配比組成對大流態水下不分散混凝土的性能影響

吳 偉， 相 福 壯， 丁 建 彤， 李 曉 華， 許 文 英

(中國水利水電第七工程局試驗檢測研究院，四川 成都 610015)

1 概 述

采用水下導管法施工相比傳統圍堰施工能大幅度節約施工成本、加快施工進度，但其對水下不分散混凝土提出了較高的性能要求：需要其具有大流態、無振搗、自填充，同時能抵抗被水稀釋的能力。水下不分散混凝土的性能被哪些因素影響以及其影響幅度是設計水下不分散混凝土配比的關鍵并成為相關研究熱點：絮凝劑種類[1]對水下混凝土抗分散能力的影響；不同砂率、石子大小以及水膠比對水下混凝土抗分散性、水中與陸地強度比[2]的影響；添加硅灰、粉煤灰等優化膠凝材料對水下混凝土水中陸地強度比、凝結時間的影響[3]。但上述研究內容偏重于普通水下混凝土的強度與抗分散性。文中所介紹的研究是基于高性能水下不分散混凝土(水膠比≤0.4)，考察配比參數對其流動性和抗分散性的影響。具體研究過程如下：通過對比水下不分散混凝土流動性和抗分散性的不同表征方法，選取敏感性高的測試方法應用于此次研究；選取絮凝劑摻量分別為 0%、1.5%和 3%、水膠比分別為 0.36 和 0.4 以及不同膠凝材料組成(硅灰和粉煤灰分別替代水泥質量的 10%和 0%、5%和 15%及 8%和 15%)，通過減水劑摻量調整以測試水下不分散混凝土在不同流動性條件下的抗分散性；根據試驗結果，分析得出上述參數對水下不分散混凝土流動性和抗分散性的相互關系的影響規律。

2 試驗與討論

研究采用的材料：

(1) 水泥：拉法基P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其渤氏法比表面積為355 m2/kg，密度為3.08 g/cm3；

(2) 硅灰：成都東藍星新材料股份有限公司生產的硅灰，SiO2含量為92%，需水量比為118%，28 d活性為108%；

(3) 粉煤灰：四川博磊生產的Ⅰ級粉煤灰，細度為8%，需水量比為95%，28 d活性為75%；

(4) 細骨料：人工破碎骨料，細度模數為2.66，表觀密度為2 710 kg/m3，吸水率為1.1%；

(5) 粗骨料：人工破碎骨料，其粒徑為5～20 mm，骨料表觀密度為2 720 kg/m3，針片狀含量為5%；

(6) 減水劑：石家莊市長安育才建材有限公司生產的GK-3000聚羧酸減水劑，固體含量為40%；

(7) 絮凝劑：中國水利水電第七工程局生產的HB7-18粉體絮凝劑。

此次研究分別采用水膠比為0.36和0.4、絮凝劑摻量為0%、1.5%和3%進行試驗。為方便記錄，將文中的水泥、硅灰、粉煤灰和抗分散劑分別記為C、 SF、F和AWA。如試驗編號C80SF5F15-AWA1.5表示水泥用量為膠材總質量的80%，硅灰為5%，粉煤灰為15%，絮凝劑為1.5%。試驗用混凝土配合比見表 1。

表1 試驗用混凝土配合比表 /kg·m-3

所采用的水下混凝土性能測試方法按《水下不分散混凝土試驗規程》DL/T5117-2000進行。對比該規程中的流動性和抗分散性表征方法敏感性，此次研究采用敏感性高的擴展度表征流動性，采用懸濁物含量表征抗分散性。pH與懸濁物含量敏感性見圖1，坍落度與擴展度敏感性見圖2。

圖1 pH與懸濁物含量敏感性示意圖

圖2 坍落度與擴展度敏感性示意圖

2.1 抗分散劑摻量對抗分散性和流動性相互關系的影響

不同摻量的絮凝劑對水下混凝土的流動性和抗分散能力的影響可以通過擴展度與懸濁物含量的關系進行表征。C100不同絮凝劑摻量條件下擴展度與懸浮物含量關系見圖 3。

圖3 C100不同絮凝劑摻量條件下擴展度與懸浮物含量關系圖

研究結果表明：通過提高減水劑摻量以獲得更大擴展度的方式將導致水下混凝土抗分散能力下降。固定某一擴展度，可以看出懸濁物含量隨絮凝劑的增加而降低。以550 mm擴展度為例，絮凝劑從0%增加到1.5%，懸濁物含量由1 510 mg/L下降至700 mg/L，降幅為53%；進一步提高絮凝劑摻量至3%，懸濁物含量下降至500 mg/L，降幅度達67%。由此可見：提升絮凝劑摻量可以有效地提高水下混凝土的抗分散性能，這是因其增加了漿體黏度和保水能力的緣故，可以有效抵抗黏度下降。

2.2 不同水膠比對抗分散能力和流動性相互關系的影響

水膠比(W/C)從0.4降低至0.36對抗分散能力和流動性相互關系的影響見圖4。不同水膠比和絮凝劑摻量對抗分散性和流動性的影響見圖4。

圖4 不同水膠比和絮凝劑摻量對抗分散性和流動性的影響示意圖

從整體趨勢看，懸濁物含量均隨擴展度的增大而提高且不受水膠比的影響。固定擴展度、降低水膠比使懸濁物含量下降，抗分散性增強。當擴展度為500 mm時，水膠比從0.4降低至0.36，絮凝劑摻量在1.5%的條件下，其懸濁物含量從570 mg/L下降至380 mg/L，下降幅度為33%；絮凝劑摻量在3%的條件下，其懸濁物含量從420 mg/L下降至190 mg/L，下降幅度為55%。由此可見：降低水膠比可以提升水下混凝土的抗分散能力；在降低水膠比的同時，提高絮凝劑摻量可以產生疊加效應，其抗分散能力提升幅度增強。

2.3 膠凝材料的組成對抗分散性和流動性相互關系的影響

在絮凝劑摻量為3%，水膠比為0.36的條件下，不同膠凝材料的組成對抗分散性和流動性相互關系的影響見圖5。

圖5 不同膠凝材料組成對抗分散性和流動性的影響示意圖

在膠凝材料中引入摻合料的方式降低了懸濁物含量，增加了水下混凝土的抗分散性。擴展度小于450 mm時，對比C100，加入摻合料方式的懸濁物含量降低幅度較??；而當擴展度大于450 mm時，其降幅明顯，與文獻[3]觀察到的現象一致。

固定某一擴展度，C80SF5F15表現出最佳的抗分散性能。例如，在擴展度為550 mm時，C80SF5F15的懸濁物含量為185 mg/L、C100為285 mg/L，兩者之間的差異幅度為35%。C90SF10的抗分散能力增幅次之；對比C100，懸濁物含量下降幅度為28%；C77SF8F15降幅最小，降低幅度為12%。摻合料中的細顆粒使膠凝材料體系的密實度提高、比表面積提升、漿體內聚力增強導致其產生了更強的保水能力，與普通混凝土中摻合料的作用機理相同[4～6]。

由此可見，在制備大流態水下混凝土時，通過采用摻合料(細粉料)替代部分水泥的方式可以明顯降低懸濁物含量，增加其抗分散性能；在小流動度時采用該項技術，對提高水下混凝土的抗分散性并不明顯。

3 結 語

基于此次配比組成對流動性和抗分散能力影響研究取得的試驗數據可以看出：

(1) 對于水下不分散混凝土，其流動性、抗分散能力的測試方法分別采用擴展度、懸濁物含量表征比坍落度、PH 值的評價方法具有更高的測試敏感性；

(2)減水劑以及絮凝劑摻量對水下不分散混凝土的流動性與抗分散能力的影響成正比；

(3)水膠比的降低增加了水下混凝土的抗分散能力，且其與絮凝劑產生了疊加效應；

(4)采用摻合料(細粉料)替代部分水泥可以增加水下混凝土的抗分散性能且存在最優替代率。