基于水下不分散混凝土性能研究

于 壯

（莊河市水務(wù)行政執(zhí)法隊(duì)，遼寧 莊河 116400）

從20世紀(jì)80年代成功研發(fā)以來，水下不分散混凝土在海洋和水庫大壩等中的應(yīng)用越來越多，并達(dá)到較好效果[1-3]。從材料性能層面上，不分散混凝土相比于常規(guī)水下混凝土主要利用絮凝劑增強(qiáng)黏聚性，從而達(dá)到水下施工抑制膠材分離的作用。為滿足實(shí)際工程技術(shù)要求廣大學(xué)者開展了深入研究，如SONEBI等探討了混凝土抗分散性和高流動性受絮凝劑組成及濃度、配合比、膠凝材料的影響，結(jié)果顯示混凝土抗分散性直接取決于絮凝劑摻量，增加絮凝劑摻量能夠有效提高其抗水分散性；BAE等認(rèn)為摻絮凝劑能夠明顯改善混凝土的抗水下離散性能與抗壓強(qiáng)度，并且可以降低水質(zhì)污染程度；谷立楠等[4]分析了海水條件下混凝土性能受礦物摻合料的影響，結(jié)果表明海水養(yǎng)護(hù)不利于28d及后期強(qiáng)度發(fā)展，但能夠增大早期強(qiáng)度；孫振平等[5]探究了混凝土抗壓強(qiáng)度和抗分散性能受硅灰、消泡劑、高效減水劑、絮凝劑的影響規(guī)律，通過比較各項(xiàng)耐久性指標(biāo)發(fā)現(xiàn)同強(qiáng)度等級下水下抗分散優(yōu)于普通混凝土的耐久性；韋灼彬等[6]分析了消泡劑、減水劑、水灰比及絮凝劑對混凝土抗分散性的影響，并揭示出各因素的影響規(guī)律；劉明樂等[7]以硅灰和礦粉為變量，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻硅灰與礦粉可以明顯增強(qiáng)混凝土抗分散性和強(qiáng)度；廖紹華等[8]研究了混凝土性能受絮凝劑摻量、珊瑚砂率、水泥用量的影響，結(jié)果顯示其水陸強(qiáng)度比隨絮凝劑、水泥用量的增加而提高，水泥的推薦摻量為235~285kg/m3，用水量受砂率影響較大；張鳴等[9]探究了水下不分散混凝土抗氯離子侵蝕性、抗分散性、流動性能與礦渣粉、粉煤灰摻量之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)摻礦渣粉與粉煤灰能夠明顯增大氣力學(xué)和抗分散性，并減小拌合物流動性。因此，現(xiàn)有研究主要側(cè)重于力學(xué)性能分析，研究不分散混凝土在新澆筑未硬化狀態(tài)下的和易性以及抗分散性、抗?jié)B性的還較少。鑒于此，文章通過配合比設(shè)計(jì)，試驗(yàn)探討了水下不分散混凝土受不同膠材組成的影響，并考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出最優(yōu)配合比，以期為水下不分散混凝土的推廣應(yīng)用提供一定支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 配合比設(shè)計(jì)

充分考慮水下不分散混凝土的施工和易性、抗?jié)B性、自密實(shí)性、耐久性、抗分散性以及抗壓強(qiáng)度等要求[10-12]，根據(jù)實(shí)際要求和設(shè)計(jì)流程確定S、F兩種配合比，試驗(yàn)配合比，見表1。其中F配比中膠材以絮凝劑、膨潤土、摻合料和高水速凝材料等為主，S配比中膠材以防滲補(bǔ)漏材料、絮凝劑、膨潤土、摻合料及水泥等為主，J組為基準(zhǔn)對照普通混凝土。砂為Ⅱ區(qū)天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.7；碎石為連續(xù)級配花崗巖碎石，粒級5~25mm。

表1 試驗(yàn)配合比

1.2 測試方法

參照《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的方法測定水下抗分散性、和易性、力學(xué)性能、彈性模量及抗?jié)B性能，其中抗分散性選用pH值及膠材流失率指標(biāo)來衡量，力學(xué)性能選用14d、28d水下和陸上抗壓強(qiáng)度來衡量。

2 結(jié)果與分析

2.1 水下抗分散性

在混凝土中加入絮凝劑能夠有效減少膠材流失量，在水中自由下落過程中的流失量也比較小，而未摻絮凝劑基準(zhǔn)對照組的膠材流失較大[13-15]。為評價(jià)水下抗分散性選用水中自由落下時(shí)混凝土引起水的pH值變化量來衡量，膠材流失率和水的pH值，見表2。由表2可知，F(xiàn)組、S組水下不分散混凝土的膠材流失率相較于基準(zhǔn)對照組J明顯減少，pH值也明顯低于基準(zhǔn)對照組，這是因?yàn)榱魇У哪z材越少對水的pH值增大作用越低，說明絮凝劑能夠有效防治水體渾濁和水質(zhì)污染。

表2 膠材流失率和水的pH值

2.2 拌合物和易性

不分散混凝土具有流動性大、可塑性好及黏稠度高等特征，水流流動條件下也可以獲取均勻的材料。因此，研究選用坍落度反映拌合物的流動性，控制各配合比拌合物坍落度處于400~450mm之間。將絮凝劑摻入混凝土中能夠保證材料的保水性，有效減少浮漿和泌水的發(fā)生，試驗(yàn)測定各配合比拌合物的泌水率和黏度，拌合物黏度、泌水率和凝結(jié)時(shí)間，見表3。由表3可知，摻絮凝劑組未出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，特別是F組未發(fā)現(xiàn)泌水情況。

表3 拌合物黏度、泌水率和凝結(jié)時(shí)間

在外力作用下可以選用黏度(MPa·s)反映材料的抗黏性變形能力，將黏度按照設(shè)計(jì)要求控制在0.1~0.5MPa·s之間，該值越大代表黏度越高，同時(shí)黏度越大流動性越差，越不利于施工。結(jié)合表3可知，黏度處于控制范圍內(nèi)能夠滿足水下不分散混凝土施工要求。

2.3 抗壓強(qiáng)度特征

為了反映水下不分散混凝土強(qiáng)度特征通常選用水下和陸上成型強(qiáng)度比（f水下/f陸上）來衡量，按水中材料質(zhì)量管理要求14d齡期的水陸強(qiáng)度比不宜＜60%，28d齡期不宜＜70%，硬化試件的水陸強(qiáng)度比，見表4。由表4可知，水下和陸上成型強(qiáng)度相差較小均能符合設(shè)計(jì)要求。

表4 硬化試件的水陸強(qiáng)度比

水下不分散與基準(zhǔn)對照組的強(qiáng)度相同均滿足水灰比定則，陸上成型條件下普通與水下不分散試件強(qiáng)度基本一致，而水下成型條件下普通明顯低于水下不分散混凝土強(qiáng)度。這是因?yàn)槲磽叫跄齽┗炷恋脑缙趶?qiáng)度發(fā)展較慢，而后期發(fā)展較快，絮凝劑的摻入加快了早期強(qiáng)度發(fā)展速度，對后期強(qiáng)度的影響不大。

2.4 彈性模量測試

一般地，強(qiáng)度越高則混凝土的彈性模量越大，并且彈強(qiáng)比越小，彈強(qiáng)比隨混凝土容重的減小逐漸下降，試驗(yàn)測定各組試件的彈性模量，硬化試件的彈性模量值，見表5。由表5可知，其彈性模量隨抗壓強(qiáng)度的提高而增大，并且彈強(qiáng)比隨齡期的延長而減小。通過對比分析配合比可知，水下不分散混凝土中的濟(jì)寧材料用量相對越多其彈強(qiáng)比就越小，摻入的膨潤土用量越多其彈強(qiáng)比也越小。另外，摻入過多的鵬潤會導(dǎo)致澆筑過程中拌合物黏性過高，在水下施工過程中不利于澆筑材料的自流平密實(shí)。所以，為保證混凝土力學(xué)性能和澆筑的施工特性應(yīng)合理選用膨潤土摻量。基于上述情況，F(xiàn)組混凝土使用的膠材用量耕讀，相應(yīng)的容重也就越小，但由于試驗(yàn)齡期過短，可以推測各配合比水下不分散混凝土的彈強(qiáng)比會碎腭齡期的延長進(jìn)一步的下降。

表5 硬化試件的彈性模量值

2.5 抗?jié)B性能

水下不分散混凝土應(yīng)保證一定的抗?jié)B能力和抗變形性能，測試14d和28d齡期各配合比試件的抗?jié)B性，硬化試件的抗?jié)B等級，見表6。結(jié)果顯示，14d齡期時(shí)水下不分散混凝土能夠達(dá)到S4級抗?jié)B要求，28d齡期時(shí)可以達(dá)到S6即抗?jié)B要求，摻絮凝劑可以明顯改善混凝土的抗?jié)B性。

表6 硬化試件的抗?jié)B等級

以往施工的優(yōu)劣狀況直接決定了水下混凝土的質(zhì)量情況，其技術(shù)要點(diǎn)就是避免外界水與混凝土的接觸。因此，必須結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)反復(fù)論證施工方案，并嚴(yán)格規(guī)范施工過程。水下不分散混凝土主要是改善混凝土的自身性能，即使在未硬化情況下遇水沖刷也不會導(dǎo)致材料的分離，并且保證水下均勻澆筑。通過調(diào)整配合比和選用合適的澆筑設(shè)備，可以使混凝土在水中自由下落，有利于工期控制和施工操作。水下不分散混凝土對于難以使用普通混凝土、有搶險(xiǎn)救災(zāi)等緊急工程以及防止水質(zhì)污染的施工具有較好適用性，現(xiàn)已被廣泛用于水下構(gòu)筑物澆筑施工。

3 結(jié) 論

由于具有優(yōu)越的性能水下不分散混凝土逐漸引起人們的關(guān)注，并已被廣泛應(yīng)用于水下灌注樁、船塢碼頭、防波堤、海底隧道和跨海大橋等工程，如何配制性能抗分散性、流動性、力學(xué)性能以及抗?jié)B性綜合最優(yōu)的混凝土已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。因此，文章通過配合比設(shè)計(jì)探討了不同膠材組成對其力學(xué)性能的影響，該試驗(yàn)配合比能夠保證水下不分散混凝土高塑性低彈模、高水下抗分散性、良好流動性和黏稠度等特點(diǎn)，施工方便且經(jīng)濟(jì)可行，可以為水下不分散混凝土配制及其推廣應(yīng)用提供一定技術(shù)支持。