不同摻合料水下抗分離混凝土性能研究

劉立娟

(朝陽縣水利勘測設計隊,遼寧 朝陽 122000)

由于水下不分散混凝土解決了專用設備要求高、易污染環境和抗水洗差等問題,可以直接在水中澆筑且不易出現離析分散,還能夠保證混凝土澆筑強度與質量,被領域內學者稱為新一代水下工程材料[1]。水下不分散混凝土相比于普通混凝土的技術核心在于增添了一種具有長鏈分子的抗分散劑,這些長鏈分子相互交叉、吸引所形成的網狀結構吸附能力較強,可以吸附水泥顆粒,遇水條件下也能夠較好地黏聚混凝土各組分[2]。

目前,關于水下不分散混凝土我國主要側重于傳統施工工藝條件下水下混凝土配合比和水下不分散劑的研發應用,而國外研究多集中于施工技術操作及抗分散劑改良等方面,相比于國外先進技術水平國內相關技術還具有一定差距,主要表現為配套施工技術落后、總體強度偏低及施工性能差等。其中,對抗分散性能影響因素的系統研究不足是導致水下混凝土施工性能差的主要原因[3-5]。抗分散性研究既要考慮施工環境和工藝方法,還需考慮抗分散劑和混凝土材料組成因素;現場施工環境與靜水條件下測試的抗分散性具有一定差異,必須選擇動水測試條件,通過調整抗分散性能研發出適用于復雜施工環境的抗分散劑[6]。另外,水下不分散混凝土宏觀測試周期長,一系列調整和試配工作量大,選擇合適的方法可有效節約成本和提高研發效率。文章以摻合料類型及其摻量為變量,通過優化材料組成探究了水下抗分離混凝土的工作性能、力學性能以及抗凍融和抗氯離子滲透等耐久性,以期為高性能水下抗分離灌注樁混凝土的研發應用提供技術支持。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗選用海螺P·O 42.5級水泥,堿含量0.4%,C3A含量5%～9%;集料使用大連莊沙砂石場提供的中砂(細度模數2.7)和花崗巖碎石(粒徑5～25mm),級配良好;摻合料采用大連金橋超細粉制造有限公司和鞍山熱電廠提供的S95級粒化高爐礦渣粉及F類Ⅰ級粉煤灰,礦粉燒失量0.7%,比表面積455m2/kg,粉煤灰燒失量4.2%,細度15.5%;外加劑選用鞍山鵬程混凝土外加劑廠提供的NST防腐阻銹型防水劑,具有防腐阻銹、引氣和減水多種功能,試驗用水為當地自來水。

1.2 配合比設計

為了探究礦物摻合料摻量和類型對混凝土耐久性、抗分離性能以及工作性的影響,采用礦粉和粉煤灰等質量替代0%、20%、30%、40%、50%的水泥,固定膠砂比1∶1.35,水膠比0.3,NST防水劑摻量5%,初步確定試驗配合比如表1所示。

表1 試驗配合比

1.3 測試方法

1)工作性測試。依據《水工混凝土試驗規程》測定新拌混凝土的流動性,將拌和均勻的混凝土倒入試驗裝置測試其擴展度和坍落度。鑒于拌合物的高黏性特點,還需要測試其倒坍落度,主要流程如下:先倒置坍落度筒,再將底部封蓋并裝填混凝土,經抹平處理后沿豎直向抬升,控制距離地面高度約50cm時迅速打開底蓋,與此同時用秒表計時至混凝土全部流出,測定拌合物流出時間。

2)pH值和懸濁度測試。水泥水化使得混凝土內部呈堿性,混凝土水下分離會提高溶液堿性,可以通過測定水溶液的pH值反映混凝土水下抗分離能力,主要流程為:將75g水泥砂漿放入裝滿水的量筒內(水溶液2L、水面靜止),待水泥砂漿自由下落到筒底后觀察溶液的懸濁度,并立即取200mL上清水樣測定其pH值。

3)凝結時間。將礦物摻合料和防水劑摻入混凝土中可能會改變其凝結時間,必須參照試驗規范測定拌合物凝結時間。

4)耐久性能。將標養28d的試件取出,依據相關規范測試水下混凝土抗氯離子擴散性、抗凍性和抗滲性等耐久性能。測試加壓2.0MPa的試件滲透高度和干濕循環300次時試件的抗凍指標,依據現行規范采用高50mm×Φ100mm的圓餅試件測試其氯離子擴散系數,每組3個,氯離子擴散系數代表值取3個平均值。

5)抗壓強度。水下混凝土摻防水劑和礦物摻合料可能會降低其抗壓強度,有必要考慮摻合料對強度的影響作用[7]。依據相關規范測定邊長100mm立方體時間的7d、28d抗壓強度,每組3個,強度代表值取試驗3個平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 水下抗分離性能

1)工作性能。試驗測定單摻和雙摻粉煤灰、礦粉混凝土的工作性能如表2所示,結果表明各組混凝土含氣量處于合理范圍內,坍落度也符合拌合物高流動性要求。

表2 水下抗分離混凝土工作性

通過分析黏聚力可知,單摻礦粉組S1的和易性最差,黏度最高,混凝土完全流出需要較長的時間;單摻粉煤灰組S5的坍落度損失最小,和易性較好,這主要與粉煤灰的形態效應有效。在澆筑灌注樁時,雖然不考慮混凝土的可泵送性能,但也要防止因黏度過大附著于導管壁的情況,保證澆筑的順利進行。所以,摻入適量的礦粉和粉煤灰有利于改善拌合物的和易性,試配過程中要優先考慮摻合料雙摻,通過適當增大摻量確保拌合物具有一定黏聚性,以更好地滿足水下施工和不離析等要求。

經檢測含混凝土水溶液的pH值為8.51,這與海水8.0～9.5pH值相接近,且溶液透明度變化不明顯,說明在水體自由下落過程中所配制的混凝土具有較好完整度和抗離析性。研究表明,溶液pH值、懸濁度、泌水率、流動性和黏聚性等參數都與混凝土的水下抗分離能力有關[8]。根據以上試驗數據可知,雙摻粉煤灰與礦粉混凝土具備低pH值、低懸濁度、高黏度、高擴展度等特征,符合水下抗分離性能相關要求,究其原因是粉煤灰、礦粉的摻入改善了拌合物流動性和黏聚性,保證了混凝土工作性和水中不易分離的特性。

2.2 凝結時間

試驗測定單摻和雙摻粉煤灰、礦粉混凝土的凝結時間如表1所示。結果表明,凝結時間最短的是單摻礦粉組S1的9.2h,混凝土凝結時間隨粉煤灰摻量的增加而明顯延長,兩者存在正相關性。S2、S3、S4、S5組混凝土凝結時間依次為12.8h、13.5h、14.4h、14.8h,相較于S1組的9.2h提高了40.7%、48.4%、58.2%、62.6%。粉煤灰相比于礦粉的常溫反應活性較低,一般不會形成黏結強度,加之其特殊的顆粒狀結構形態,使用過程中具有一定的緩凝和延長凝結時間的效果。S2組凝結時間為12.8h,選用該組配合比能夠滿足施工操作時間和坍落度要求,而進一步延長凝結時間則難以保證混凝土強度。

2.3 抗壓強度

試驗測定單摻和雙摻粉煤灰、礦粉混凝土的7d及28d齡期抗壓強度如圖2所示。結果表明,單摻礦粉組S1的抗壓強度最高,雙摻粉煤灰與礦粉時混凝土強度隨粉煤灰相對摻量的增大逐漸下降。S1、S5組混凝土28d齡期強度為62.2MPa和47.7MPa,S5組相比于S1組強度下降23.3%,究其原因是粉煤灰逐漸替代反應活性較高的礦粉,從而降低了水泥基體的整體膠結能力。總體而言,各組混凝土28d強度均符合C35等級設計強度要求,即使強度最低組S5也達到了47.7MPa。

圖2 7d和28d抗壓強度

2.4 耐久性能

試驗測定單摻和雙摻粉煤灰、礦粉混凝土的耐久性能如圖3所示,結果顯示雙摻礦粉與粉煤灰可以明顯增強混凝土的耐久性。

(a)氯離子擴散系數

從圖3(a)可以看出,隨著雙摻比例的變化混凝土氯離子擴散系數表現出先減小后增大的趨勢,S2組試件的氯離子滲透系數最低為250×10-10m2/s,S3組試件的滲透深度最小為33mm,隨著雙摻比例的變化混凝土滲透深度也表現出先減小后增大的趨勢。這是由于摻入的粉煤灰和礦粉發揮著成核、火山灰以及填充效應,能夠更好地填充集料與水泥間的空隙,優化混凝土孔隙結構[9-10]。另外,隨著雙摻比例變化混凝土抗凍等級呈現出先上升后下降的變化特征,其中S2組抗凍性能最好,經300次凍融循環的成功率達到78%,礦物摻合料增強抗凍性的作用機理與抗氯離子滲透性相同。

2.5 經濟效益分析

從水泥與摻合料價格差的角度上分析水下抗分離混凝土成本,經市場調研礦粉和粉煤灰約為水泥價格的60%、40%,摻粉煤灰和礦粉相比于水泥具有一定價格優勢[11-13]。所以,為優化水下抗分離混凝土配合比可以雙摻礦粉與粉煤灰,摻量最高能夠達到50%。在不改變水膠比的情況下,雙摻粉煤灰與礦粉混凝土的材料成本低于純水泥混凝土,單位體積混凝土可以節約成本近40元,具有顯著的經濟效益。

3 結 論

通過試驗分析粉煤灰與礦粉摻量對水下抗分離混凝土性能的影響,研究成果為工程施工配合比的進一步優化調整和水下抗分離混凝土應用提供了數據支持,主要結論如下:

1)雙摻粉煤灰與礦粉能夠明顯提高混凝土黏聚性、流動性和抗分離性能,在一定程度上改善混凝土強度及其凝結時間,其中摻20%粉煤灰和40%礦粉組S2的整體性能較優,28d抗壓強度達到58.2MPa,該組混凝土凝結時間為12.8h。

2)雙摻粉煤灰與礦粉可以增大混凝土密實度,有效降低內部孔隙率,增強混凝土抗侵蝕和抗凍性能。隨著摻合料摻量的增加混凝土28d強度有所下降,但最低值也符合C35等級設計強度要求。

3)在不改變水膠比的情況下,雙摻粉煤灰與礦粉混凝土的材料成本低于純水泥混凝土,單位體積混凝土可以節約成本近40元,工程應用時具有顯著的經濟效益。