水下不分散混凝土的研究綜述

呂 歡，吳澤波，陳 茜，宋普濤，夏京亮，王 晶，冷發(fā)光

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

為解決普通混凝土無法水中澆筑的問題，德國于1974年研制出水下不分散混凝土，1978年日本引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)且有學(xué)者耗時(shí)三年出版《水中不分散混凝土設(shè)計(jì)施工指南》[1]。1984年，我國研制出UWB 型抗分散劑，之后又研制出SCR型抗分散劑[2]。目前我國使用較多的是UWB-Ⅱ型絮凝劑。為了解決水下無法振搗密實(shí)的要求，絮凝劑一般要搭配一些其他的輔助劑使用。Feng等混合有機(jī)和無機(jī)成分制備新的絮凝劑，并通過試驗(yàn)得出最佳配比：聚丙烯酰胺0.9%，膨潤土8.0%，保水劑0.4%，減水劑0.25%。張鳴等[3]試驗(yàn)表明摻入U(xiǎn)WB絮凝劑、粉煤灰和礦渣復(fù)摻且比例為1∶1時(shí)，有利于混凝土的強(qiáng)度提升。楊逍[4]通過摻入鋼纖維-聚乙烯醇纖維來改善水下不分散混凝土的性能，發(fā)現(xiàn)不僅能夠改善水下不分散混凝土的抗分散性能且對抗壓強(qiáng)度也有所提升。綜上可以看出現(xiàn)有的研究多聚焦于水下不分散混凝土硬化后的力學(xué)性能，對新拌水下不分散混凝土的性能研究較少，因此借鑒普通混凝土流變學(xué)和一些有關(guān)泥沙沖刷領(lǐng)域的研究成果以及現(xiàn)有的一些對水下不分散漿體流變性能研究，期望能探究流變性能與抗分散性能的內(nèi)在聯(lián)系。

1 抗分散劑

抗分散劑包括絮凝劑和輔助劑。絮凝劑：增加混凝土的粘聚性，但加入絮凝劑會引起緩凝、需水量增大等問題；輔助劑：為了解決加入絮凝劑帶來的不利影響。常用的輔助劑有減水劑、早強(qiáng)劑、速凝劑、消泡劑等，通過輔助劑降低混凝土用水量、改善工作性能和力學(xué)性能等。

1.1 絮凝劑的作用機(jī)理

目前較為普遍的認(rèn)為絮凝機(jī)理為以下三點(diǎn)：

1)橋架作用：絮凝劑擁有高分子長鏈結(jié)構(gòu)，因此可以起到吸附作用。溶于水后長鏈因?yàn)橥N電荷相互排斥呈線性分布，因此可以吸附更多細(xì)顆粒，多個鏈條相互交錯又形成橋架，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2)表面活性作用：絮凝劑含有親水、憎水基團(tuán)，降低拌合物顆粒表面電位，粒子間斥力減小，使分散顆粒凝聚在一起，形成穩(wěn)定的絮凝體。

3)橋鍵作用：絮凝劑中的長鏈分子有許多取代基，取代基與一些拌合水、離子相結(jié)合形成穩(wěn)定的橋鍵，提高拌合物粘度同時(shí)減少析出物，使得混凝土拌合物中的凝膠體顯著增多。

1.2 主劑與輔劑的相容性問題

同濟(jì)大學(xué)教授蔣正武[5]試驗(yàn)表明，絮凝劑(纖維素類)、木鈣系減水劑可以有效提高水下不分散混凝土的強(qiáng)度，但該絮凝劑(纖維素類)同其他類型的減水劑如三聚氰胺系、萘系減水劑無法很好地協(xié)同工作。 Kawiai[6]等認(rèn)為pH=13時(shí)纖維素類抗分散劑同萘系減水劑發(fā)生反應(yīng)，影響各自發(fā)揮作用。在絮凝劑與減水劑有較好的相容性的前提下，還可針對具體工程要求摻入一些其他的輔助劑。例如對早期強(qiáng)度有更高要求的水下不分散混凝土可以摻入一些早強(qiáng)劑，趙同峰[7]在水下不分散混凝土中引入早強(qiáng)組分，大大降低了初終凝時(shí)間，減少了初終凝時(shí)間差，并且早強(qiáng)組分與減水劑和絮凝劑相容性良好。

2 水下不分散混凝土關(guān)鍵性能

2.1 新拌水下不分散混凝土基本性能

水下不分散混凝土其實(shí)最重要的是工作性能和抗分散性能的動態(tài)平衡，對未硬化的水下不分散混凝土的性能的研究十分重要。因此借鑒普通混凝土流變學(xué)和一些有關(guān)泥沙沖刷領(lǐng)域的研究成果，以及現(xiàn)有的一些對水下不分散漿體流變性能研究，來探究屈服剪切應(yīng)力和剪切粘度與新拌水下不分散混凝土性能之間的聯(lián)系。

2.1.1 流動性

針對水下不分散混凝土的工作性能的評價(jià)指標(biāo)同普通混凝土一樣都是坍落度和擴(kuò)展度，并且試驗(yàn)也是在陸地上進(jìn)行。但是實(shí)際工程一般是在水下，需考慮水對流動性的影響。日本學(xué)者采用的水下流動度性能測試裝置[8]可以更加貼近實(shí)際工程應(yīng)用。但在水下進(jìn)行流動度測試，流動性和抗水分散性存在一定的矛盾。測定漿體的流變參數(shù)，發(fā)現(xiàn)漿體的流動度隨漿體粘度變化而變化，隨著粘度的增加擴(kuò)展度不斷降低。因此可以通過研究漿體的內(nèi)部粘度變化來解釋水下不分散混凝土的流動性。

2.1.2 抗分散性

中國標(biāo)準(zhǔn)主要是通過懸浮固體量、pH、水泥流失量指標(biāo)來衡量抗分散效果。這些指標(biāo)都是在靜水作用下測定，但是實(shí)際施工環(huán)境的水流一般都是動態(tài)的，國內(nèi)沒有動水下的測定方法，國外的動水測試主要是根據(jù)美國工程兵采用的CRD-C61-89A(1989)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(用特制籃筐在特定的水流中測定籃筐前后重量差)進(jìn)行改進(jìn)。例如針對水下不分散砂漿將測試裝置中的標(biāo)注籃筐孔徑縮小[9]；針對大體積的水下不分散混凝土澆筑的抗分散性測定，Sonebi 、Cui 等[10，11]分別建造了較長的液壓通道，通過水泵及內(nèi)外通道差實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)，并用CRD-C61測定不同水流速度下的抗沖刷性能。

不論是哪種評判方式都是通過現(xiàn)象來判斷抗分散性能，絮凝的作用機(jī)理是抽象的解釋說明抗分散作用并沒有確切的數(shù)值來支撐。期望通過借鑒普通混凝土流變學(xué)研究內(nèi)容，探究流變性能與抗分散性能的內(nèi)在聯(lián)系。

2.1.3 流變性能

通常判斷混凝土的流變性能是通過擴(kuò)展度來判斷的，但是擴(kuò)展度的變化是現(xiàn)象，通過流變儀對屈服剪切應(yīng)力、粘度等參數(shù)的研究再結(jié)合有關(guān)模型能夠解釋說明流動度變化、抗分散能力提升的具體原因。例如溫永向等[12]通過混凝土流變儀研究流變參數(shù)與水下不分散混凝土抗分散性能之間的聯(lián)系。通過試驗(yàn)研究表明隨著抗分散劑摻量的提升水下不分散混凝土的剪切應(yīng)力、粘度不斷提升抗分散效果不斷提升。通過懸浮物含量判斷水下不分散混凝土抗分散性能，是通過現(xiàn)象來進(jìn)行解釋，但是結(jié)合流變參數(shù)能夠從漿體內(nèi)部和漿體表面解釋水下不分散混凝土抗分散性能變化的原因。借助賓漢姆模型進(jìn)行表征，具體的流變方程如下

(1)

式中，τ為模型的總剪切應(yīng)力;τ0為屈服剪切應(yīng)力;η為剪切黏度系數(shù); dγ/dt為剪切速率。結(jié)合流變模型從兩方面解釋水下不分散混凝土抗分散性：當(dāng)τ<τ0時(shí)可以解釋為水下不分散漿體內(nèi)部的屈服剪切應(yīng)力足夠大能夠抵抗外部水流的沖刷，因此擁有良好的抗分散性；η反應(yīng)水下不分散漿體內(nèi)部的塑性粘度，粘度越大顆粒間不易分離，抵抗水流沖刷能力越強(qiáng)。

除此之外，通過流變性能的研究來判斷水下不分散混凝土的觸變性以及假塑性。例如設(shè)置剪切速率升序和降序變化，發(fā)現(xiàn)抗分散漿體在升序下的屈服剪切應(yīng)力、粘度數(shù)據(jù)均大于降序下的數(shù)據(jù)，說明漿體具備觸變性能。試驗(yàn)中隨著剪切速率的升高粘度隨之降低說明漿體具備假塑性。從流變學(xué)角度分析觸變性和假塑性，觸變性對水下不分散混凝土的澆筑與泵送起到有利作用，假塑性對混凝土的抗分散性能起到有利作用。由此可見漿體流變參數(shù)的研究是必不可少的，但是先前的相關(guān)研究較少，未來的研究應(yīng)加強(qiáng)對漿體流變性能的研究。

2.2 水下不分散混凝土的力學(xué)性能

抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量等都是評判水下不分散混凝土的重要力學(xué)指標(biāo)。此外水下不分散混凝土的水陸強(qiáng)度比也是十分重要的衡量指標(biāo)。由于水下澆筑會降低混凝土強(qiáng)度，因此標(biāo)準(zhǔn)限制水陸強(qiáng)度比不得低于70%。除去標(biāo)準(zhǔn)要求的7 d、28 d水下澆筑成型最低強(qiáng)度和最小水陸強(qiáng)度比外還有一個比值被忽視，即水下澆筑成型強(qiáng)度與陸上成型未加抗分散劑的空白組的比值，該比值是水下不分散混凝土強(qiáng)度損失的最直觀表達(dá)。水陸強(qiáng)度比表示的是澆筑方式對水下不分散混凝土強(qiáng)度的影響，水空強(qiáng)度比不僅反映澆筑方式還能顯示抗分散劑摻入后的復(fù)合影響。

針對硬化后的水下不分散混凝土的力學(xué)研究較多，與普通混凝土相比水下不分散混凝土對工作性能和抗分散性能存在動態(tài)平衡問題。因此多數(shù)研究通過搭配降低粘度和增加粘度的礦物摻合料來平衡兩者之間的問題。例如粉煤灰在低摻量(20%左右)和摻量為4%礦粉混合后，新拌混凝土不僅擁有很好的抗分散性還有較好的流動性，并且抗壓強(qiáng)度也符合規(guī)范要求[13]。還可以加入一些納米顆粒進(jìn)一步提高水下不分散混凝土的各項(xiàng)性能。Grzeszczyk等[14]研究表明納米SiO2顆粒使結(jié)構(gòu)更加致密、增大混凝土粘度。

2.3 水下不分散混凝土的耐久性能

目前對于耐久性的研究較常規(guī)，主要研究抗?jié)B透、抗氯離子侵蝕、耐海水侵蝕等因素對水下不分散混凝土影響。因?yàn)楹芏嗍褂盟虏环稚⒒炷恋沫h(huán)境都是海洋環(huán)境，海水中豐富的鹽離子有些會加速水泥水化，水下不分散混凝土的早期強(qiáng)度略高于陸上成型的混凝土，但是對于長期強(qiáng)度還是起到不利影響。礦物摻合料的摻入可以改善水下不分散混凝土的耐久性，不同類型的絮凝劑對水下不分散混凝土抗壓強(qiáng)度和耐久性能的影響也不同。

3 水下不分散混凝土施工技術(shù)與應(yīng)用

通過實(shí)際的工程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國的水下澆筑工程大多數(shù)仍采用導(dǎo)管法(澆筑普通混凝土)，水下不分散混凝土大多在非承重構(gòu)件中少量嘗試使用， 例如常在抗洪搶險(xiǎn)、水下工程修補(bǔ)、無法圍堰等環(huán)境使用水下不分散混凝土。例如桐子林水電站明渠導(dǎo)墻基礎(chǔ)及墻身修復(fù)、新開河河口應(yīng)急防護(hù)工程、三峽重件碼頭工程、淀東水利樞紐泵閘改擴(kuò)建工程等，都會采用導(dǎo)管法、泵送法配合水下不分散混凝土的澆筑。但是由于水下不分散混凝土摻入絮凝劑后粘度大幅度提升會給導(dǎo)管法或者泵送法澆筑造成較大困難，所以期待水下不分散混凝土能進(jìn)一步研究，能夠不采用特殊的機(jī)具就可以直接水中澆筑。

4 尚待解決的問題

1)針對高水流、高水壓情況下的抗分散劑的研發(fā)、抗分散性測試裝置的研發(fā)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定等需求非常迫切。動水不僅對水下不分散混凝土澆筑過程會產(chǎn)生影響，對澆筑后未凝結(jié)硬化的水下不分散混凝土表面的影響也是不容忽視的。

2)工作性和抗分散性動態(tài)平衡。水下不分散混凝土的主要矛盾點(diǎn)就是工作性能和抗分散性能的協(xié)調(diào)問題?，F(xiàn)階段的減水劑隨著摻量的增大流動性顯著提升但是抗分散效果下降，并且多適用的是普通混凝土，針對特種混凝土的特殊減水劑的研制或?qū)⒔鉀Q水下不分散混凝土的主要矛盾。

3)水下不分散混凝土的耐久性系統(tǒng)研究甚少。目前的耐久性研究齡期較短，且多于淡水環(huán)境下進(jìn)行成型和養(yǎng)護(hù)。但是實(shí)際工程尤其是海洋環(huán)境中的工程不僅要面臨高流水、高水壓的問題還要面臨離子侵蝕問題。因此特殊環(huán)境下水下不分散混凝土的抗?jié)B性能、抗腐蝕性能的研究尤為重要。

4)應(yīng)用的水下不分散混凝土強(qiáng)度較低。隨著國家發(fā)展建設(shè)需求，針對高強(qiáng)的水下不分散混凝土需求增多。但是絮凝劑的摻入會造成緩凝、降低水下不分散混凝土的強(qiáng)度。并且高強(qiáng)水下不分散混凝土難以平衡抗分散性和工作性能。如何制備工作性能優(yōu)異又有較高強(qiáng)度的水下不分散混凝土仍需要進(jìn)一步研究。