改良水下不分散混凝土在水利工程中的應(yīng)用研究

武紀(jì)剛

(臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276300)

在我國(guó)大型水利工程中，由于輸水渠道長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，加上受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或人類活動(dòng)的影響，水利渠道難以避免出現(xiàn)磨損、損害[1- 3]。因此，如何利用現(xiàn)有材料對(duì)混凝土進(jìn)行改進(jìn)使得其能夠適用于水利管道的水下修補(bǔ)工作，是水利工程修復(fù)工作中的一個(gè)難題[4- 5]。劉巖等[6]依托內(nèi)蒙古某電站水庫(kù)庫(kù)底瀝青混凝土防滲面板修復(fù)工程，通過(guò)深入調(diào)查提出了水下瀝青混凝土裂縫修復(fù)方法，該方法有效地解決了瀝青混凝土面板局部裂縫及滲水的問(wèn)題。趙同峰[7]采用低需水量的絮凝劑，添加觸變劑及減水劑，并通過(guò)引入早強(qiáng)組分，得到了高黏結(jié)性C50水下絮凝混凝土最優(yōu)配合比，該方法在水下混凝土加固工程具有良好的應(yīng)用。

上述研究均未能指出在輸水渠道進(jìn)行破損混凝土修復(fù)的方法，因此，文章基于室內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同硅粉摻量的水下混凝土工程性能檢測(cè)試驗(yàn)，得出最佳配比，以期為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)作用。

1 試樣制備與試驗(yàn)方案

1.1 混凝土配比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的研究對(duì)象為不同配比的水下不分散混凝土，主要材料為水泥、硅粉、粉煤灰、骨料及外加劑。其中，水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，硅粉材料滿足GB/T 18736—2017《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》[8]的相關(guān)要求，骨料采用人工砂石骨料，平均密度為2.65g/cm3，外加劑采用高效減水劑。硅粉摻量分別為0%、5%、10%、15%及20%，砂率為45%，其余為粉煤灰。單位體積(1m3)混凝土用水180kg，減水劑1.5kg。采用傾倒法形成水下抗分散混凝土，并根據(jù)混凝土相關(guān)規(guī)范制備成100mm×100mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試樣并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.2 試驗(yàn)方案

本次水下不分散混凝土工程性能測(cè)試主要包括3個(gè)部分，即混凝土流動(dòng)性試驗(yàn)、混凝土抗分散性試驗(yàn)以及混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象是養(yǎng)護(hù)齡期分別為7d及28d的混凝土試樣。

(1)混凝土流動(dòng)性試驗(yàn)。引入坍落擴(kuò)展度檢測(cè)水下混凝土的可流動(dòng)性，該實(shí)驗(yàn)需要先將坍落度筒放在刻度板上，再將混凝土倒入坍落度筒，垂直提起坍落度筒使混凝土自由流出并測(cè)量其最大擴(kuò)展位移。

(2)混凝土抗分散性試驗(yàn)?？狗稚⑿栽囼?yàn)采用稱重法對(duì)膠凝材料的流失量及懸濁物含量進(jìn)行測(cè)試。

(3)混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。單軸抗壓試驗(yàn)分為水下混凝土抗壓試驗(yàn)與水上混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，即針對(duì)不同成型方法的混凝土展開(kāi)抗壓試驗(yàn)。采用MTS- 815型材料單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載速率為30kN/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 物理性能分析

圖1為不同硅粉摻量條件下水下不分散混凝土的坍落擴(kuò)展度、膠凝材料流失量及懸濁物含量隨硅粉含量變化圖。由圖 1 可知，三個(gè)物理性質(zhì)參數(shù)表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)：隨硅粉含量的增加，坍落擴(kuò)展度、膠凝材料流失量及懸濁物含量不斷降低，且降低速度逐漸變慢。

由圖1可知，對(duì)于水下混凝土，其在不摻硅粉條件下坍落擴(kuò)展度最大，達(dá)到525mm。而通過(guò)摻加適量的硅粉后(5%～15%)，水下混凝土的坍落擴(kuò)展度得到了明顯的降低，但流動(dòng)性依然較強(qiáng)；但當(dāng)硅粉摻量超過(guò) 20%時(shí)，此時(shí)坍落擴(kuò)展度僅達(dá)到420mm，混凝土流動(dòng)性發(fā)生了明顯的下降。分析認(rèn)為，當(dāng)混凝土摻加了一定量的硅粉后，硅粉超細(xì)顆粒填充了水泥粗顆粒和其余材料之間的間隙，因而使得體系的粒度分布更合理。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)水下混凝土坍落擴(kuò)展度超過(guò)550mm以上時(shí)，可認(rèn)為具有很高的流動(dòng)性[9- 11]。

由圖1可進(jìn)一步得到，水下不分散混凝土的膠凝材料流失量及懸濁物含量隨硅粉的變化。硅粉摻量越大，膠凝材料流失量、懸濁物含量越小。分析認(rèn)為，由于硅粉比表面積較大，在漿體量一定的條件下，硅粉顆粒吸附了大量水分而導(dǎo)致體系里的自由水減少。不摻硅粉條件下水下混凝土的膠凝材料流失量為4.30%、懸濁物含量為325mg/L。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，只有當(dāng)水下混凝土達(dá)到膠凝材料流失量<1.5%，懸濁物含量小于150mg/L時(shí)，才能滿足抗分散性要求。由圖1可知，不摻硅粉的水下混凝土與硅粉摻量分別為5%及10%的水下混凝土不能夠滿足膠凝材料流失量低于1.5%的基本要求，同時(shí)不摻硅粉的水下混凝土也不能夠滿足懸濁物含量小于150mg/L的基本要求。由此可見(jiàn)，只有當(dāng)水下混凝土的硅粉摻量達(dá)到15%及以上時(shí)，才能夠滿足抗分散性要求。

圖1 不同粉煤灰摻量下水下混凝土物理性質(zhì)

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

圖2為不同養(yǎng)護(hù)齡期的水上、水下成型的混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，隨著硅粉摻量的增加，不同養(yǎng)護(hù)齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度均逐漸得到提高。對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期為7d的混凝土，在不摻硅粉條件下，水上、水下成型的混凝土的抗壓強(qiáng)度最小，分別為20.08、10.50MPa，而硅粉摻量為20%的混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為 25.02、16.95MPa，強(qiáng)度提升幅度分別達(dá)到24.6%及61.4%；對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期為28d的混凝土，在不摻硅粉條件下，水上、水下成型的混凝土的抗壓強(qiáng)度最小，分別為 40.08、23.10MPa，而硅粉摻量為20%的混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為 43.50、36.05MPa，強(qiáng)度提升幅度分別達(dá)到8.5%及56.1%。本次試驗(yàn)水下混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為26.5MPa，故只有當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d且硅粉摻量達(dá)到 20%及以上時(shí)才能夠滿足強(qiáng)度要求[12- 14]。

為分析抗壓強(qiáng)度與硅粉摻量之間的關(guān)系，基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖2所示，式中m為硅粉摻量。由圖2可知，水下混凝土的抗壓強(qiáng)度與硅粉摻量成線性遞增關(guān)系，且擬合效果良好，線性相關(guān)系數(shù)均在0.91以上，擬合結(jié)果可靠。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)齡期的水上與水下混凝土的抗壓強(qiáng)度

進(jìn)一步分析抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，引入水下成型混凝土強(qiáng)度與水上成型混凝土強(qiáng)度的比值k，表1給出了k隨硅粉摻量變化的關(guān)系。由表1可知，隨著硅粉摻量增大，k也隨之增大，其中，養(yǎng)護(hù)齡期為7d條件下k最小為 0.53，最大為 0.68，養(yǎng)護(hù)齡期為28d條件下k最小為 0.58，最大為 0.83。

表1 不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土水下強(qiáng)度與水上強(qiáng)度的比值

2.3 最優(yōu)方案選擇

綜上所述，根據(jù)不同硅粉摻量條件下水下不分散混凝土的流動(dòng)性、抗分散性和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析，只有當(dāng)硅粉摻量達(dá)到15%及以上時(shí)，才能夠滿足水下不分散混凝土流動(dòng)性、抗分散性和抗壓強(qiáng)度的全部要求。而由于硅粉材料相較于其他材料，具有價(jià)格較高、材料較難獲取的特點(diǎn)，因此在水下混凝土配比中其設(shè)計(jì)配比量應(yīng)當(dāng)盡可能地少。因此，綜合所有條件及試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)硅粉摻量 15%時(shí)，水下不分散混凝土不僅能夠滿足抗分散性和強(qiáng)度要求，且經(jīng)濟(jì)型較高，綜合性能較優(yōu)，該配比為最佳方案。

3 結(jié)論

為研究不同硅粉摻量條件下水下不分散混凝土的工程性能，基于室內(nèi)混凝土流動(dòng)性試驗(yàn)、混凝土抗分散性試驗(yàn)以及混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)混凝土的工程性能展開(kāi)了研究，得出以下結(jié)論：

(1)只有當(dāng)硅粉摻量大于等于15%時(shí)，才能夠滿足水下混凝土流動(dòng)性及抗分散性要求。

(2)隨著硅粉摻量的增加，不同養(yǎng)護(hù)齡期的水下不分散混凝土的抗壓強(qiáng)度均逐漸得到提高。對(duì)于水上與水下成型的兩種混凝土，在養(yǎng)護(hù)齡期為7d條件下，強(qiáng)度最大提升幅度分別達(dá)到24.6%及61.4%；在養(yǎng)護(hù)齡期為28d條件下，強(qiáng)度最大提升幅度分別達(dá)到8.5%及56.1%。

(3)當(dāng)硅粉摻量為15%時(shí)，水下不分散混凝土不僅能夠滿足抗分散性和強(qiáng)度要求，且經(jīng)濟(jì)型較高，綜合性能較優(yōu)，該配比為最佳方案。