超低強(qiáng)度高流動(dòng)水下不分散混凝土的配制研究

周紹豪 ，石正雄 ，張若鋼 ，劉可心 ，陽(yáng)俊

（1.中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司，湖北 武漢 430071；2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430048）

0 引言

某工程海底沉管隧道采用先鋪碎石基礎(chǔ)，為保證最終接頭下放裝置的空間，在接頭兩側(cè)預(yù)留2隴碎石基礎(chǔ)未鋪設(shè)，為保證基礎(chǔ)的密實(shí)度，提高地基均勻性，在最終接頭形成整體剛性結(jié)構(gòu)之后需對(duì)未鋪設(shè)基礎(chǔ)進(jìn)行后注漿處理，后注漿示意如圖1所示。注漿直徑為6.5m，注漿最大半徑為3.9m，高度0.6m，為水下注漿，無(wú)振搗，因此注漿材料需在水下有良好的流動(dòng)性及自密實(shí)性。為保證與碎石基床相匹配的強(qiáng)度，注漿材料強(qiáng)度約0.5MPa。以往的工程經(jīng)驗(yàn)，基礎(chǔ)后注漿材料多采用砂漿填充[1]，泌水率大，水下抗沖刷能力差，因此，本工程后注漿材料擬采用超低強(qiáng)度、大流動(dòng)、水下不分散混凝土。本文以工程為背景，研究了超低強(qiáng)度、大流動(dòng)、水下不分散混凝土的配制方法。

圖1 后注漿基礎(chǔ)示意

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：華潤(rùn)水泥（平南）有限公司P·Ⅱ42.5水泥，密度3.11g/cm3，28d 抗壓、抗折強(qiáng)度分別為 54.0、8.9MPa。

（2）粉煤灰：江蘇諫壁電廠（鎮(zhèn)江華源）Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度（45μm篩篩余）為9.0%，需水量比為98%。

（3）惰性摻合料：連州金福粉體科技有限公司生產(chǎn)的400目石灰石粉，細(xì)度（45μm篩篩余）為0.2%，流動(dòng)度比100%，7d活性指數(shù)68%；膨潤(rùn)土，200目通過(guò)率95%。

（4）粗骨料：采用粒徑5～10 mm和10～20 mm骨料按1∶3的質(zhì)量比配合使用，5～20 mm粒徑骨料孔隙率為39%，含泥量0.6%，壓碎指標(biāo)6%，顆粒級(jí)配如表1所示。

表1 粗骨料的顆粒級(jí)配

（5）砂：西江河砂，細(xì)度模數(shù) 2.60，密度 2.55 g/cm3，堆積密度1.58g/cm3，顆粒級(jí)配如表2所示。

表2 細(xì)骨料的顆粒級(jí)配

（6）外加劑：采用江蘇博特復(fù)合減水增粘劑FF-55及增粘劑AD-300B，2種外加劑均為白色粉末。FF-55摻量為1%時(shí)減水率為20%，AD-300B為羧甲基纖維素類(lèi)，7 d水陸強(qiáng)度比為80%。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土自密實(shí)性能（流動(dòng)性）：坍落擴(kuò)展度、T500、V型漏斗流下時(shí)間試驗(yàn)方法參照日本土木協(xié)會(huì)JSCE—D101《自密實(shí)混凝土施工指南》進(jìn)行。

水下不分散性能：試件成型方法、懸濁物含量、pH值、水陸強(qiáng)度比參照DL/T5117—2000《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和DL/T 5100—2014《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。

1.3 混凝土配合比

由于混凝土強(qiáng)度超低，所以無(wú)明確的配合比設(shè)計(jì)方法參照。本配合比的設(shè)計(jì)思路為：在使用現(xiàn)工程混凝土原材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)較低的水泥用量、較高的水膠比，引入大量的氣泡、添加惰性摻合料的手段實(shí)現(xiàn)混凝土的超低強(qiáng)度；通過(guò)充足的漿體、良好的級(jí)配、合理的外加劑實(shí)現(xiàn)混凝土的高流動(dòng)性；通過(guò)使用性能較優(yōu)的混凝土增粘劑實(shí)現(xiàn)良好的混凝土水下不分散性能。綜合超低強(qiáng)度、大流動(dòng)度、水下不分散性能，研究不同的惰性材料及摻量、水膠比等對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)性、不分散性能的影響規(guī)律，使其達(dá)到良好的平衡，并保證其性能滿足工程需求。配合比參數(shù)設(shè)計(jì)參考日本土木協(xié)會(huì)JSCE—D101“增粘劑類(lèi)自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)”的要求。試驗(yàn)配合比見(jiàn)表3，砂率固定為45%，通過(guò)各外加劑摻量的調(diào)整，保證混凝土坍落擴(kuò)展度為（600±50）mm。

表3 試驗(yàn)混凝土的配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各組混凝土性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各組混凝土的性能

2.1 增粘劑對(duì)混凝土性能的影響

由于本類(lèi)型配合比用水量大，對(duì)混凝土流動(dòng)性要求較高，增粘劑摻量是普通水下不分散混凝土的數(shù)倍。1#、2#、3#試樣增粘劑摻量分別為0.4%、1.0%、1.2%。1#試樣由于增粘劑摻量低，未摻減水劑，而用水量較高，混凝土離析嚴(yán)重，流動(dòng)性差。對(duì)于2#、3#試樣，由表4可以看出，隨著增粘劑摻量的增加，混凝土坍落擴(kuò)展度由640 mm減小為580 mm，T500時(shí)間也由8.5 s延長(zhǎng)至15.4 s，混凝土流動(dòng)性明顯變差，流速變緩。但懸濁物含量由136 mg/L降至97 mg/L，水下抗分散性增強(qiáng)。2#、3#試樣水下不分散性能比較如圖2所示。

圖2 水下不分散性能比較

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)混凝土的含氣量、凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，大摻量增粘劑混凝土含氣量均大于10%，初凝時(shí)間均大于36h，由此可見(jiàn)，大摻量增粘劑會(huì)引入大量的氣泡，并能顯著延長(zhǎng)混凝土凝結(jié)時(shí)間。

圖3為成型的大摻量增粘劑混凝土試件。

圖3 成型的混凝土試件

由圖3可見(jiàn)，大摻量增粘劑混凝土成型后，混凝土表面有大量氣泡。但由于混凝土粘度較大，氣泡不會(huì)逃逸，留在混凝土內(nèi)形成孔結(jié)構(gòu)，對(duì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度作用明顯。隨著增粘劑摻量的增加，引入混凝土的氣泡越多，因此3#試樣較2#試樣的28d抗壓強(qiáng)度下降4.4%。

2.2 膠凝材料用量的選擇

2#、4#試樣的水膠比和摻合料比例均相同，膠凝材料總量分別為370 kg/m3、300 kg/m3。表4結(jié)果表明：在膠凝材料用量為370 kg/m3、300 kg/m3時(shí)，新拌混凝土均能獲得良好的自密實(shí)性能，這是由于大摻量的增粘劑引入大量的氣泡，增加了混凝土漿體的體積，所以較低膠凝材料用量的混凝土包裹性良好，滿足高流動(dòng)性混凝土漿體體積的要求。但隨著膠材用量的減小，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度由9.1 MPa降至8.1 MPa，懸濁物含量也由136 mg/L增加至195 mg/L，水下抗分散性能變差。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)膠凝材料總量降至270 kg/m3時(shí)，混凝土和易性明顯變差，自密實(shí)性能不能達(dá)到規(guī)范要求?？紤]到經(jīng)濟(jì)性及超低的抗壓強(qiáng)度，在滿足規(guī)范的膠凝材料用量的前提下，盡可能選擇膠凝材料總用量低的配合比，因此，本項(xiàng)目選擇膠凝材料用量為300 kg/m3。

2.3 摻合料的種類(lèi)對(duì)混凝土性能的影響

為滿足超低強(qiáng)度的要求，引入惰性摻合料石灰石粉和膨潤(rùn)土進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)。6#、7#試樣的粉煤灰、石灰石粉摻量均為80%，8#、9#、10#試樣在6#試樣的基礎(chǔ)上分別由5%、8%、10%膨潤(rùn)土取代部分粉煤灰。

由表4可以看出：

（1）摻入粉煤灰、石灰石粉及5%膨潤(rùn)土?xí)r，混凝土的坍落擴(kuò)展度較為接近。隨著膨潤(rùn)土摻量增加，同時(shí)提高FF-55復(fù)合減水增粘劑摻量，混凝土的坍落擴(kuò)展度急劇減??；當(dāng)膨潤(rùn)土摻量為10%時(shí)，大幅度提高FF-55復(fù)合減水增粘劑用量，混凝土坍落擴(kuò)展度為400 mm，已不滿足自密實(shí)混凝土流動(dòng)性的要求。而隨著膨潤(rùn)土的摻入，新拌混凝土T500時(shí)間明顯延長(zhǎng)，達(dá)摻入粉煤灰或石灰石粉的2倍以上，混凝土流動(dòng)速度特別緩慢。因此可知，石灰石粉對(duì)混凝土的流動(dòng)性、流動(dòng)速度影響不大，而膨潤(rùn)土的摻入使混凝土流動(dòng)性變差，流動(dòng)速度急劇變緩。此外，試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，膨潤(rùn)土摻量大于8%時(shí)，通過(guò)增加FF-55復(fù)合減水增粘劑摻量和用水量的方法都無(wú)法改善其流動(dòng)性；隨著膨潤(rùn)土的摻入，混凝土比較蓬松（呈蛋糕狀），如圖4摻入粉煤灰與摻入膨潤(rùn)土的混凝土狀態(tài)比較。這是由于膨潤(rùn)土能夠吸附8～15倍于本體積的水量，吸水后體積膨脹幾倍至十幾倍[2]。

圖4 摻膨潤(rùn)土與摻粉煤灰狀態(tài)對(duì)比

（2）V型漏斗試驗(yàn)是衡量自密實(shí)混凝土抗離析性能的重要指標(biāo)。由表4可見(jiàn)，摻粉煤灰、石灰石粉、5%膨潤(rùn)土V型漏斗流出時(shí)間分別為12.8、30.1、19.4 s，說(shuō)明了摻入石灰石粉混凝土的抗離析性能變差，這是由于石灰石粉顆粒表面比較光滑，對(duì)水和外加劑的吸附性很小[3]，因此，漿體粘聚性較差，抗離析性能減弱。而摻入膨潤(rùn)土并隨摻量增加混凝土漿體黏度增加，雖然混凝土抗離析性增強(qiáng)，但流動(dòng)速度較為緩慢。

（3）摻粉煤灰、石灰石粉、5%膨潤(rùn)土、8%膨潤(rùn)土、10%膨潤(rùn)土的混凝土懸濁物含量分別為 325、210、102、87、15 mg/L，說(shuō)明摻入石灰石粉較摻入粉煤灰的混凝土水下不分散性能略?xún)?yōu)，而摻入膨潤(rùn)土能明顯改善混凝土的水下抗分散性能，并隨著摻量的增加，改善效果越明顯。3種摻合料水下不分散性比較見(jiàn)圖5。

圖5 3種摻合料水下不分散性比較

（4）摻石灰石粉較摻粉煤灰的7 d抗壓強(qiáng)度略有提高，但28d強(qiáng)度有所降低，說(shuō)明在本體系中摻石灰石粉能降低混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度，但在超低強(qiáng)度下，下降幅度不明顯。而摻入5%膨潤(rùn)土的28d抗壓強(qiáng)度與未摻膨潤(rùn)土相當(dāng)，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度提高，這是由于在低強(qiáng)度范圍內(nèi)，膨潤(rùn)土在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中不能充當(dāng)“軟弱點(diǎn)”降低混凝土強(qiáng)度，反而通過(guò)填充了混凝土內(nèi)部空隙提高了混凝土的強(qiáng)度。

綜合考慮混凝土的性能及施工取材方便，混凝土摻合料以單摻粉煤灰為佳。

2.4 粉煤灰摻量對(duì)混凝土性能的影響

4#、5#、6#、11#試樣水膠比、膠凝材料用量、增粘劑摻量均相同，粉煤灰摻量分別為20%、50%、80%、93%。通過(guò)減水劑摻量的調(diào)整，各粉煤灰摻量下混凝土的自密實(shí)性能均能滿足要求。由表4可知，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的懸濁物含量由195 mg/L增加至383 mg/L，水下抗分散性能變差。這是由于隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰中更多的空心微珠將在浮力的作用下克服增粘劑吸附而飄逸進(jìn)入水中，使懸濁物含量增加，水下不分散性能下降。粉煤灰摻量80%以?xún)?nèi)，隨著摻量的增加，混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度急劇下降，粉煤灰摻量超過(guò)80%后，抗壓強(qiáng)度下降幅度趨于平緩。這是由于在較高的水膠比下，粉煤灰摻量增加時(shí)，水泥遇水后產(chǎn)生堿性激發(fā)劑Ca（OH）2量減少，粉煤灰的活性效應(yīng)減弱，因此混凝土強(qiáng)度急劇下降。粉煤灰摻量為80%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度已極低，繼續(xù)增加粉煤灰摻量，混凝土強(qiáng)度下降空間很小。因此，配制超低強(qiáng)度混凝土，粉煤灰摻量選擇80%為宜。

2.5 水膠比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

6#、12#、13#、14#、15#試樣水膠比分別為 0.85、0.90、0.95、1.00、1.10，由表4可知，隨著水膠比增大，混凝土強(qiáng)度明顯降低，當(dāng)水膠比大于1.00時(shí)，由于強(qiáng)度已經(jīng)很低，繼續(xù)增加水膠比，混凝土強(qiáng)度下降的空間不大。水膠比在0.95時(shí)，混凝土強(qiáng)度接近目標(biāo)值。

3 結(jié)論

（1）相對(duì)大摻量的增粘劑，通過(guò)引入大量氣泡能增加混凝土漿體體積、降低混凝土強(qiáng)度、顯著提高混凝土的水下抗分散性能。

（2）超低強(qiáng)度高流動(dòng)水下不分散混凝土中，摻入石灰石粉能降低混凝土強(qiáng)度，提高混凝土水下不分散性能，但混凝土抗離析性能變差。摻入膨潤(rùn)土，混凝土流動(dòng)變緩慢，水下抗分散性能顯著增強(qiáng)，隨著摻量的增加，混凝土強(qiáng)度提高。綜合考慮混凝土的性能及施工取材方便，混凝土摻合料以單摻粉煤灰為佳。

（3）增加粉煤灰摻量及提高水膠比是降低混凝土抗壓強(qiáng)度最有效的手段，但粉煤灰摻量宜控制在80%以?xún)?nèi)，水膠比宜不大于1.00。

（4）本研究推薦的配合比（kg）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（水）∶m（細(xì)集料）∶m（粗集料）∶m（增粘劑）∶m（減水劑）=60∶240∶285∶718∶877∶2.4∶2.7。