早强型珊瑚砂混凝土配合比设计.doc

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PO5.00.063504560017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E-mail：。（2）砂、石骨料砂，不同细度模数珊瑚砂。石子，石灰岩碎石，525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（%）84.270.4452.2636.64S2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-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/T 5117-2000 水下不分散混凝土试验规程（2）JTJ 270-1998 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12 kg/ m3，水，220 kg/ 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5055cm）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）1020265 121.68400.63S2420578（1.33）1122275121.68360.65S3420765（2.34）935260 121.68450.62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3d7d28dS1550.52560069020.428.036.5S24.5562620020021.829.537.3S36522620020024.233.642.0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12 kg/m3，水，220 kg/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4650cm）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S14206801020245 121.68400.58S2420765935252 121.68450.60S3420850850260 121.68500.62S4420935765 265121.68550.63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380 kg/m3-500 kg/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12 kg/m3，水220 kg/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4650cm）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S1380850850260 121.68500.68S2420850850255 121.68500.61S3460850850255 121.68500.55S4500850850255121.68500.51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3d7d28dS17.5512520020019.321.230.7S210502520020022.927.534.9S39.549.52520020026.630.539.3S41049.524.520020028.332.240.8 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460 kg/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850 kg/m3，石子850 kg/m3，水220 kg/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5055cm）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S1420850850250 121.6800.59S2420850850250 121.688.40.59S3420850850250 121.6816.80.59S4420850850 250121.6825.20.59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1d3d28dT105326500850T2252.52635561511.922.038.5T345225.524050013.422.537.8T465326.520546514.022.438.95.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/m3850 kg/m3220 kg/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-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1056抗压强度MPa1d水下成型12.5陆上成型13.4水陆比%933d水下成型20.2陆上成型22.5水陆比%907d水下成型24.8陆上成型27.6水陆比%9028d水下成型34.8陆上成型37.8水陆比%926、结语早强型珊瑚砂混凝土的各项性能表明，本试验优选出的珊瑚砂混凝土配合比满足水工混凝土施工规范的技术要求，可以进行工程应用。各种混凝土配合比的设计方法都有自己的针对性和侧重点，没有一种混凝土配合比设计方法对所有的混凝土都适用