂掺入量的增加，其抗渗指标逐步提高，当 j s 掺入量达到o 0 4 一o 0 5 9 6 时，随着j s 抗分散剂掺入量的增加，抗渗指标的增 加不再明显。 3 耐蚀性：按标准方法，对j s 抗分散剂混凝土进行了抗硫酸侵蚀试验，结果 表明，j s 抗分散剂对水下不分散混凝土的耐蚀性无不利影响，其结果如表2 8 土里坠苎娑生型王一 堑型查! 至坌墼望丝圭堕墅兰翌塞 所示： 表2 8 水下不分散混凝土耐蚀性 序号水灰比j s 抗分散剂掺入量( ) 抗蚀系数( k c ) l 0o 7 8 20 0 20 7 9 o 4 0 3o 0 4o 8 2 40 0 60 8 3 4 抗冻性：由于抗分散剂的掺入，引入了适量的微小气泡，使水下混凝土的 含气量稍有增加，水下混凝土的抗冻较普通混凝土有所提高，其试验结果如表2 9 所示： 表2 9 序毋水灰比 j s 抗分散剂掺入量( ) 抗冻指标 l 0 d 1 2 5 2 o 0 2 d 1 3 7 o 4 0 3 0 0 4 d 1 5 0 4 o 0 6 d 1 6 0 由表中可知，加入j s 抗分散剂后水下混凝土的抗冻性能增加，其抗冻指标可 达到d 1 5 0 左右，能满足一般寒冷地区对混凝土的抗冻要求，但对于严寒地区，尚 需加入少量的引气剂，以增加水下混凝土的抗冻性能。 2 4 水下混凝土抗分散剂的作用机理分析 在水下混凝土中加入的抗分散剂是纤维繁类、聚丙烯酸类、聚乙烯醇类的水 溶性高分子化合物，其相对分乎羹从几千剩百万。作为外加剂通常采用相对分子 质量高的，当其掺入滤凝土中在加承搅拌时使其溶解，变成粘性液体，以提高混 凝土的稠度。j s 抗分散剂俸用辄理分析可概括为以下几个方面： 2 4 1 桥架作用 l 抗分散剂中的嵩分子聚合物带有一些活性的官能团，通过官能团能将水泥 分散体系中的细颗粒吸附到分子链上，通过分子链在水泥颗粒之间形成纵横交错 中南人学f i j i ! l 。论文 新型水下不分散混凝土试验与研究 的桥架，将许多颗粒连接在一起，形成稳定的网状结构。 2 聚丙烯类属阴离子型高分子电解质，在碱性介质中离解成带多电荷大分子 阴离子，用电荷强电场的排斥作用使大分子由团状变成直线状。同时，因聚合物的 阴离子吸附在水泥颗粒或水泥水化释放出的游离c a 2 等阳离子上，同一分子又能同 时吸附几个粒子，致使混凝土拌合物的粘度增大，对分散的水泥体起到稳定作用。 3 纤维素聚合物同样具有长链结构。在搅拌拌合物过程中，其粘性作用吸附 水泥颗粒与水化粒子，形成网状结构。 2 4 2 表面活性作用 抗分散剂是水溶性聚合物，分子中含有亲水和憎水基团，具有表面活性，改 变了混凝土混合物分散体系中颗粒的表面电位，显著降低了粒子闯的排斥势能， 增大了颗粒问吸引势能，使多相分散体凝聚在一起，有助于粒子的分教稳定。 2 4 3 桥键作用 抗分散剂中的长链分子带有许多取代基( 如胺基、羟基、羧基、酰胺基等) ， 水解后与拌台物中的水及其水化释放出的各种离子结合，如：羟基和醚键上的氧 离子与水分子形成氢键而产生缔合以及水解电离出的物质与水泥中的多价离子结 合：纤维素中的长链分子在水中溶解时，其羟基和醚键上的氧离子与水分子形成 氢键而产生缔合，形成一种稳定的桥键，使水失去流动性，因而拌合物的粘度显 著提高。桥键的作用使得混凝土结构中凝胶体明显增多。图2 4 为掺j s 抗分散 剂的水泥净奖体结构扫描电镜照片。 图2 - 4 掺j s 的水泥净浆体扫描电镜照片 4 中南人学f i j i ! l 。论文新型水下不分散混凝土试验与研究 由于有以上三个方面的作用，混凝土拌合物粘度增大，在宏观上表现为凝聚， 提高了混凝土在水下旋工中的抗分散能力。 2 4 4 试验结果及讨论 l用抗分散剂配制的水下不分散混凝土拌合物较普通混凝土粘稠，在水中落 下和流动时不分散、不离析、水泥流失量少，具有水中抗分散的特性。 2 加入抗分散剂使水下混凝土拌合物在水中浇筑时，可自行流平、自密实、 不泌水、不分层，具有良好的流动性、充填性和保水性。 3 水下抗分散混凝土的凝结时间较普通混凝土长，终凝一般延缓4 小时以上。 4 抗分散剂的作用机理主要表现在桥架作用、表面活性作用和桥键作用三个 方面。 5 对于不同强度等级的混凝土和不同胶凝材料总量的混凝土，抗分散剂均能 赋与良好的抗分敷性和强度性能。 中南人学f i j i ! l 。论文新型水下不分散混凝土试验与研究 第三章新型水下不分散混凝土试验与研究 随着社会的发展进步，人类开发利用己由陆地向水下发展，水下工程在国民 经济发展中所起的作用也越来越大，水下混凝土的施工技术和施工质量已引起了 工程技术界的高度重视，以前水下混凝土施工质量的优劣主要取决于施工机具的 操作严密性，尽量隔断混凝土与水的直接接触，但施工方法操作起来比较烦锁， 操作稍有不慎，就会酿成不可挽回的损失，而且强度低，混凝土损失大，污染环 境。 7 0 年代以来，世界各国从改善混凝土本身性能的途径来提高水下混凝土的质 量，即使混凝土自身具有在水中浇筑过程中直接与水接触，也不会使混凝土拌合 物备组分分散的能力，这种特殊的水下混凝土首先由德国于1 9 7 4 年率先研制成功， 随后r 本引进该项技术，并开发出了具有抗分散性的絮凝剂( 即抗分散剂) 。随着抗 分散剂的研究工作不断开展，其品种越来越多，使水下混凝土的性能得到了很大 的改善。水下混凝土是用常规的水泥、砂石作原料，使用常规的制作工艺，主要 依靠外加的抗分散剂，也可掺入高效减水剂或一定数量的活性矿物材料，使拌合 物具有良好的工作度，并在水下硬化后具有较好性能的水泥混凝土。它具有优质 的粘聚性、一定的流动性、足够的强度和埘久性能等。 目前，水下混凝土在国内外工程建设中已得到了广泛的运用，但由于水下混 凝土在浇注过程中受水及泥质杂质、不允许振捣等方面的影响“”，混凝土的强度 受到了不同程度的损失，我国在提高水下混凝土强度方面还不尽人意，其强度等 级仅维持在2 0 3 0 m p a “”。在本章中就提高水下混凝土强度方面进行一些尝试，希 望能在提高水下混凝土强度方面做一些有益的工作。 3 1 复合增强剂对水下不分散混凝土强度影响的研究 自水泥问世以来，人们就开始开展提高混凝土强度的研究工作，2 0 世纪3 0 年 代仞至6 0 年代，提高强混凝土强度主要是选用高标号水泥，通过降低水灰比、砂 率而配制成低流动性混凝土，其工艺上采用振动、加压、真空、离心等手段m ，。 中南人学f i j i ! l 。论文新型水下不分散混凝土试验与研究 6 0 年代开始研制高效减水剂，并在工程中应用，由于加入了高效减水剂不仅能降 低水灰比，而且使拌合料中的水泥更为分散，硬化后的空隙率大大降低，从而较 大程度地提高了混凝土的强度。人们在实际工程中发现，掺用高效减水剂虽然可 以在低水灰比的条件下大幅度提高混凝土拌合物的强度，但由于坍落度经时损失 大，混凝土的高流动性往往难于持久，只依靠降低水灰比提高混凝土强度难以实 现，一般要加入超细矿物材料( 多用粉煤灰、硅粉矿物掺合料) “，并掺入高效 减水剂。进入9 0 年代，随着我国基本建设的迅猛发展，高层建筑、大型工程不断 建设，对建筑混凝土标号及施工工艺提出了新的要求，使高效减水剂市场日益成 熟。近年来，现代化的施工技术对减水剂性质又提出了更高的要求，开发和应用高 效减水剂和复合型减水剂，已经成为减水剂发展的主要方向。 目前国内外提高水下混凝土强度除了选用高标号水泥、掺抗分散剂、严格控 制施工质量外，主要通过加入高效减水剂， 但一些高效减水剂加入又会产生坍落 度经时损失大，混凝土的高流动性往往难于持久等问题，给施工带来困难。针对 目前的现状并结合我国建筑工程中实际应用情况，作者研究开发了一种提高水下 混凝土灌注桩桩身强度的复合型增强剂。 3 1 1 复合增强剂的主要成分、性能 该复合增强荆主要成分包括超细矿物材料、高效减水剂，目前超细矿物材料 有硅灰，它是一种很好的超细矿物掺合料，但数量有限且价格昂贵。；沸石粉、 矿渣也是较好的超细矿物材料，但需粉磨并受地域、环境的限制：而粉煤灰具有 量大、价廉、不需( 或稍进行) 加工即可满足配制高性能混凝土的要求。在本复 合增强剂中，超细矿物材料选用粉煤灰，高效减水剂选用a s 减水剂。 3 1 1 1 粉煤灰 l 粉煤灰的主要成分、性能 粉煤灰是燃煤电厂的副产品，如果利用不好，不仅占地、占水域，而且污染 环境，给人们生产和生活带来不便，目前世界上大多数国家都在想方设法利用它， 主要用于墙体材料、水泥、混凝土与砂浆、道路、回填等。我国近几年粉煤灰的 总排放量有逐年增加之势，近两年已超过1 亿吨年，粉煤灰的总利用率也在逐年 增加，目前已超过了4 0 栌“。利用粉煤灰作为主要原料生产增强剂，具有十分重要 的技术、经济和社会效益。 中商人学f i j i ! j 。论立新型水下不分教混凝土试验与研究 粉煤灰化学成分由原煤的成分和燃烧条件决定，其颗粒多数里球形，表面光滑， 色灰或浑坎，主要成分为氧化硅和氧化铝，其氧化硅多数以玻璃体状态存在，另 有一部分莫来石( 3 a l 。o 。2 s i o ：) 、n 石英、方解石、b 硅酸二钙等少量晶体矿物。 在本章中采用攀钢发电厂的粉煤灰。“，其组成成分如表3 一l 所示： 表3 1粉煤灰组成成分 成分 s i 饶a l 。醌f 出n c a o m 9 0 烧失量 含量( ) 6 02 5 64l4 粉煤灰的品质指标如表3 2 所示： 表3 2 粉煤灰相关指标情况 名称 g b i l 5 9 6 9 l实测结果 细度( 4 5 u m 方孔筛筛余) 不大于2 01 9 4 需水量比不大于1 0 51 0 l 烧失颦不大于53 2 含水量 不大于l0 2 = 氧化硫 不大于3 3 由表中可以看到该厂生产的粉煤灰仅仅达到国际三级标准。根据试验和研究 表明，粉煤灰越细，球形玻璃体越多，和易性越好，粉煤灰对混凝士的强度贡献 越明显，小于o 0 4 5 嘞颗粒越多，特别是小予0 0 2 哪颗粒含量越多，对提高混凝 土密实性，改善混凝土性能越有好处。而本节中选用的原状粉煤灰明显达不到 这一要求，必须采用一定的工艺对煤灰进行深加工达到优质粉煤灰的要求，采用 的工艺为气力分选制备工艺o “，其生产工艺流程如图3 1 。 图3 1气力分选制备工艺 中南人学f i j i ! l 。论文 新型水下不分敞混凝土试验与研究 气力分选优质粉煤灰工艺具有占地面积少、布置灵活、分选效率高、调节范 围广、能耗低等优点。 2 粉煤灰分选后“效应”功能增强 ( 1 ) 形态效应：分选后的优质粉煤灰颗粒细，小于o 0 4 5 m m 的颗粒显著增多，球形 玻璃体、表面密度、相对密度都比原状灰好( 图3 2 为粉煤灰分选前后的扫描电 镜照片) ，球形玻璃体细颗粒可填充水泥桨体，提高了水下混凝土的强度。 a 原状粉煤灰扫描电镜照片b 分选后粉煤灰扫描电镜照片 图3 2为粉煤灰分选前后的扫描电镜照片 ( 2 ) 活性效应：分选后粉煤灰中活性成分含量提高，活性成分一可溶的s i 0 2 、 a 1 2 0 3 与c a ( 0 h ) 2 反应生成硅酸钙胶体，降低了水下混凝土的孔隙率。粉煤灰分 选前后可溶s i 0 2 、a 1 2 0 3 测定值见表3 3 。 表3 3 可溶s i o z 、a iz 仉测定值 序号名称可溶s i o z可溶a l 。o 。可溶s i o z 、a l 。g 总和 l 分选前粉煤灰6 2 0 l _ 8 6 8 0 6 2 分选后粉煤灰 7 8 42 9 81 0 8 2 ( 3 ) 微集料效应：分选后粉煤灰颗粒小，表面光滑，分散度高，在水下混凝 土搅拌过程中粉煤灰的颗粒能均匀分布在水泥颗粒中，阻止了水泥颗粒的粘聚， 有