水下不分散混凝土力學性能及抗凍融性能研究

孟麗麗

(營口市水利勘測建筑設計院,遼寧 營口 0115000)

水下不分散混凝土是一種將水溶性高分子抗分散劑摻入普通混凝土中,從而提高拌合物的黏聚力,防止水泥流失及拌合物離析、分散的新型材料,溶于水后抗分散劑受高分子長鏈的橋架作用具有一定黏稠性,可以形成相互連接成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[1]。自20世紀90年代被研發(fā)以來,水下不分散混凝土被廣泛用于市政、煤礦、橋梁、隧洞和電站建設等領(lǐng)域[2-5]。但在實際施工時水下混凝土容易出現(xiàn)冷縫、水泥沖蝕和離析等問題,對其力學及抗凍融性能具有較高的要求。同時,由于具備自密實、免振搗和自流平特性,能夠滿足水下施工要求,使技術(shù)工藝大大簡化,施工工期明顯縮短。對修復水下混凝土結(jié)構(gòu)這種材料表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,可以解決水下異型、窄小、薄壁等特殊結(jié)構(gòu)無法用普通方法修補的難題。

工程實踐表明,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(wěn)定且強度較低,耐久性與體積穩(wěn)定性較差,工程使用時還存在許多缺陷[6]。為改善水下不分散混凝土性能,國內(nèi)外學者開展了廣泛研究,如馮愛麗等[7]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(fā)現(xiàn),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(yōu)的流動性;MUNOZ等研究表明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;SONEBI M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;陳國新等[8]對比了混凝土用水量、抗壓強度、流動度及其保持能力受減水劑類型的影響,結(jié)果表明各項性能更優(yōu)的是摻聚羧酸減水劑試件;HORSZCZARUK等[9]將大量粉煤灰摻入水下不分散混凝土,結(jié)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;馮士明等[10]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。

因此,現(xiàn)有研究主要側(cè)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(xiàn)波動,實際工程推廣應用受限。鑒于此,文章利用外加劑及原材料優(yōu)選試驗設計了9種配合比,在保證強度要求的情況下探究水下不分散混凝土抗凍融性能,以期為保證水下不分散混凝土的長效安全使用及其抗凍融侵蝕能力提供一定參考。

1 試驗方案

1.1 試驗配合比

水泥選用沈陽冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級水泥,粉煤灰使用黑龍江火電公司提供的磨細Ⅱ級粉煤灰,S95型礦粉和硅灰采購于大連金橋超細粉有限公司;砂為四寨子砂場天然中砂,碎石為鐵嶺鵬程石料有限公司生產(chǎn)的花崗巖碎石,最大粒徑25mm,拌和水用實驗室自來水;外加劑選用ZB-1A緩凝高效減水劑、DH9引氣劑和HYB聚丙烯酰胺類水下不分散劑。通過外加劑試配及原材料優(yōu)選試驗確定配合比,水下不分散混凝土試驗配合比,見表1。

1.2 力學性能

參照《水下不分散混凝土試驗規(guī)程》和優(yōu)選的9種配合比(表1)分水下和水上配制成型邊長150mm立方體標準試塊,標養(yǎng)至規(guī)定齡期后按《水運工程混凝土試驗規(guī)程》測定各組試塊的抗拉及抗壓強度。試驗測定水下和水上兩種成型試塊的7d、28d、90d齡期抗壓強度以及28d、90d齡期的抗拉強度。

1.3 抗凍融性能

在7d、28d齡期水上與水下強度比滿足>65%和75%的考核目標下,參照《水下不分散混凝土試驗規(guī)程》按硫酸鹽腐蝕、海水、淡水3種介質(zhì)和優(yōu)選的9種配合比,配制成型400mm×100mm×100mm的27組抗凍融標準試件,按照《水運工程混凝土試驗規(guī)程》測定標養(yǎng)至28d時各組試件的抗凍融性能,設定試驗終止條件為凍融循環(huán)250次。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學試驗分析

對于達到規(guī)定齡期的試塊按照試驗規(guī)程測定其力學性能,力學試驗數(shù)據(jù),見圖1。結(jié)果表明,試驗優(yōu)選的9種配合比均滿足7d、28d齡期水下與水上強度比>65%和75%的要求,說明各試驗配合比能夠達到強度考核目標要求。

2.2 抗凍融試驗分析

研究分析不同配比試件的相對動彈模量和質(zhì)量損失率變化規(guī)律,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加9種配合比水下成型試塊的抗凍融性能變化規(guī)律,抗凍融試驗數(shù)據(jù),見圖2。結(jié)果表明,9組水下不分散混凝土在不同介質(zhì)水中均能夠達到F250抗凍等級,水下混凝土中摻入優(yōu)質(zhì)活性摻合料能夠有效改善其抗凍性能,尤其是雙摻硅灰與礦粉可以顯著提升試件的抗凍性[11]。

(a)質(zhì)量損失率 (b)相對動彈模量

2.3 腐蝕介質(zhì)的影響

結(jié)合試驗數(shù)據(jù),研究分析在1500mgL的SO42-腐蝕性鹽、海水、淡水介質(zhì)中隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加不同配合比水下成型試件的相對動彈模量和質(zhì)量損失率變化特征規(guī)律,不同腐蝕介質(zhì)的試塊質(zhì)量損失率,見圖3,不同腐蝕介質(zhì)的試塊相對動彈模量,見圖4。

(c)JKS組

(a)J-0組 (b)JFS組

(c)JKS組

結(jié)果表明,在淡水和海水介質(zhì)中水下混凝土的抗凍性能未表現(xiàn)出明顯差異,說明水下不分散混凝土抗凍融性能受淡水和海水介質(zhì)的影響差異較低。試驗配制的硫酸鹽侵蝕性介質(zhì)為SO42-含量1500mg/L的溶液,凍融循環(huán)達到300次時水下混凝土受硫酸鹽的侵蝕作用較低,硫酸鹽的冰點降低作用反而會增強抗凍性能[12]。所以,凍融循環(huán)次數(shù)較少時硫酸鹽并未充分發(fā)揮對水下不分散混凝土的腐蝕作用。總體而言,凍融循環(huán)次數(shù)≤300次時水下不分散混凝土在各介質(zhì)水中的抗凍融性能相差不明顯。

3 結(jié) 論

水下不分散混凝土就是將水溶性高分子抗分散劑摻入普通混凝土中,從而提高拌合物的黏聚力,防止水泥流失及拌合物離析、分散,這種技術(shù)大大簡化了水中施工程序,解決了水下澆筑時存在的缺陷和不足,促進了水下混凝土的發(fā)展和應用,主要結(jié)論如下:

1)試驗優(yōu)選的9種配合比均滿足7d、28d齡期水下與水上強度比>65%和75%的要求,說明各試驗配合比能夠達到強度考核目標要求。各組水下不分散混凝土在不同介質(zhì)水中均能夠達到F250抗凍等級,水下混凝土中摻入優(yōu)質(zhì)活性摻合料能夠有效改善其抗凍性能,尤其是雙摻硅灰與礦粉可以顯著提升試件的抗凍性。

2)凍融循環(huán)次數(shù)≤300次時水下不分散混凝土在各介質(zhì)水中的抗凍融性能相差不明顯,文中所用配合比能夠保證水位變動區(qū)混凝土抗凍性和抗拉壓強度要求。