復雜環境下水下不分散混凝土試驗分析

謝 芳

(葫蘆島市水利事務服務中心,遼寧 葫蘆島 125000)

實踐表明,水工混凝土性能直接決定著水下工程施工進度和建設質量。所以,工程技術領域越來越注重水下混凝土施工技術及性能的研究。如果在水中直接進行澆筑,當混凝土下落過程中會受到水力沖刷作用引起漿體與骨料的分離,漿體懸浮或隨水流流失,在水泥下沉時已凝結硬化失去膠結骨料作用[1-3]。將混凝土拌合物直接澆筑到水中時,通常會形成一層水泥渣和砂、礫石骨料,難以保證水下工程使用要求。水下澆筑時以往都要創造水隔離條件,為了降低水的不利影響還要保證連續澆筑施工,在凝結硬化后對強度不達標的部位進行清除處理。工程中常用的方法主要分為2類:①創造圍堰排水干地條件,這種方法具有早期周期長、投資成本高和工程量大等問題,施工方法與陸地基本一致;②使用專業設備將環境與隔離,采用開底容器法、模袋法、預填骨料灌漿法和導管法等直接將混凝土拌合物送到水下工程部位。然而,受水流沖刷作用混凝土拌合物極易產生離析、水泥材料流失和質量強度降低的缺陷,并可能引起一定的環境污染[4]。最大程度地避免與水的接觸是常規澆筑應控制的核心,這會明顯提高工程成本,延長工期,大大增加施工難度,并且很難保證水下澆筑施工質量。隨著水下結構特別是海洋深水工程的建設發展,對水下施工、澆筑質量提出了更高的要求[5]。因此,通過優化改性傳統的混凝土使其能夠解決以上問題就顯得非常必要。

從20世紀70年代國內外學者廣泛探究了水下混凝土性能,通過改變組分使其具有水下不分散的能力,以此保證構件強度質量。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[6-9]。這種技術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展和應用,被稱為新一代理想混凝土。因此,為進一步增強水下不分散混凝土抵抗各種鹽離子侵蝕的能力,文章通過優選礦物摻合料、外加劑和原材料設計4種配合比,試驗探究了海水、淡水、陸上環境對其力學性能及抗氯離子滲透性的影響作用。

1 試驗配合比

通過合理設計配合比保證水下不分散混凝土達到抗分散性、流動性、耐久性和抗壓強度等要求,試驗設計混凝土配合比如表1所示。

表1 試驗配合比

其中,在載體作用下防水劑內部活性化學物質不斷滲透到混凝土中,經一系列復雜的化學反應生成難溶于水的結晶,可以將細微孔道堵塞,以此提高整體防水和致密性;絮凝劑(抗分散劑)是一種能夠增大新拌混凝土黏聚性,有效抑制水下澆筑時骨料離析和水泥漿流失的外加劑,這種絮凝劑與聚羧酸高效減水劑具有較好的兼容性[10]。

2 水下不分散混凝土試驗

2.1 力學性能

試驗設計陸上A、淡水B和海水C三種成型養護方式,參照《水下不分散混凝土試驗規程》測定各組時間不同齡期的抗壓強度,測試數據見圖1、圖2。

(a)S1組 (b)S2組

從圖1可以看出,海水成型和淡水成型均低于陸上成型各組配合比水下不分散混凝土的抗壓強度。這是由于雖然抗分散劑的摻入可以提高抗水洗能力,但拌合物在水下澆筑成型時與水接觸,部分水泥漿受到水沖洗作用依然會流失,從而減少水化產物量使水泥基體更加多孔疏松,對混凝土強度造成不利影響。另外,通過對比分析海水與淡水成型試件的強度可知,海水成型高于淡水成型混凝土的強度,但是低于淡水成型混凝土的后期強度。這是由于海水中溶解了大量的鎂鹽、氯鹽和硫酸鹽等,這些鹽分能夠增強水泥對水分的吸附能力,促進了水化和早期強度的快速提高。氯鹽可以與水泥礦物組分C3A及Ca(OH)2水化產物生成不溶性的氯鋁酸鈣復鹽、氫氧化鈣復鹽,這些復鹽的存在使得液相中的Ca(OH)2濃度降低,對水化起到正向促進作用。氫氧化鈣能與硫酸鹽作用生成石膏,它與水泥熟料的反應速度相比于水泥組分中的石膏更快,硫酸鹽能與C3A生成AFt。這些AFt和氯鋁酸復鹽會使體積變大,從而提高水泥石結構密實度及海水養護成型混凝土的早期強度[11]。淡水養護環境下,28d以后水泥持續水化,相應的強度也不斷提高,而海水養護環境下還會受到氯鹽、鎂鹽和硫酸鹽等鹽分的侵蝕,相比于淡水環境其強度增速變慢。

圖2 海水環境下各齡期強度

從圖2可以看出,養護齡期達到28d以后,強度最高的是摻硅灰混凝土組,其次是摻防水劑和沸石粉混凝土組,而摻礦粉和粉煤灰混凝土組強度最低。

2.2 抗氯離子滲透性

試驗將澆筑尺寸300mm×100mm×100mm的試件放入陸上A、淡水B和海水C環境中進行養護,即選用淡水養護箱養護淡水和陸地成型試件,使用海水養護箱養護海水成型試件,各試件均為豎直擺放。養護過程中將混凝土試塊劃分成三部分,從下到上依次設置為水養護(下段)、24h干濕交替養護(中段)和空氣養護(上段)。養護至規定齡期后取出試件,然后利用切割機沿3種養護方式從上到下分別取出50mm×100mm×100mm的中間切片,應用配套的智能真空飽水機和氯離子擴散系數快速測定儀測定相應的數據,結果如圖3、圖4。

(a)S1組 (b)S2組

從圖3可以看出,對于不同配合比抗氯離子滲透性最高的是水中養護部分,其次是干濕交替養護部分,而空氣養護部分最低。養護方式相同的情況下,混凝土抗氯離子滲透性受養護方式的影響存在一定差異,具體表現為陸上成型小于淡水成型小于海水成型混凝土的滲透系數。

圖4 海水環境下氯離子滲透性

從圖4可以看出,總體上氯離子滲透性最小的是摻防水劑混凝土組,其次是摻沸石粉和硅灰混凝土組,氯離子滲透系數最大的是摻粉煤灰和礦粉混凝土。與水接觸后,在載體作用下防水劑中的活性化學物質不斷滲透到混凝土中,經一系列復雜的化學反應生成難溶于水的結晶,這可以將細微孔道堵塞,以此提高混凝土抗滲性、致密性和整體耐久性[12]。

水化產物與礦物摻合料反應生成可以增強混凝體吸附和結合氯離子能力的硅酸鈣凝膠,并且混凝土中的孔隙可以被未反應的細小摻合料顆粒以及生成的水化硅酸鈣凝膠填充,改善和優化水泥基體孔隙結構,大大降低內部孔隙率及孔徑大小[13-15]。因此,混凝土中摻入一定的礦物摻合料能夠有效降低氯離子滲透系數。結合試驗數據可知,氯離子滲透系數最大的是空氣養護、海水成型和摻粉煤灰及礦粉組混凝土,但按照滲透性評價標準依然達到Ⅲ級中等水平,劃分標準為:混凝土氯離子擴散系數>1000×10-14m2/s、500～1000×10-14m2/s、100～500×10-14m2/s、50～100×10-14m2/s、10～50×10-14m2/s、5～10×10-14m2/s,所對應的評價標準為Ⅰ級(很高)、Ⅱ級(高)、Ⅲ級(中)、Ⅳ級(低)、Ⅴ級(很低)、Ⅵ級(極地)和Ⅶ級(可忽略)。

3 結 論

1)海水成型和淡水成型均低于陸上成型各組配合比試件的強度,且海水成型大于淡水成型試件的早期強度,但是低于淡水成型混凝土的28d和56d(后期)強度。海水中溶解了大量的鎂鹽、氯鹽和硫酸鹽等,這些鹽分能夠增強水泥對水分的吸附能力,從而促進水化和早期強度的發展;淡水養護環境下,28d以后水泥持續水化,強度也不斷提高,而海水養護環境下還會受到氯鹽、鎂鹽和硫酸鹽等鹽分的侵蝕,相比于淡水環境其強度增速變慢。

2)對于不同配合比抗氯離子滲透性最高的是水中養護部分,其次是干濕交替養護部分,而空氣養護部分最低。養護方式相同情況下,陸上成型小于淡水成型小于海水成型混凝土的滲透系數。

3)海水成型時,總體上氯離子滲透性最小的是摻防水劑混凝土組,其次是摻沸石粉和硅灰混凝土組,氯離子滲透系數最大的是摻粉煤灰和礦粉混凝土。混凝土中摻入一定的摻合料既有利于改善和易性,還可以增強其強度和耐久性能。