海水環(huán)境下水下不分散混凝土性能研究

陳傳洋

(大連市水利建筑設(shè)計(jì)院有限公司,遼寧 大連 116021)

水下不分散混凝土是將一定增添絮凝劑使其水下澆筑時(shí)具有抑制骨料離析與水泥流失特性的工程材料?？諝庵谐尚驮噳K與相同配比水下澆筑固結(jié)后的水工混凝土強(qiáng)度相差較大,而絮凝劑的摻入能夠顯著提升水下澆筑試塊強(qiáng)度[1]。絮凝劑中的長鏈高分子,可在水中線性展開吸附多個(gè)膠體顆粒,所以加入絮凝劑會(huì)使混凝土黏聚性增加,從而減少漿體的流失[2]。當(dāng)前研究主要集中于淡水環(huán)境下耐久性、力學(xué)強(qiáng)度及抗分散性改進(jìn)等方面,探究海水環(huán)境下孔隙結(jié)構(gòu)及其力學(xué)強(qiáng)度的較少[3-5]。隨著中國海洋事業(yè)的快速發(fā)展,不利環(huán)境下水下不分散混凝土的應(yīng)用日趨增多,探究微觀結(jié)構(gòu)及其力學(xué)強(qiáng)度具有重要意義。鑒于此,文章利用抗壓強(qiáng)度和壓汞試驗(yàn),深入分析淡水與海水養(yǎng)護(hù)下?lián)焦杌?、沸石粉、礦粉與粉煤灰水下不分散混凝土強(qiáng)度及其發(fā)展規(guī)律,并進(jìn)一步揭示不同養(yǎng)護(hù)條件下的孔隙結(jié)構(gòu)特征。

1 材料與配合比

1.1 原材料

試驗(yàn)選用海螺P·O 42.5級(jí)水泥,瓦房店誠遠(yuǎn)礦粉制造有限公司生產(chǎn)的S95礦粉和硅含量90%的硅灰,Ⅱ級(jí)沸石粉,大連恒翔粉煤灰廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰。集料選用大連本地產(chǎn)Ⅱ區(qū)天然河砂和粒徑5～20mm的花崗巖碎石,連續(xù)級(jí)配。外加劑用西卡牌540P型聚羧酸高效減水劑和UWB-Ⅱ型絮凝劑,拌和水用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

1.2 試驗(yàn)配合比

參照《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》固定水膠比0.45,絮凝劑摻量為2.5%,初步設(shè)計(jì)10組配合比,通過調(diào)整減水劑用量保證拌和物工作性能良好,試驗(yàn)配合比如表1所示。

表1 試驗(yàn)配合比

2 海水養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度

2.1 摻硅灰試塊強(qiáng)度

海水養(yǎng)護(hù)條件下,摻5%、8%、10%硅灰試驗(yàn)組和基準(zhǔn)組試塊不同齡期抗壓強(qiáng)度,摻硅灰試塊強(qiáng)度,見圖1。由圖1可知,A1、A2、A3試驗(yàn)組均>A0基準(zhǔn)組試塊各齡期強(qiáng)度,這是因?yàn)榧尤牍杌沂乖噳K不同齡期強(qiáng)度均有所提升。

圖1 摻硅灰試塊強(qiáng)度

根據(jù)圖1變化趨勢,早期A1組試塊強(qiáng)度平穩(wěn)快速發(fā)展,7～28d齡期具有較快增長速度,后期繼續(xù)發(fā)展,其360d相比于28d齡期強(qiáng)度增大16.7%,與同齡期基準(zhǔn)組試塊相比增加13.4%。A2組總體高于A1組試塊強(qiáng)度,其360d相比于28d齡期強(qiáng)度增大24.6%,與同齡期基準(zhǔn)組試塊相比增加24.2%。早期A3組試塊強(qiáng)度較小,7～28d齡期快速發(fā)展,56d后表現(xiàn)出降低趨勢。因此,海水養(yǎng)護(hù)條件下?lián)饺脒m量硅灰能夠增大試塊強(qiáng)度,硅灰最優(yōu)摻量為8%。

2.2 礦粉與粉煤灰復(fù)摻試塊強(qiáng)度

海水養(yǎng)護(hù)條件下,礦粉與粉煤灰按1∶1復(fù)摻試驗(yàn)組和基準(zhǔn)組試塊不同齡期抗壓強(qiáng)度,礦粉與粉煤灰復(fù)摻試塊強(qiáng)度,見圖2。

圖2 礦粉與粉煤灰復(fù)摻試塊強(qiáng)度

由圖2可知,B1、B2、B3試驗(yàn)組均明顯低于基準(zhǔn)組3d齡期強(qiáng)度。3～7d齡期時(shí),B2組試塊強(qiáng)度迅速發(fā)展,56d齡期前試驗(yàn)組均低于同齡期基準(zhǔn)組強(qiáng)度。56d齡期后,各試驗(yàn)組試塊強(qiáng)度進(jìn)一步提升,360d齡期時(shí)均超高基準(zhǔn)組,并以B1組增幅最高,較基準(zhǔn)組提高25.9%?？梢?海水養(yǎng)護(hù)條件下礦粉與粉煤灰摻量越高,試塊早期強(qiáng)度較小且后期未明顯提升,礦物摻合料在一定程度上會(huì)降低早期強(qiáng)度,但長期強(qiáng)度有所提高[6]。從長期發(fā)展趨勢上,礦粉與粉煤灰復(fù)摻量為10%時(shí),混凝土早期強(qiáng)度低而后期強(qiáng)度快速發(fā)展,長期力學(xué)性能優(yōu)于其它摻量。

2.3 摻沸石粉試塊強(qiáng)度

海水養(yǎng)護(hù)條件下,摻18%、19%、20%沸石粉試驗(yàn)組和基準(zhǔn)組試塊不同齡期抗壓強(qiáng)度,摻沸石粉試塊強(qiáng)度,見圖3。

圖3 摻沸石粉試塊強(qiáng)度

由圖3可知,C1、C2、C3試驗(yàn)組和J0基準(zhǔn)組試塊早期強(qiáng)度相差較小,這是因?yàn)榇罅亢X硅酸鹽礦物的存在使得沸石粉具有較高活性,故摻沸石粉與基準(zhǔn)組試塊早期強(qiáng)度發(fā)展接近。在28～180d齡期時(shí),各試驗(yàn)組試塊強(qiáng)度均不斷提高,其中C1試驗(yàn)組較J0基準(zhǔn)組180d強(qiáng)度增加16.0%,360d相較于180d齡期強(qiáng)度各試驗(yàn)組均有所下降。因此,摻沸石粉能夠在一定程度上提升早期強(qiáng)度,對后期影響較小,海水養(yǎng)護(hù)條件下沸石粉的最優(yōu)摻量為19%。

通過對比分析可知,海水養(yǎng)護(hù)條件下?lián)焦杌医M始終高于其它摻合料組抗壓強(qiáng)度,摻8%硅灰混凝土的強(qiáng)度最高;礦粉與粉煤灰按1∶1復(fù)摻時(shí),混凝土早期強(qiáng)度低而后期強(qiáng)度不斷發(fā)展,但強(qiáng)度發(fā)展總體小于摻硅灰混凝土;摻沸石粉混凝土強(qiáng)度呈穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢,其抗壓強(qiáng)度高于礦粉與粉煤灰按1∶1復(fù)摻組,但低于摻硅灰組試塊。

2.4 淡水與海水養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度

采用硅灰、礦粉與粉煤灰復(fù)摻、沸石粉的最優(yōu)摻量,對比海水和淡水養(yǎng)護(hù)條件下混凝土強(qiáng)度變化趨勢,淡水與海水養(yǎng)護(hù)下試塊強(qiáng)度,見圖4。

圖4 淡水與海水養(yǎng)護(hù)下試塊強(qiáng)度

由圖4可知,3d齡期時(shí)海水養(yǎng)護(hù)高于淡水養(yǎng)護(hù)的J0基準(zhǔn)組試塊強(qiáng)度,7d齡期之后淡水養(yǎng)護(hù)始終高于海水養(yǎng)護(hù)同齡期試塊強(qiáng)度。這是由于早期水化過程中,海水中的Mg2+、SO42-、Cl-、Na+等離子對水泥吸附水分具有促進(jìn)作用,從而加快水化速度[7];水化后期,海水中的Mg2+、SO42-、Cl-等有害離子產(chǎn)生明顯腐蝕作用,海水養(yǎng)護(hù)與淡水養(yǎng)護(hù)相比試塊強(qiáng)度增速放緩,如淡水養(yǎng)護(hù)相比于海水養(yǎng)護(hù)下J0基準(zhǔn)組試塊360d齡期強(qiáng)度提高20.2%。

海水養(yǎng)護(hù)下?lián)椒惺跜2組、礦粉與粉煤灰復(fù)摻B1組、摻硅灰A2組試塊360d強(qiáng)度較淡水養(yǎng)護(hù)增大4.2%、-8.3%和5.6%。這是因?yàn)樗笃?沸石粉和硅灰微粒能夠有效填充水泥顆粒之間的孔隙,對海水中的有害離子侵蝕具有抑制作用,所以淡水和海水養(yǎng)護(hù)下?lián)椒惺?、硅灰混凝土?qiáng)度相比基準(zhǔn)組相差不大[8]。水化早期沸石粉就參與了反應(yīng),180d齡期后水化完全,有害離子逐漸發(fā)生侵蝕,故180d齡期后海水和淡水養(yǎng)護(hù)下的試件強(qiáng)度均表現(xiàn)出下降趨勢。淡水和海水養(yǎng)護(hù)下礦粉與粉煤灰按1:1復(fù)摻試塊強(qiáng)度相差不大,但海水養(yǎng)護(hù)下的后期強(qiáng)度較高。

3 孔結(jié)構(gòu)特征

混凝土是一種多孔性非均質(zhì)材料,內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)直接決定著其耐久性和力學(xué)強(qiáng)度,有必要探討不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征。本試驗(yàn)從微觀角度上,應(yīng)用壓汞法探究不同養(yǎng)護(hù)條件和礦物摻合料對水下不分散混凝土孔隙結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)選取抗壓強(qiáng)度較高的最優(yōu)摻量,使用全自動(dòng)壓汞儀測定海水和淡水養(yǎng)護(hù)下的4組混凝土180d齡期孔隙結(jié)構(gòu),180d齡期孔隙結(jié)構(gòu)特征,見表2。

表2 180d齡期孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.1 淡水養(yǎng)護(hù)試塊孔隙結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)采用全自動(dòng)壓汞儀測定淡水養(yǎng)護(hù)下的4組混凝土180d齡期孔隙結(jié)構(gòu),平均孔徑與孔隙率,見圖5。從圖5可以看出,各組混凝土平均孔徑存在較大差別,而孔隙率相差較小。總體上,平均孔徑最大組為J0基準(zhǔn)組,摻硅灰、礦粉與粉煤灰復(fù)摻、沸石粉組相比于基準(zhǔn)組的平均孔徑均有所降低,該分析結(jié)果與宏觀力學(xué)性能變化保持一致,各試驗(yàn)組較基準(zhǔn)組180d齡期強(qiáng)度更高。由于基體孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,使用孔隙率無法準(zhǔn)確衡量這種復(fù)雜程度,即使相同孔隙率也會(huì)存在較大的孔徑分布差異,平均孔徑對混凝土力學(xué)性能的影響高于孔隙率。

(a)平均孔徑 (b)孔隙率

參考吳中偉等[9]研究成果,可以將內(nèi)部孔按照孔徑尺寸分成多害孔、有害孔、少害孔、無害孔四類,相應(yīng)的孔徑范圍為>200nm、100～200nm、20～100nm和<20nm,淡水養(yǎng)護(hù)下?lián)降V物摻合料混凝土孔徑分布,孔徑分布,見圖6。

圖6 孔徑分布

結(jié)果表明摻入適量摻合料會(huì)增加無害孔,減少有害孔,并以B1、C2組變化最為顯著,A2組試塊少害孔與無害孔增多,有害孔與多害孔減少,表明混凝土內(nèi)部孔隙呈細(xì)小化發(fā)展態(tài)勢,該變化特征與摻合料填充內(nèi)部孔隙,孔結(jié)構(gòu)細(xì)化的作用相應(yīng),長期抗壓強(qiáng)度增大。

3.2 海水養(yǎng)護(hù)試塊孔隙結(jié)構(gòu)

對比分析海水與淡水養(yǎng)護(hù)下的4組試塊180d齡期孔隙結(jié)構(gòu),不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的平均孔徑與孔隙率,見圖7。從圖7可以看出,海水養(yǎng)護(hù)下J0基準(zhǔn)組混凝土平均孔徑和孔隙率均低于淡水養(yǎng)護(hù),其多害孔減少而無害孔增加,抗壓強(qiáng)度并未增大。這是由于混凝土內(nèi)部孔隙被海水中的有害離子產(chǎn)物填充,使得平均孔徑與孔隙率減少,但對混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)作用不明顯,有害離子侵蝕會(huì)破壞膠體的完整性,致使基體力學(xué)強(qiáng)度降低[10-12]。

(a)平均孔徑 (b)孔隙率

試驗(yàn)對比海水與淡水養(yǎng)護(hù)下的A2組混凝土孔徑分布特征,不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的孔徑分布,見圖8。由圖8可知,海水養(yǎng)護(hù)相較于淡水養(yǎng)護(hù)下的A2組試塊孔隙率和平均孔徑變化不大,多害孔增加而少害孔有所減少,該變化特征與抗壓強(qiáng)度相應(yīng)。總體而言,在淡水與海水養(yǎng)護(hù)條件下,摻硅灰混凝土孔徑分布變化不大。海水養(yǎng)護(hù)下,礦粉與粉煤灰1∶1復(fù)摻組和摻沸石粉組試塊的早期強(qiáng)度發(fā)展較慢,后期有所提升,隨著齡期的變化其孔隙結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,海水與淡水養(yǎng)護(hù)未表現(xiàn)出明顯差異。

圖8 不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的孔徑分布

4 結(jié) 論

1)海水養(yǎng)護(hù)會(huì)加速水化反應(yīng),提高水下不分散混凝土早期強(qiáng)度,隨著時(shí)間的推移,海水中的離子水化產(chǎn)物對內(nèi)部孔隙具有填充作用,會(huì)降低混凝土孔隙率和長期強(qiáng)度。

2)摻硅灰混凝土強(qiáng)度受海水養(yǎng)護(hù)的影響較低,硅灰的最優(yōu)摻量8%;海水養(yǎng)護(hù)可以在一定程度上增大礦粉與粉煤灰復(fù)摻試塊早期強(qiáng)度,對后期強(qiáng)度的影響較低,兩者最優(yōu)復(fù)摻量為10%;海水養(yǎng)護(hù)下?lián)椒惺墼噳K的早期強(qiáng)度緩慢發(fā)展,后期繼續(xù)提高,其最優(yōu)摻量19%。礦物摻合料有利于細(xì)化孔結(jié)構(gòu),摻硅灰優(yōu)于礦粉與粉煤灰復(fù)摻及沸石粉混凝土性能。