早强型珊瑚砂混凝土配合比设计

一种早强型珊瑚砂混凝土配合比设计商宁宁1周伟2（中国石油集团工程技术研究院，中国石油集团工程技术研究院）摘要：我国南海某些岛礁地处热带气候，为珊瑚礁岛屿，珊瑚资源丰富，在不破坏当地生态环境的前提下，就地取材，用疏浚港池、航道挖出的珊瑚礁、砂和被台风海浪冲刷堆积的珊瑚礁、砂代替碎石、河沙，用海水代替淡水，配制能直接在水下施工的海水拌养珊瑚礁、砂混凝土，对于无筋的新建或修补混凝土工程，都有重要的现实意义和极高的实用价值。本实验对珊瑚砂混凝土性能影响较大的四个因素进行试验分析，最终优选出早强型珊瑚砂混凝土的最优配合比并进行了性能试验。关键词：珊瑚砂混凝土配合比早强1.前言我国南海某些岛礁地处热带气候，为珊瑚礁岛屿，珊瑚资源丰富，距离大陆较远，岛礁上没有碎石、河沙等常规的建筑材料，施工用淡水也非常匮乏，新建水下构筑物工程所需的砂、石、淡水材料不得不从大陆用船舶运输，耗费大量人力、物力。因此，在不破坏当地生态环境的前提下，就地取材，用疏浚港池的珊瑚礁、砂和被台风海浪冲刷堆积的珊瑚礁、砂代替碎石、河沙，用海水代替淡水，配制能直接在水下施工的海水拌养珊瑚礁、砂混凝土，对于无筋的新建或修补混凝土工程，都有重要的现实意义和极高的实用价值。国外在二战时期就进行了珊瑚混凝土的相关研究，并进行了工程实际运用，我国于1997年在西沙某岛的护堤、防波堤等水工工程中使用了海水拌合珊瑚砂混凝土。本实验对珊瑚砂混凝土性能影响较大的四个因素进行试验分析，最终优选出早强型珊瑚砂混凝土的最优配合比并进行了性能试验。2.试验原材料和试验依据1）试验原材料（1）水泥：盾石P.O42.5水泥普通硅酸盐水泥性能特点：早期强度高，凝结时间早，泌水性小，具有优良的抗碳化及抗冻性特点。适用性：冬季使用较好，适用于高层建筑及大体积混凝土工程，重要工程。表1为盾石P.O42.5水泥的技术标准。表1盾石P.O42.5水泥的技术标准作者简介：商宁宁工程师1986年生。2009年毕业于西南石油大学应用化学专业，现从事水下不分散混凝土技术服务工作。地址：天津市塘沽区津塘公路40号中国石油工程技术研究院；邮编300450；电话[phone]；E-mail：[e-mail]。水泥标准SO3(%)LOSS(%)MgO(%)CL(%)比表面积凝结时间（min）抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）初凝终凝3天28天3天28天PO42.5≦3.5≦5.0≦5.0≦0.06≧350≧45≦600≧17≧42.5≧3.5≧6.5（2）砂、石骨料砂，不同细度模数珊瑚砂。石子，石灰岩碎石，5～25㎜连续级配。不同细度模数珊瑚砂如表2、表3所示。表2珊瑚砂细度模数序号筛孔尺寸(mm)0.160.3150.631.652.505.00细度模数S1累计筛余（%）84.270.4452.2636.6221.29.22.34S2累计筛余（%）75.159.0240.9424.815.346.241.96S3累计筛余（%）61.8242.2223.5412.147.983.861.33（3）水：自来水（4）絮凝剂：中国石油工程技术研究院产UWB-Ⅱ型絮凝剂（5）减水剂：BSH聚羧酸高性能减水剂（6）调凝剂：UWB-T调凝剂2）试验依据（1）DL/T5117-2000《水下不分散混凝土试验规程》（2）JTJ270-1998《水运工程混凝土试验规程》3.试验方案早强型珊瑚砂水下不分散混凝土要快凝快硬，且1d、3d强度均要求有一定的强度。根据现有的技术条件，选择采用普通硅酸盐水泥，同时添加适量的调凝剂，以满足快凝快硬要求。同时掺加适量减水剂，以保证混凝土的流动性和强度要求。通过研究不同细度模数珊瑚砂、调凝剂的用量变化对水下不分散混凝土性能的影响，确定符合技术要求的水下不分散混凝土配比方案。4.早强型珊瑚砂水下不分散混凝土试验1）珊瑚砂细度模数对混凝土强度影响分析本试验采用3种不同细度模数珊瑚砂对水下不分散混凝土的性能影响研究其规律。3种不同细度模数珊瑚砂如表2所示。减水剂和絮凝剂均按照推荐产量掺入。水下不分散混凝土理论配合比如表3所示为：水泥420kg/m3，絮凝剂12kg/m3，水，220kg/m3，减水剂为水泥重量的0.4%。其中，水的实际用量以使混凝土达到基本相同的流动性（坍扩度50~55cm）为准。试验结果如表4所示。表3水下不分散混凝土配合比材料用量，kg/m3砂率,%W/C水泥珊瑚砂石子水絮凝剂减水剂S1420680（1.96）1020265121.68400.63S2420578（1.33）1122275121.68360.65S3420765（2.34）935260121.68450.62表4水下不分散混凝土性能序号含气量%流动性，cm凝结时间，min陆上成型强度，MPa坍扩度坍落度初凝终凝3d7d28dS1550.52560069020.428.036.5S24.55626＞200＞20021.829.537.3S365226＞200＞20024.233.642.0从表4看出，随着珊瑚砂细度模数的增大，配制的混凝土陆地强度呈现出增高的趋势。这主要是由于砂子越细，它的比表面积就越大，砂子表面的沾灰面积就越大，所以水泥用量就大了，在水泥用量相同的情况下，混凝土强度有所降低。因此，我们选用细度模数较大的（2.34）珊瑚砂做为混凝土的细骨料。2）珊瑚砂砂率的确定砂率是影响混凝土工作性、表观密度、强度和变形性能的主要因素之一。采用合理砂率不仅可以增加混凝土的强度，还可以提高混凝土的流动性。本试验珊瑚砂的掺量选择了砂率40%-55%的范围，减水剂和絮凝剂均按照推荐产量掺入。水下不分散混凝土理论配合比(表5)为：水泥420kg/m3，絮凝剂12kg/m3，水，220kg/m3，减水剂为水泥重量的0.4%，试验温度为26-34℃。其中，水的实际用量以使混凝土达到基本相同的流动性（坍扩度46~50cm）为准。试验结果如表6所示。表5水下不分散混凝土配合比材料用量，kg/m3砂率%W/C水泥珊瑚砂石子水絮凝剂减水剂S14206801020245121.68400.58S2420765935252121.68450.60S3420850850260121.68500.62S4420935765265121.68550.63表6不同砂率对水下不分散混凝土强度的影响序号含气量（%）流动性cm凝结时间min水下成型强度MPa陆上成型强度MPa水陆强度比%坍落度坍扩度初凝终凝7d28d7d28d3d28dS15.523496006902429.334.2407073S25244960069027.233.835.6417682S38245060069025.633.533.839.47685S49224660069024.532.832.939.07584从表6可以看出，在水泥用量和水灰比一定的条件下，55%砂率的水下不分散混凝土的流动性有所下降。这是由于砂子与水泥浆组成的砂浆在粗骨料间起到润滑和辊珠作用，可以减小粗骨料间的摩擦力，所以在一定范围内，随砂率增大，混凝土流动性增大。另一方面，由于砂子的比表面积比粗骨料大，随着砂率增加，粗细骨料的总表积增大，在水泥浆用量一定的条件下，骨料表面包裹的浆量减薄，润滑作用下降，使混凝土流动性降低。所以砂率超过一定范围，流动性随砂率增加而下降。从表6中可以看出，混凝土强度随砂率增大而出现波动，在砂率达到45%和50%时混凝土强度最高，本着混凝土中砂率尽量高的原则，我们选择50%的砂率为珊瑚砂混凝土的最佳砂率。3）水泥用量的确定通过混凝土理论研究和施工实践证明，水泥用量不足和用量过多，对混凝土质量均有不利的影响。水泥用量少了，会使混凝土的强度降低，使抗渗性、抗冻性、抗蚀性及抗碳化性能变差，使混凝土质量达不到设计的要求。水泥用量多了，在大体积混凝土施工时，水泥水化反应放出的热量会使混凝土内外温差过大而产生裂缝，影响混凝土的质量。总而言之，水泥用量过多或过少，除了给混凝土质量带来不利影响外，还会在经济上造成不必要的损失。本试验水泥的用量选择了380kg/m3-500kg/m3的范围，减水剂、砂率和絮凝剂均按照推荐掺量掺入。水下不分散混凝土理论配合比为：砂率50%，絮凝剂12kg/m3，水220kg/m3，减水剂为水泥重量的0.4%，试验温度为26℃。其中，水的实际用量以使混凝土达到基本相同的流动性（坍扩度46~50cm）为准。试验结果如表8所示。表7水下不分散混凝土配合比材料用量，kg/m3砂率%W/C水泥珊瑚砂石子水絮凝剂减水剂S1380850850260121.68500.68S2420850850255121.68500.61S3460850850255121.68500.55S4500850850255121.68500.51表8不同水泥用量对水下不分散混凝土强度的影响序号含气量%流动性，cm凝结时间，min陆上成型强度，MPa坍扩度坍落度初凝终凝3d7d28dS17.55125＞200＞20019.321.230.7S2105025＞200＞20022.927.534.9S39.549.525＞200＞20026.630.539.3S41049.524.5＞200＞20028.332.240.8由表8可以看出，水泥用量与强度平均值的大致关系表明，水泥用量越大，试块3天、7天、28天抗压强度平均值总体越大，但水泥用量超过460kg/m3平均强度增幅不大。水泥用量对凝结时间的影响较大，所以，从凝结时间的角度考虑，考虑到成本的因素，建议水泥用量不超过460kg/m3为宜。4）调凝剂用量的确定本实验研究采用了UWB-T调凝剂，水下不分散混凝土配合比：普通硅酸盐水泥420kg/m3，砂子850kg/m3，石子850kg/m3，水220kg/m3，絮凝剂为12kg/m3，减水剂为水泥重量的0.4%，调凝剂从0到6%之间变化，水的实际用量以使混凝土达到基本相同的流动性（坍扩度50~55cm）为准。环境温度为27℃，水温为24℃。表9水下不分散混凝土配合比材料用量，kg/m3W/C水泥珊瑚砂石子水絮凝剂减水剂调凝剂S1420850850250121.6800.59S2420850850250121.688.40.59S3420850850250121.6816.80.59S4420850850250121.6825.20.59从表9和表10可以看出，凝结时间随着调凝剂掺量增加而缩短，调凝剂掺量在4%时，初凝时间就缩短至240min，，掺量＞4%时，凝结时间就更短。调凝剂掺量对早期强度提高很快，特别是3天内的强度，调凝剂掺量在4%时24小时强度达到13.4MPa，3d强度达到22.5MPa，但是对28天强度并无贡献。表10调凝剂对凝结时间和早期强度的影响序号调凝剂掺量%流动性cm凝结时间min陆上成型强度MPa坍扩度坍落度初凝终凝1d3d28dT1053265008509.221.139.4T2252.52635561511.922.038.5T345225.524050013.422.537.8T465326.520546514.022.438.95.混凝土配合比的确定及其性能1）早强型珊瑚砂混凝土配合比在以上试验分析的基础上，我们选定的早强型水下不分散混凝土配合比如下表11所示。表11水下不分散混凝土配合比硫铝水泥砂子石子水絮凝剂减水剂调凝剂460kg/m3850kg/m3850kg/m3220kg/m312kg/m30.4%4%2）早强型珊瑚砂混凝土性能在确定配合比的基础上，我们对此配合比的珊瑚砂混凝土进行了抗分散性（图3）、流动性（图4）、容重、含气量（图2）、凝结时间、抗压强度等性能试验，早强型珊瑚砂混凝土的性能如表12所示。图1水下成型试块图2含气量图3抗分散性图4流动性表12水下不分散混凝土性能序号性能项目性能指标试验值1抗分散性-ＰＨ值92流动性坍落度mm260坍扩度mm5203容重kg/m323704含气量%8.605凝结时间min初凝60终凝105