外加劑對水下不分散混凝土影響研究

孟麗麗

(營口市水利勘測建筑設計院,遼寧 營口 115000)

水下不分散混凝土是一種快速修復橋梁、港工、水工等涉水工程最常用的材料,與傳統混凝土相比主要通過增添絮凝劑來改善黏稠性,可以保證混凝土遇水不離析以及水泥不流失,以較強的抗分散性實現水中直接澆筑[1]。另外,由于具有免振搗、自密實和自流平特性,水下不分散混凝土能夠滿足水下施工要求,使技術工藝大大簡化,施工工期明顯縮短。對于修復水下混凝土結構這種材料表現出明顯的優勢,可解決水下異型、窄小、薄壁等特殊結構無法用普通方法修補的難題[2]。大量實踐表明,這種混凝土具有較快的坍落度損失,配合比設計和原材料品種對自密實及自流平影響較大,力學性能不穩定且強度較低,耐久性與體積穩定性較差,工程使用時還存在許多缺陷[3]。為了進一步改善水下不分散混凝土性能,許多學者開展了廣泛研究,如HORSZCZARUK等將大量粉煤灰摻入水下不分散混凝土,結果表明摻入40%粉煤灰時具有較小的強度損失和良好的工作性能;MUNOZ等研究發現摻入適量硅粉等摻合料能夠增強水下不分散混凝土強度和抗分散性;SAKUTA等認為將聚丙烯酸銨、戊二醛和絮凝劑加入混凝土中,既可以減少0.8%聚合物用量,改善拌合物抗分散性,對強度也不會造成不利影響;馮愛麗等通過綜合對比水下不分散混凝土性能受不同絮凝劑的影響發現,摻纖維素類小于摻丙烯類絮凝劑混凝土的28d強度,但具有更優的流動性;馮士明等認為丙烯和纖維素系列等具有緩凝作用的抗分散劑,有利于改善大體積混凝土施工性能;陳國新等對比了混凝土用水量、抗壓強度、流動度及其保持能力受不同類型減水劑的影響,結果顯示各項性能更優的是摻聚羧酸減水劑混凝土[4-6]。

目前,國內外研究主要側重于強度和抗分散能力方面,因流動性無法達到自密實最低要求,水下澆筑時通常需要配合導管泵送施工,并且隨透水層厚度和澆筑方式的改變水下成型硬化后的混凝土強度出現波動,實際工程推廣應用受限,無法進行水平長距離流動、渠道襯砌板之類大截面混凝土的水下施工[7-9]。鑒于此,文章將緩凝劑、氨基磺酸鹽系高效減水劑和水溶性高分子聚合物復配而成的外加劑摻入水下不分散混凝土,試驗分析其對拌合物流動性經時損失、混凝土黏聚性和可泵性的影響,為配制無需振搗、自密實和自流平入水混凝土,有效解決混凝土水下施工經時損失快、易離析和分散等問題提供技術支持[10]。

1 試驗方法

1.1 原材料

水泥:華新P·O42.5級水泥,經檢測主要性能指標符合《通用硅酸鹽水泥》有關要求,如表1所示。

表1 水泥的物理性能

骨料:花崗巖人工砂石骨料,人工砂細度模數2.8,石粉含量12.0%,表觀密度2660kg/m3,吸水率1.05%,碎石粒徑5～20mm,吸水率0.81%,表觀密度2680kg/m3,壓碎指標7.2%,針片狀含量4.6%,經檢測砂石主要性能指標符合《水工混凝土試驗規范》有關要求。

外加劑:試驗選用化學純三聚磷酸鈉、氨基磺酸鹽系高效減水劑和水溶性高分子聚合物復配而成的外加劑,拌和水用自來水。

1.2 測試方法

參照《水下不分散混凝土試驗規程》和《水工自密實混凝土技術規程》進行水泥膠砂流動度、混凝土坍落度和擴展度測試。依據《水工混凝土試驗規程》測定試件抗壓強度,主要流程如下:將150mm×150mm×150mm預成型試模放入相對濕度≥90%、溫度(20±2)℃標養室內的600mm×600mm×1600mm水池,控制試模距離水面約100mm,水溫(20±1)℃,從水面處將攪拌均勻的水下不分散混凝土澆入水中試模,該過程要保持連續投料,料量略高于試模,從水中取出放置5～10min,經自密實、自流平后使拌合物處于平穩。為了加快排水輕敲試模兩側,之后放入水中。初凝前利用抹刀刮去超量澆筑部分,靜置48h拆模放入水中標養至規定齡期測定其強度。

采用pH值法測定混凝土抗分散性,試驗流程如下:取2個燒杯加入質量相同的水,沿水面倒入質量相同的水下不分散水泥膠砂使其自由緩慢下落,燒杯靜置30min后利用吸管取適量清水,并立即用酸度計測試pH值。從另一燒杯開始放入水泥膠砂作為起始時間,每隔5min用酸度計測試一次水深2/3處的pH植,測試總時間30min,觀察含水泥膠砂水溶液的pH植變化規律。

2 結果與分析

2.1 水泥膠砂特性

1)經時損失與流動性。運輸和泵送是新拌水下不分散混凝土施工澆筑不可或缺的必要環節,流動度大小直接決定了可泵送程度。實踐表明,混凝土的流動狀態主要體現在膠砂流動度上,采用水泥膠砂流動度確定增黏劑、減水劑摻量和膠砂用水量,能夠科學準確地描述拌合物的流動性能。所以,流動度測試既有利于反映外加劑的抗分散性、黏聚性和保水性,還可以為合理設計水下不分散混凝土配合比提供指導依據。膠砂試驗配合比及其初始流動度如表2所示,經時損失變化特征如圖1所示。

圖1 流動度經時損失

表2 膠砂配合比及初始流動度

結果表明,S2組水泥膠砂初始流動度最高,這說明摻入一定的增黏劑可以改善流動性,但該組試樣也具有較大的流動度損失。初始流動度隨增黏劑摻量的增大逐漸下降,表明增黏劑能夠有效提高膠砂抗分散能能力和黏聚性。從攪拌均勻至2h內,經時損失最慢的是S5組水泥膠砂,表明摻入適量增黏劑能夠降低水下不分散水膠砂的流動度經時損失。這是因為加入增黏劑改善了砂漿黏聚性,其黏聚性隨摻量的增加而增強[11]。因水溶性高分子聚合物具有束縛拌和水的作用,保證了水泥漿水下不分散和不離析、不泌水性能。復摻一定量的增黏劑、緩凝劑和氨基磺酸鹽系減水劑發揮著協同作用,使水泥砂漿具有較小的流動度經時損失、較好的流動性以及較高的黏聚性。

2)抗分散性。抗分散性是反映水泥漿體能否分散到水中以及衡量增黏劑黏結能力的重要指標,故也稱為抗水洗能力。增黏劑是一種非離子型高分子聚合物,由于具有較長的鏈狀結構可以起到連接或搭接水泥顆粒的作用,使得顆粒之間的接觸表面發生明顯改變[12]。通過與拌和水及氫鍵結合,聚合物分子分散于水中形成非常黏稠的漿體,對骨料和水泥顆粒起到包裹作用,從而保證水泥漿體的抗分散性與黏聚性。采用酸度計測試砂漿入水后的pH值變化特征,如圖2所示。

圖2 水洗溶液pH值

結果顯示,未摻減水劑和增黏劑的S1組水泥砂漿環境水pH值最高,試驗5min時該組pH值為12,表明水泥具有較快的水化與分散速度,說明水下工程澆筑時一般不宜使用未摻增黏劑的混凝土。摻不分散劑的S2～S5組水泥砂漿環境水pH值基本維持在9以下,且pH值隨時間的延長整體未發生明顯改變,這說明從砂漿中分散到環境水的水泥量較少,溶液pH值受水泥水化的影響較低,該變化數據較好地證明了復配而成的外加劑具有較好的黏聚作用,增黏劑從0.4%增加到1.0%時環境水pH值基本不變,該摻量范圍符合相關規范要求。綜合考慮水下不分散混凝土的黏聚性、流動性和成本等因素,確定增黏劑的最優摻量區間為0.6%～0.8%。

2.2 水下不分散混凝土特性

水陸強度比是指在水下和空氣中成型的同組分混凝土相應齡期的強度比值,它是反映硬化混凝土性能的主要參數。水下不分散混凝土坍落度損失、水陸強度比及試驗配合比如表3、表4和圖3所示。

圖3 坍落度經時損失

表3 混凝土配合比及初始坍落度

表4 水陸強度比

結果表明,摻增黏劑的C1、C2組與不摻增黏劑的C3組水下不分散混凝土7d抗壓強度基本相同,28d抗壓強度略有增加,表明增黏劑的保水效應有利于提高水下不分散混凝土強度。水下澆筑與水上澆筑的C1、C2組混凝土7d強度比為73.4%和67.7%,28d強度比為77.2%、73.5%,符合現行規范要求。通過對比分析可知,摻入適量的增黏劑能夠提高水下澆筑混凝土強度。

根據經時損失和流動性試驗數據,擴展組較好的C1組混凝土其坍落度經時損失也較低,能夠保證運輸和泵送水下不分散混凝土有關要求,并且水下澆筑 C1組混凝土7d、28d強度高于C2組,說明在配制水下不分散混凝土時可優先選用C1組配合比。

2.3 水下不分散混凝土微觀結構

水上澆筑與水下澆筑的主要區別在于成型過程中拌合物是否受到周圍水的分散作用,這也是影響混凝土密實度的重要因素。水下澆筑會引起較大的強度損失,本試驗利用掃描電鏡分析水上和水下兩種澆筑成型方式標養28d的C1組混凝土孔結構,如表5所示。

表5 孔隙分析值

結果表明,雖然摻入外加劑能夠明顯降低水下澆筑時混凝土的分散程度,但水下澆筑大大高于水上澆筑的混凝土孔隙率,復配外加劑的摻入也大幅度提高了最頻孔徑。從細觀上,水上澆筑的混凝土水化比較充分,內部分布較多的凝膠,水泥基結構較為密實,而水下澆筑的混凝土內凝膠含量相對較少,針柱狀鈣礬石晶體分布于結構疏松的空隙中,外加劑的摻入使得混凝土孔隙率提高,這為Ca(OH)2晶體的生長提供了空間條件,對混凝土強度發展帶來不利影響。

3 結 論

1)摻入適量增黏劑能夠降低水下不分散水膠砂的流動度經時損失,這是因為增黏劑改善了砂漿黏聚性,且隨摻量的增加而增強。外加劑中的各組分發揮著協同作用,使砂漿具有較小的流動度經時損失、較好的流動性以及較高的黏聚性。綜合黏聚性、流動性和成本等因素,確定增黏劑的最優摻量區間為0.6%～0.8%。

2)摻入增黏劑與不摻增黏劑試件的7d強度基本相同,28d強度有所增加,表明增黏劑的保水效應有利于增強水下不分散混凝土力學性能,能夠保證運輸和泵送有關要求,并給出最優配合比。雖然摻入外加劑能夠明顯降低水下澆筑時混凝土的分散程度,但水下澆筑大大高于水上澆筑的混凝土孔隙率,對混凝土強度發展帶來不利影響。