復(fù)雜環(huán)境下水下不分散混凝土試驗(yàn)分析

謝 芳

(葫蘆島市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 葫蘆島 125000)

實(shí)踐表明,水工混凝土性能直接決定著水下工程施工進(jìn)度和建設(shè)質(zhì)量。所以,工程技術(shù)領(lǐng)域越來越注重水下混凝土施工技術(shù)及性能的研究。如果在水中直接進(jìn)行澆筑,當(dāng)混凝土下落過程中會(huì)受到水力沖刷作用引起漿體與骨料的分離,漿體懸浮或隨水流流失,在水泥下沉?xí)r已凝結(jié)硬化失去膠結(jié)骨料作用[1-3]。將混凝土拌合物直接澆筑到水中時(shí),通常會(huì)形成一層水泥渣和砂、礫石骨料,難以保證水下工程使用要求。水下澆筑時(shí)以往都要?jiǎng)?chuàng)造水隔離條件,為了降低水的不利影響還要保證連續(xù)澆筑施工,在凝結(jié)硬化后對(duì)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的部位進(jìn)行清除處理。工程中常用的方法主要分為2類:①創(chuàng)造圍堰排水干地條件,這種方法具有早期周期長、投資成本高和工程量大等問題,施工方法與陸地基本一致;②使用專業(yè)設(shè)備將環(huán)境與隔離,采用開底容器法、模袋法、預(yù)填骨料灌漿法和導(dǎo)管法等直接將混凝土拌合物送到水下工程部位。然而,受水流沖刷作用混凝土拌合物極易產(chǎn)生離析、水泥材料流失和質(zhì)量強(qiáng)度降低的缺陷,并可能引起一定的環(huán)境污染[4]。最大程度地避免與水的接觸是常規(guī)澆筑應(yīng)控制的核心,這會(huì)明顯提高工程成本,延長工期,大大增加施工難度,并且很難保證水下澆筑施工質(zhì)量。隨著水下結(jié)構(gòu)特別是海洋深水工程的建設(shè)發(fā)展,對(duì)水下施工、澆筑質(zhì)量提出了更高的要求[5]。因此,通過優(yōu)化改性傳統(tǒng)的混凝土使其能夠解決以上問題就顯得非常必要。

從20世紀(jì)70年代國內(nèi)外學(xué)者廣泛探究了水下混凝土性能,通過改變組分使其具有水下不分散的能力,以此保證構(gòu)件強(qiáng)度質(zhì)量。水下不分散混凝土就是將水溶性高分子抗分散劑摻入普通混凝土中,從而提高拌合物的黏聚力,防止水泥流失及拌合物離析、分散[6-9]。這種技術(shù)大大簡化了水中施工程序,解決了水下澆筑時(shí)存在的缺陷和不足,促進(jìn)了水下混凝土的發(fā)展和應(yīng)用,被稱為新一代理想混凝土。因此,為進(jìn)一步增強(qiáng)水下不分散混凝土抵抗各種鹽離子侵蝕的能力,文章通過優(yōu)選礦物摻合料、外加劑和原材料設(shè)計(jì)4種配合比,試驗(yàn)探究了海水、淡水、陸上環(huán)境對(duì)其力學(xué)性能及抗氯離子滲透性的影響作用。

1 試驗(yàn)配合比

通過合理設(shè)計(jì)配合比保證水下不分散混凝土達(dá)到抗分散性、流動(dòng)性、耐久性和抗壓強(qiáng)度等要求,試驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土配合比如表1所示。

表1 試驗(yàn)配合比

其中,在載體作用下防水劑內(nèi)部活性化學(xué)物質(zhì)不斷滲透到混凝土中,經(jīng)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成難溶于水的結(jié)晶,可以將細(xì)微孔道堵塞,以此提高整體防水和致密性;絮凝劑(抗分散劑)是一種能夠增大新拌混凝土黏聚性,有效抑制水下澆筑時(shí)骨料離析和水泥漿流失的外加劑,這種絮凝劑與聚羧酸高效減水劑具有較好的兼容性[10]。

2 水下不分散混凝土試驗(yàn)

2.1 力學(xué)性能

試驗(yàn)設(shè)計(jì)陸上A、淡水B和海水C三種成型養(yǎng)護(hù)方式,參照《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測定各組時(shí)間不同齡期的抗壓強(qiáng)度,測試數(shù)據(jù)見圖1、圖2。

(a)S1組 (b)S2組

從圖1可以看出,海水成型和淡水成型均低于陸上成型各組配合比水下不分散混凝土的抗壓強(qiáng)度。這是由于雖然抗分散劑的摻入可以提高抗水洗能力,但拌合物在水下澆筑成型時(shí)與水接觸,部分水泥漿受到水沖洗作用依然會(huì)流失,從而減少水化產(chǎn)物量使水泥基體更加多孔疏松,對(duì)混凝土強(qiáng)度造成不利影響。另外,通過對(duì)比分析海水與淡水成型試件的強(qiáng)度可知,海水成型高于淡水成型混凝土的強(qiáng)度,但是低于淡水成型混凝土的后期強(qiáng)度。這是由于海水中溶解了大量的鎂鹽、氯鹽和硫酸鹽等,這些鹽分能夠增強(qiáng)水泥對(duì)水分的吸附能力,促進(jìn)了水化和早期強(qiáng)度的快速提高。氯鹽可以與水泥礦物組分C3A及Ca(OH)2水化產(chǎn)物生成不溶性的氯鋁酸鈣復(fù)鹽、氫氧化鈣復(fù)鹽,這些復(fù)鹽的存在使得液相中的Ca(OH)2濃度降低,對(duì)水化起到正向促進(jìn)作用。氫氧化鈣能與硫酸鹽作用生成石膏,它與水泥熟料的反應(yīng)速度相比于水泥組分中的石膏更快,硫酸鹽能與C3A生成AFt。這些AFt和氯鋁酸復(fù)鹽會(huì)使體積變大,從而提高水泥石結(jié)構(gòu)密實(shí)度及海水養(yǎng)護(hù)成型混凝土的早期強(qiáng)度[11]。淡水養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,28d以后水泥持續(xù)水化,相應(yīng)的強(qiáng)度也不斷提高,而海水養(yǎng)護(hù)環(huán)境下還會(huì)受到氯鹽、鎂鹽和硫酸鹽等鹽分的侵蝕,相比于淡水環(huán)境其強(qiáng)度增速變慢。

圖2 海水環(huán)境下各齡期強(qiáng)度

從圖2可以看出,養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d以后,強(qiáng)度最高的是摻硅灰混凝土組,其次是摻防水劑和沸石粉混凝土組,而摻礦粉和粉煤灰混凝土組強(qiáng)度最低。

2.2 抗氯離子滲透性

試驗(yàn)將澆筑尺寸300mm×100mm×100mm的試件放入陸上A、淡水B和海水C環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),即選用淡水養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)淡水和陸地成型試件,使用海水養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)海水成型試件,各試件均為豎直擺放。養(yǎng)護(hù)過程中將混凝土試塊劃分成三部分,從下到上依次設(shè)置為水養(yǎng)護(hù)(下段)、24h干濕交替養(yǎng)護(hù)(中段)和空氣養(yǎng)護(hù)(上段)。養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后取出試件,然后利用切割機(jī)沿3種養(yǎng)護(hù)方式從上到下分別取出50mm×100mm×100mm的中間切片,應(yīng)用配套的智能真空飽水機(jī)和氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測定儀測定相應(yīng)的數(shù)據(jù),結(jié)果如圖3、圖4。

(a)S1組 (b)S2組

從圖3可以看出,對(duì)于不同配合比抗氯離子滲透性最高的是水中養(yǎng)護(hù)部分,其次是干濕交替養(yǎng)護(hù)部分,而空氣養(yǎng)護(hù)部分最低。養(yǎng)護(hù)方式相同的情況下,混凝土抗氯離子滲透性受養(yǎng)護(hù)方式的影響存在一定差異,具體表現(xiàn)為陸上成型小于淡水成型小于海水成型混凝土的滲透系數(shù)。

圖4 海水環(huán)境下氯離子滲透性

從圖4可以看出,總體上氯離子滲透性最小的是摻防水劑混凝土組,其次是摻沸石粉和硅灰混凝土組,氯離子滲透系數(shù)最大的是摻粉煤灰和礦粉混凝土。與水接觸后,在載體作用下防水劑中的活性化學(xué)物質(zhì)不斷滲透到混凝土中,經(jīng)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成難溶于水的結(jié)晶,這可以將細(xì)微孔道堵塞,以此提高混凝土抗?jié)B性、致密性和整體耐久性[12]。

水化產(chǎn)物與礦物摻合料反應(yīng)生成可以增強(qiáng)混凝體吸附和結(jié)合氯離子能力的硅酸鈣凝膠,并且混凝土中的孔隙可以被未反應(yīng)的細(xì)小摻合料顆粒以及生成的水化硅酸鈣凝膠填充,改善和優(yōu)化水泥基體孔隙結(jié)構(gòu),大大降低內(nèi)部孔隙率及孔徑大小[13-15]。因此,混凝土中摻入一定的礦物摻合料能夠有效降低氯離子滲透系數(shù)。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,氯離子滲透系數(shù)最大的是空氣養(yǎng)護(hù)、海水成型和摻粉煤灰及礦粉組混凝土,但按照滲透性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依然達(dá)到Ⅲ級(jí)中等水平,劃分標(biāo)準(zhǔn)為:混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)>1000×10-14m2/s、500～1000×10-14m2/s、100～500×10-14m2/s、50～100×10-14m2/s、10～50×10-14m2/s、5～10×10-14m2/s,所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ級(jí)(很高)、Ⅱ級(jí)(高)、Ⅲ級(jí)(中)、Ⅳ級(jí)(低)、Ⅴ級(jí)(很低)、Ⅵ級(jí)(極地)和Ⅶ級(jí)(可忽略)。

3 結(jié) 論

1)海水成型和淡水成型均低于陸上成型各組配合比試件的強(qiáng)度,且海水成型大于淡水成型試件的早期強(qiáng)度,但是低于淡水成型混凝土的28d和56d(后期)強(qiáng)度。海水中溶解了大量的鎂鹽、氯鹽和硫酸鹽等,這些鹽分能夠增強(qiáng)水泥對(duì)水分的吸附能力,從而促進(jìn)水化和早期強(qiáng)度的發(fā)展;淡水養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,28d以后水泥持續(xù)水化,強(qiáng)度也不斷提高,而海水養(yǎng)護(hù)環(huán)境下還會(huì)受到氯鹽、鎂鹽和硫酸鹽等鹽分的侵蝕,相比于淡水環(huán)境其強(qiáng)度增速變慢。

2)對(duì)于不同配合比抗氯離子滲透性最高的是水中養(yǎng)護(hù)部分,其次是干濕交替養(yǎng)護(hù)部分,而空氣養(yǎng)護(hù)部分最低。養(yǎng)護(hù)方式相同情況下,陸上成型小于淡水成型小于海水成型混凝土的滲透系數(shù)。

3)海水成型時(shí),總體上氯離子滲透性最小的是摻防水劑混凝土組,其次是摻沸石粉和硅灰混凝土組,氯離子滲透系數(shù)最大的是摻粉煤灰和礦粉混凝土?；炷林袚饺胍欢ǖ膿胶狭霞扔欣诟纳坪鸵仔?還可以增強(qiáng)其強(qiáng)度和耐久性能。