基于水下不分散混凝土性能研究

于 壯

（莊河市水務行政執法隊，遼寧 莊河 116400）

從20世紀80年代成功研發以來，水下不分散混凝土在海洋和水庫大壩等中的應用越來越多，并達到較好效果[1-3]。從材料性能層面上，不分散混凝土相比于常規水下混凝土主要利用絮凝劑增強黏聚性，從而達到水下施工抑制膠材分離的作用。為滿足實際工程技術要求廣大學者開展了深入研究，如SONEBI等探討了混凝土抗分散性和高流動性受絮凝劑組成及濃度、配合比、膠凝材料的影響，結果顯示混凝土抗分散性直接取決于絮凝劑摻量，增加絮凝劑摻量能夠有效提高其抗水分散性；BAE等認為摻絮凝劑能夠明顯改善混凝土的抗水下離散性能與抗壓強度，并且可以降低水質污染程度；谷立楠等[4]分析了海水條件下混凝土性能受礦物摻合料的影響，結果表明海水養護不利于28d及后期強度發展，但能夠增大早期強度；孫振平等[5]探究了混凝土抗壓強度和抗分散性能受硅灰、消泡劑、高效減水劑、絮凝劑的影響規律，通過比較各項耐久性指標發現同強度等級下水下抗分散優于普通混凝土的耐久性；韋灼彬等[6]分析了消泡劑、減水劑、水灰比及絮凝劑對混凝土抗分散性的影響，并揭示出各因素的影響規律；劉明樂等[7]以硅灰和礦粉為變量，試驗發現摻硅灰與礦粉可以明顯增強混凝土抗分散性和強度；廖紹華等[8]研究了混凝土性能受絮凝劑摻量、珊瑚砂率、水泥用量的影響，結果顯示其水陸強度比隨絮凝劑、水泥用量的增加而提高，水泥的推薦摻量為235~285kg/m3，用水量受砂率影響較大；張鳴等[9]探究了水下不分散混凝土抗氯離子侵蝕性、抗分散性、流動性能與礦渣粉、粉煤灰摻量之間的關系，結果發現復摻礦渣粉與粉煤灰能夠明顯增大氣力學和抗分散性，并減小拌合物流動性。因此，現有研究主要側重于力學性能分析，研究不分散混凝土在新澆筑未硬化狀態下的和易性以及抗分散性、抗滲性的還較少。鑒于此，文章通過配合比設計，試驗探討了水下不分散混凝土受不同膠材組成的影響，并考慮試驗數據提出最優配合比，以期為水下不分散混凝土的推廣應用提供一定支持。

1 試驗方案

1.1 配合比設計

充分考慮水下不分散混凝土的施工和易性、抗滲性、自密實性、耐久性、抗分散性以及抗壓強度等要求[10-12]，根據實際要求和設計流程確定S、F兩種配合比，試驗配合比，見表1。其中F配比中膠材以絮凝劑、膨潤土、摻合料和高水速凝材料等為主，S配比中膠材以防滲補漏材料、絮凝劑、膨潤土、摻合料及水泥等為主，J組為基準對照普通混凝土。砂為Ⅱ區天然河砂，細度模數2.7；碎石為連續級配花崗巖碎石，粒級5~25mm。

表1 試驗配合比

1.2 測試方法

參照《水下不分散混凝土試驗規程》中的方法測定水下抗分散性、和易性、力學性能、彈性模量及抗滲性能，其中抗分散性選用pH值及膠材流失率指標來衡量，力學性能選用14d、28d水下和陸上抗壓強度來衡量。

2 結果與分析

2.1 水下抗分散性

在混凝土中加入絮凝劑能夠有效減少膠材流失量，在水中自由下落過程中的流失量也比較小，而未摻絮凝劑基準對照組的膠材流失較大[13-15]。為評價水下抗分散性選用水中自由落下時混凝土引起水的pH值變化量來衡量，膠材流失率和水的pH值，見表2。由表2可知，F組、S組水下不分散混凝土的膠材流失率相較于基準對照組J明顯減少，pH值也明顯低于基準對照組，這是因為流失的膠材越少對水的pH值增大作用越低，說明絮凝劑能夠有效防治水體渾濁和水質污染。

表2 膠材流失率和水的pH值

2.2 拌合物和易性

不分散混凝土具有流動性大、可塑性好及黏稠度高等特征，水流流動條件下也可以獲取均勻的材料。因此，研究選用坍落度反映拌合物的流動性，控制各配合比拌合物坍落度處于400~450mm之間。將絮凝劑摻入混凝土中能夠保證材料的保水性，有效減少浮漿和泌水的發生，試驗測定各配合比拌合物的泌水率和黏度，拌合物黏度、泌水率和凝結時間，見表3。由表3可知，摻絮凝劑組未出現泌水現象，特別是F組未發現泌水情況。

表3 拌合物黏度、泌水率和凝結時間

在外力作用下可以選用黏度(MPa·s)反映材料的抗黏性變形能力，將黏度按照設計要求控制在0.1~0.5MPa·s之間，該值越大代表黏度越高，同時黏度越大流動性越差，越不利于施工。結合表3可知，黏度處于控制范圍內能夠滿足水下不分散混凝土施工要求。

2.3 抗壓強度特征

為了反映水下不分散混凝土強度特征通常選用水下和陸上成型強度比（f水下/f陸上）來衡量，按水中材料質量管理要求14d齡期的水陸強度比不宜＜60%，28d齡期不宜＜70%，硬化試件的水陸強度比，見表4。由表4可知，水下和陸上成型強度相差較小均能符合設計要求。

表4 硬化試件的水陸強度比

水下不分散與基準對照組的強度相同均滿足水灰比定則，陸上成型條件下普通與水下不分散試件強度基本一致，而水下成型條件下普通明顯低于水下不分散混凝土強度。這是因為未摻絮凝劑混凝土的早期強度發展較慢，而后期發展較快，絮凝劑的摻入加快了早期強度發展速度，對后期強度的影響不大。

2.4 彈性模量測試

一般地，強度越高則混凝土的彈性模量越大，并且彈強比越小，彈強比隨混凝土容重的減小逐漸下降，試驗測定各組試件的彈性模量，硬化試件的彈性模量值，見表5。由表5可知，其彈性模量隨抗壓強度的提高而增大，并且彈強比隨齡期的延長而減小。通過對比分析配合比可知，水下不分散混凝土中的濟寧材料用量相對越多其彈強比就越小，摻入的膨潤土用量越多其彈強比也越小。另外，摻入過多的鵬潤會導致澆筑過程中拌合物黏性過高，在水下施工過程中不利于澆筑材料的自流平密實。所以，為保證混凝土力學性能和澆筑的施工特性應合理選用膨潤土摻量。基于上述情況，F組混凝土使用的膠材用量耕讀，相應的容重也就越小，但由于試驗齡期過短，可以推測各配合比水下不分散混凝土的彈強比會碎腭齡期的延長進一步的下降。

表5 硬化試件的彈性模量值

2.5 抗滲性能

水下不分散混凝土應保證一定的抗滲能力和抗變形性能，測試14d和28d齡期各配合比試件的抗滲性，硬化試件的抗滲等級，見表6。結果顯示，14d齡期時水下不分散混凝土能夠達到S4級抗滲要求，28d齡期時可以達到S6即抗滲要求，摻絮凝劑可以明顯改善混凝土的抗滲性。

表6 硬化試件的抗滲等級

以往施工的優劣狀況直接決定了水下混凝土的質量情況，其技術要點就是避免外界水與混凝土的接觸。因此，必須結合實踐經驗反復論證施工方案，并嚴格規范施工過程。水下不分散混凝土主要是改善混凝土的自身性能，即使在未硬化情況下遇水沖刷也不會導致材料的分離，并且保證水下均勻澆筑。通過調整配合比和選用合適的澆筑設備，可以使混凝土在水中自由下落，有利于工期控制和施工操作。水下不分散混凝土對于難以使用普通混凝土、有搶險救災等緊急工程以及防止水質污染的施工具有較好適用性，現已被廣泛用于水下構筑物澆筑施工。

3 結 論

由于具有優越的性能水下不分散混凝土逐漸引起人們的關注，并已被廣泛應用于水下灌注樁、船塢碼頭、防波堤、海底隧道和跨海大橋等工程，如何配制性能抗分散性、流動性、力學性能以及抗滲性綜合最優的混凝土已成為當前研究的熱點。因此，文章通過配合比設計探討了不同膠材組成對其力學性能的影響，該試驗配合比能夠保證水下不分散混凝土高塑性低彈模、高水下抗分散性、良好流動性和黏稠度等特點，施工方便且經濟可行，可以為水下不分散混凝土配制及其推廣應用提供一定技術支持。