C50水下不分散混凝土的制備與性能研究

楊清源，劉昕依，陳 茜，宋普濤，夏京亮，王 晶，冷發光

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100013；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013； 3.建研建材有限公司，北京 100013)

0 引言

一般的水下不分散混凝土為了平衡工作性能和抗分散性能水膠比都較大，在水下澆筑時混凝土會吸水且澆筑不連續時先澆筑的混凝土與后澆筑混凝土層中又會有水進入降低水下不分散混凝土的強度。隨著經濟的發展跨海大橋、水下修補、島礁建設等大型工程對于具有良好工作性能的高強度的水下不分散混凝土的需求愈來愈高[1-2]，因此C50的水下不分散混凝土的研究與制備是非常有必要的[3-5]。試驗發現水下不分散混凝土制備強度難以提升的關鍵問題除去上述的澆筑問題外，最主要的是工作性和抗分散性能的平衡較難把控[6-7]。一般通過降低水膠比來提高水下不分散混凝土的強度，針對水下不分散混凝土降低水膠比工作性能迅速下降不滿足水下澆筑自密實、自流平的要求并且如果采取一些措施來改善工作性能時，抗分散效果又會變差，又降低了水下不分散混凝土的強度。因此通常制備的水下不分散混凝土水膠比都較高，制備出C40及以上的混凝土都較為困難[8]。本文通過不同礦物摻合料調節水下不分散混凝土工作性能與抗分散性能，增加5 mm～10 mm粒徑的碎石以此降低需要包裹粗骨料的漿體用量，需要包裹粗骨料的漿體減少后就有更多的漿體可用以改善工作性能，這樣既改善工作性能的同時也能提高抗分散性能。

1 試驗

1.1 試驗原材料

1)水泥：采用柬埔寨國內生產的海螺P.O42.5水泥，比表面積為340 m2/kg，其他性能符合現行國內標準GB 175通用硅酸鹽水泥的有關規定。2)粉煤灰：采用國內某電廠生產的F類Ⅱ級粉煤灰，45 μm篩余16.7%，需水量比為99%，其他性能符合國內現行標準GB/T 1596用于水泥和混凝土中的粉煤灰的有關規定。3)硅灰：SiO2含量大于85%，表觀密度為2.6 g/cm3，比表面積為2×104cm2/g。4)偏高嶺土：國內某公司生產的產品，其比表面積為682 m2/kg，密度為2.50 g/cm3。5)降粘增強劑：建研建材有限公司生產的降粘增強劑，灰白色粉體，降粘增強劑的物理力學性能見表1。6)砂：細度模數為1.1，含泥量為0.5%，表觀密度為2 650 kg/m3。7)碎石a：5 mm～10 mm連續級配石灰石，壓碎值為16%，母巖強度118.5 MPa，含泥量0.19%；碎石b：10 mm～20 mm連續級配石灰石，壓碎值為16%，母巖強度119 MPa，含泥量0.18%。8)減水劑：浙江某公司生產的聚羧酸高性能減水劑，淡黃色液體，減水率35%，含固量32%。9)抗分散劑：唐山某公司生產的UWB-II抗分散劑勻質性指標如表2所示，根據GB/T 37990—2019水下不分散混凝土抗分散劑技術要求測試抗分散劑混凝土性能指標見表3。

表1 降粘增強劑性能指標

表2 UWB-Ⅱ抗分散劑的勻質性指標

表3 抗分散劑混凝土性能指標

1.2 試驗方案

試驗選取膠凝材料用量520 kg/m3，其中粉煤灰104 kg/m3、硅灰26 kg/m3，細集料685 kg/m3、粗集料940 kg/m3、水192 kg/m3、減水劑5.2 kg/m3、水膠比0.37作為基準配合比，UWB-Ⅱ摻量(0%,1.5%,2%,2.5%)、對水下不分散混凝土工作性能、水下抗分散性能、力學性能和抗氯離子滲透性能的影響。試驗配合比見表4。

表4 試驗混凝土配合比

2 試驗方法

抗分散性能測定依據GB/T 37990—2019[9]規定，通過對水泥漿體流失量、懸濁物含量、pH值試驗來評定混凝土的抗分散性。水泥流失量的測定：取2 kg新拌水下不分散混凝土，測定其通過500 mm水層后的質量，然后計算漿體流失百分比。數值越大表示新拌混凝土的抗分散性能越差，反之則證明混凝土抗分散效果優異；懸濁物含量的測定：將500 g的待測樣品放在滑片上，用刮刀在10 s～20 s內將樣品分十次放入水中，靜置3 min后，用玻璃吸管吸取上清液600 mL，取400 mL做懸浮物含量測定、200 mL做pH值測定。

混凝土成型：混凝土分陸上成型、水中成型。水中成型時將模具浸泡在水中，水面高出模具150 mm，本實驗的水下澆筑采用GB/T 37990—2019水下不分散混凝土抗分散技術要求中的倒筒法，現將水下不分散混凝土澆筑在坍落筒中用鐵板封底，澆筑時抽出鐵板盡量保證澆筑過程連續，進而降低因為澆筑不連續造成的斷層問題降低強度。澆筑完成后將模具取出用橡膠錘敲擊四周抹面后放入水中，2 d后拆模在水中養護。

3 試驗結果與分析

3.1 工作性能

水下不分散混凝土的工作性能十分重要，因為水下施工無法振搗密實，因此要求水下不分散混凝土能夠實現水下澆筑自密實自流平。并且現階段的水下不分散混凝土常搭配導管法或者泵送法進行施工，為了滿足泵送要求也要嚴格控制水下不分散混凝土的工作性能。各組的水下不分散混凝土工作性能如表5，圖1所示。

表5 工作性能測試結果 mm

由圖1可知，CX1～CX4組樣品，隨著抗分散劑摻量的增大坍落度和擴展度不斷降低，這是由于抗分散劑的絮凝效果不斷提升，抗分散劑中的長鏈分子吸附細小顆粒，長鏈與長鏈之間又形成網格固定更多的細顆粒增大混凝土中漿體的黏聚性[10-11]，使得混凝土工作性能不斷降低。當抗分散劑摻量一定時，CX5～CX7組樣品，隨著降粘增強劑的摻量增大工作性能得到明顯改善，這是由于降粘增強劑顆粒較細其中有“滾珠效應”[12]的粉體起到潤滑作用，并且復合摻合料的加入優化了粉體的級配，進一步改善水下不分散混凝土的工作性。CX4組和CX7組除去摻合料組成不同外其他組分一致，但是摻入降粘增強劑的CX7組坍落度235 mm、擴展度445 mm符合標準要求，CX4組的坍落度215 mm、擴展度380 mm不滿足工作性要求。由此可以看出抗分散劑的摻入使得水下不分散混凝土的工作性能下降，降粘增強劑的摻入能夠有效改善水下不分散混凝土的工作性能。

3.2 抗分散性能

抗分散性能是水下不分散混凝土抵抗水中澆筑漿體流失、抑制離析的能力，關系到水下澆筑質量的關鍵指標。各組水下不分散混凝土抗分散性能如表6，圖2所示。

表6 抗分散試驗結果

由圖2可知，CX1～CX4組隨著抗分散劑摻量的增大水泥流失量、懸濁物含量、pH值均呈現降低趨勢，表明抗分散劑的絮凝效果不斷加強，因此抗分散效果提升。CX5～CX7組抗分散劑摻量不變，隨著降粘增強劑摻量的增大水泥流失量、懸濁物含量、pH值均呈現增大趨勢，表明抗分散效果有所下降。未摻入抗分散劑的基準組CX1抗分散指標均不滿足標準要求。UWB-II摻量不小于2%時(CX3組、CX4組)抗分散性能優異，但是結合表4的工作性能發現，CX3～CX4組隨著抗分散劑摻量的增大抗分散性能提升，但是工作性能降低，且不滿足標準要求。CX5～CX7雖然抗分散效果逐漸變差，但是摻量增大至20%時仍然符合標準要求，并且結合表4可知CX7組的工作性能優異。

3.3 力學性能

水下不分散混凝土由于澆筑環境的特殊性，不單單通過抗壓強度來評判其力學性能，還有一項重要的指標——水陸強度比，即水中澆筑的抗壓強度與陸上澆筑的抗壓強度之間的比值，反映水層對混凝土力學性能的影響。水下不分散混凝土力學性能如表7所示。水下不分散混凝土7 d抗壓強度如圖3所示。

表7 水下不分散混凝土力學性能

由圖3可知，CX1基準組未摻入抗分散劑的7 d的水下澆筑強度降低較多，水中澆筑的抗壓強度和陸上澆筑的抗壓強度比小于標準要求的0.7。CX2～CX4組隨著抗分散劑摻量的增大7 d的水陸強度比不斷提升，表明抗分散劑的絮凝作用起到效果，使得水中澆筑的混凝土抗壓強度損失不斷降低。CX5～CX7組抗壓強度相較于CX2～CX4組強度要高并且工作性能也更優異，這表明降粘增強劑改善水下不分散混凝土工作性能的同時并沒有過分降低混凝土的抗分散性能，并且因為工作性能的改進使得水下澆筑更連續、密實，抗壓強度也有所提升。但是提升作用并不是單一的遞增，隨著降粘增強劑的摻量增大水陸強度比呈現先增后減的趨勢，造成該現象的原因是抗分散性能和工作性能的一個動態平衡，摻量大于15%后工作性能良好，但是抗分散效果變差導致水下澆筑漿體流失量增大進而降低水下不分散混凝土的強度。降粘增強劑的摻量為20%時相較于CX4組的水陸強度比大，這表明工作性能的改善大過抗分散性能的降低，起到主導作用。水下不分散混凝土28 d抗壓強度如圖4所示。

由圖4可知，摻入降粘增強劑組(CX5～CX7)的28 d抗壓強度均高于CX2～CX4組。CX2～CX4組樣品，混凝土28 d的抗壓強度無論是陸上澆筑還是水下澆筑混凝土強度都相較于未摻抗分散劑的有所降低。但是CX1～CX4組的水陸強度比不斷提升，表明混凝土在水下澆筑喪失的強度逐漸減少，CX4組的水陸強度比高達0.975，表明水中、陸上成型的試塊強度幾乎持平。CX5～CX7組相較于CX4組，隨著降粘增強劑摻量的不斷增大陸上和水中成型的抗壓強度幾乎一樣。但是水陸強度比隨著降粘增強劑摻量的增加呈現先增后減少趨勢，原因是降粘增強劑能夠改善水下不分散混凝土的工作性能，隨著工作性能的不斷提升抗分散性能有所下降，兩者存在動態平衡問題。在摻量為15%左右效果最佳，20%摻量時抗分散效果有所下降，但是仍然滿足標準要求。

3.4 抗氯離子滲透性能

RCM抗氯離子滲透系數如圖5所示。

由圖5可知，取CX1～CX7組水中澆筑成型的試塊。摻入降粘增強劑組(CX5～CX7)的氯離子滲透系數均低于CX2～CX4組。CX1～CX4組隨著抗分散劑摻量的不斷增大氯離子滲透系數不斷降低，表明抗分散劑中的絮凝效果優異使得水下澆筑混凝土的結構更為密實因此氯離子滲透系數不斷下降[13-14]。CX4～CX7組隨著降粘增強劑摻量的增加，氯離子滲透系數呈現先減后增的趨勢，這是由于降粘增強劑的加入改變了粉體的顆粒級配，使得結構更為密實，在適當的摻量范圍內可以極大的填充空隙使得結構密實度增加[15]，但是隨著摻量的不斷增大，氯離子滲透系數又有所增大，考慮是由于工作性能的提升抗分散效果明顯下降，使得漿體流失量增大，結構密實度下降，進而使得氯離子滲透系數增大。

3.5 綜合分析

綜合考慮適合實際施工泵送要求，在滿足抗分散性能和抗氯離子滲透性能的情況下，選擇工作性能和力學性能優異的配合比，優選CX7組抗分散劑2.5%、降粘增強劑20%作為工程推薦配合比。

4 結論

1)抗分散劑由主劑UWB-Ⅱ抗分散劑和輔劑減水劑組成，UWB-Ⅱ的長鏈結構能夠吸附細小顆粒，長鏈與長鏈之間又相互搭接形成網格進一步增加漿體的黏聚性。隨著抗分散劑摻量的不斷增大抗分散性能不斷提升但是工作性能迅速下降。

2)降粘增強劑的摻入能夠極大改善水下不分散混凝土的工作性能，并且可以提高混凝土的強度和抗氯離子滲透性能。對抗分散性能也有影響但是都在可控范圍之內。

3)抗分散劑和降粘增強劑搭配使用，存在工作性和抗分散性的一個動態平衡問題，文章通過試驗找到合適的配比制備出既滿足工作性要求又滿足抗分散要求的高強水下不分散混凝土。