低流态水下不分散混凝土制备及性能研究

王义恒，黄劲，祝文凯，景晓光，陈超

（华新水泥股份有限公司，湖北 武汉 430070）

低流态水下不分散混凝土制备及性能研究

王义恒，黄劲，祝文凯，景晓光，陈超

（华新水泥股份有限公司，湖北 武汉 430070）

本文通过调整胶凝材料用量及水胶比制备了水下不分散混凝土，并研究了这两个参数对混凝土性能的影响。结果表明，胶凝材料用量和水胶比均不同程度影响混凝土的工作性能、力学性能及抗分散性能；通过控制胶凝材料用量400kg/m3及水胶比0.45可制备出整体性能最佳的 C20水下不分散混凝土。

水下不分散混凝土；工作性能；力学性能；抗分散性能；水陆强度比

水下不分散混凝土（underwater anti-washout concrete, UWC）作为高性能混凝土的一种，常用于工程的水下基础部分。其可在水下直接浇注成型，无需辅助振捣，并且能抵抗一定的水流冲刷扰动，在水中硬化后具备优良的力学性能，适合于施工条件复杂的水下环境，节省了围堰及支模等多道施工工序[1]，因此可以大幅降低施工周期及工程造价。UWC 在国外使用相当普遍，并被予以“新一代水下工程材料”[2]。但在国内，其多用于重点控制工程，尤其是桥梁承台的封底及水下护坡等非结构主体部分，并且往往单方成本远高于同强度等级的普通混凝土，这也限制了其在一般工程中的推广应用。

UWC 的抵抗水流扰动冲刷的关键是絮凝剂[3]，目前国内使用的主要是中国石油集团工程技术研究院生产的 UWB-Ⅱ型絮凝剂，但其掺入后会显著降低混凝土的工作性能及力学性能[4]，为满足水下自密实需求，目前工程往往通过增加胶凝材料用量及水胶比来改善 UWC的工作性能[5]，并且 UWC 胶材用量常高达500kg/m3，这也是 UWC 成本高的主要原因之一。UWC 通常使用普通混凝土的评价方法来判断其工作性能，即以新拌混凝土的坍落度和30s 扩展度来表示，但和普通混凝土不同的是，UWC 是在水环境下浇注成型，即浇注过程中混凝土会接触额外的用水量，其工作性能得以间接改善，从而低流态 UWC 也可能达到水下自密实效果。本文基于此思路，通过控制水泥掺量及用水量，探讨低流动性水下不分散混凝土在水下浇注成型后的性能。

1 试验

1.1 原材料

（1）胶凝材料：湖北华新堡垒牌 P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥的物理力学性能如表1所示。

（2）集料：天然河砂，细度模数2.7；华新骨料公司5～20mm 连续级配的石灰岩碎石，压碎值11%。

（3）外加剂：中国石油集团工程技术研究院生产的 UWB-Ⅱ 型絮凝剂，掺量2.5%；江苏中铁奥莱特聚羧酸高性能减水剂，减水率28%，固含量18%。

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土配合比

UWC 配合比如表2所示，组1～5研究胶凝材料用量对 UWC 性能的影响，组2、组6和组7研究用水量对 UWC 性能的影响。

表1 水泥的物理力学性能

表2 U WC 配合比

1.2.2 U WC制备与成型

UWC 的性能测试及成型参照 GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和 DL/T5117—2000《水下不分散混凝土试验规程》，每组混凝土搅拌30L，水下浇注成型3组试件，尺寸为100mm×100mm×100mm，浇注方式如图1所示，试模顶距水面15cm，混凝土从水面直接一次浇注成型，成型后带模从水中取出，轻敲试模以排出混凝土内部的水，试件收面后立即置于水中养护，2d 后拆模并在水中养护。作为对照，陆上成型2组试件，尺寸为100mm×100mm×100mm，2d 后脱模并在水中养护；作为对照，每组混凝土同批次成型3组试件，试件在陆上成型，轻敲以辅助密实，室内养护1d 后置于水中养护，2d 后拆模并在水中养护。

1.2.3 性能测试

（1）工作性能，以坍落度筒测混凝土出锅后的坍落度及扩展度，并测定砂浆部分（UWC 过10mm 方孔筛）的凝结时间。

（2）力学性能，水下及陆上成型试件均测定3d、7d 及28d 抗压强度，计算对应龄期的水下及陆上成型试件强度比。

（3）抗分散性能，以水陆强度比、水泥流失量及水的 pH 值共同评价[6]，其中水泥流失量即为混凝土入水后的质量损失，将一定质量的 UBW 从50cm 高度差倒入水中，倒空容器内水后，测试并计算混凝土入水前后的质量变化；UWC 入水后水的 pH 值以 pH 计测得，每次测定后更换容器中的水。

图1 U WC 浇注成型及性能测试

2 试验结果及分析

试验结果如表3所述，包括 UWB 的工作性能和抗分散性能。

2.1 混凝土工作性能

从图2所示的 UWC 流动性变化可以看出，W/C=0.5时，随着胶材用量的增加，混凝土的流动性略微增加，但并不显著；而在400kg/m3胶材用量下，随着水胶比的增加，混凝土流动性显著改善，即掺入絮凝剂后，水胶比是影响混凝土流动性的主要因素，这也说明了制备 UWC 时适当降低胶材用量是可行的。

同样，从图3所示的混凝土凝结时间变化可以看出，UWC 的终凝时间均较长，均在24h 以上，而降低胶材用量及水胶比均能不同程度缩短 UWC 的凝结时间，对于 WUC 的施工是有利的。

表3 试验结果

图2 混凝土流动性变化

图3 混凝土凝结时间变化

2.2 混凝土的抗分散性能

UWC 的抗分散性能主要由混凝土入水后质量损失率、水的 pH 值变化以及水陆强度比等参数共同评价。从图4所示的混凝土入水后的质量损失率与水的 pH 值变化可以知，随着胶凝材料用量的增加，UWC 的质量损失率呈增加趋势，即胶凝材料用量越大，UWC 的抗分散性能越差，并且 pH 值的变化规律与质量损失率相一致；而随着水胶比的降低，UWC 的质量损失率呈显著降低趋势，pH 值也呈降低趋势。故降低胶材用量和水胶比均有利于改善混凝土入水时的抗分散性能。

虽然在500kg/m3胶材用量及0.5水胶比下混凝土具有较佳的流动性，但入水后混凝土分散最明显，这由于UWC 可分散部分主要是水泥浆体部分，胶凝材料用量增大时，可分散部分的总量增加，抗分散性能变差；水胶比增大，混凝土浆体的粘度降低，抗分散性能同样变差[7]，故考虑质量损失率及水的 pH 值，低胶材用量及低水胶比 UWC 的抗分散效果最佳。

图4 混凝土质量损失率与水的 p H 值变化

图5 混凝土强度及水陆强度比变化

从图5所示的混凝土强度及水陆强度比可以得出，各组 UWC 早期陆上强度（3d 及7d）相差均不是很明显，主要是由于絮凝剂对混凝土的缓凝作用所致，使得混凝土的早期强度普遍比较低；UWC 的早期水下强度随着胶材用量增加及水胶比的降低均略微增加，故早期水陆强度比呈现出与水下强度的变化趋势相同。UWC的28d 强度则与早期强度变化规律相差较大：28d 陆上强度及水下强度均随着胶材用量的增加而显著增加，但水陆强度比却呈先增加后降低的趋势，400kg/m3胶材用量下28d 水陆强度比为0.76，主要是在相同水胶比下，陆上强度随胶材用量增加更明显所致；而随着水胶比的降低，28d 陆上强度和水下强度均呈先增加后降低的趋势，而水陆强度比却呈增加的趋势，0.40水胶比下达到最高，水陆强度比为0.81。

综合考虑水后质量损失率、水的 pH 值变化以及水陆强度比等三个因素，400kg/m3和0.40水胶比下混凝土的抗分散性能最佳；但考虑到0.45水胶比下混凝土的水下强度更佳，而抗分散性能相差也不大，故选择改组作为水下不分散混凝土的最佳配比，混凝土强度等级可达 C20。

3 结论

（1）降低胶材用量不会显著影响 UWC 的流动性，但降低水胶比会显著降低 UWC 的工作时间，二者均能缩短 UWC 的凝结时间。

（2）降低水胶比均有利于提高混凝土的陆上和水下强度，以及水陆强度比；降低胶材用量及水胶比均能改善 UWC的抗分散性能。

（3）通过控制胶材用量400kg/m3，水胶比0.45可制备出性能较佳的 UWC，水下成型强度等级可达C20，混凝土抗水分散性能较佳。

[1] 赵晶，王进，吴会军．水下不分散混凝土在海水环境下强度发展特性[J]．混凝土，2015(8)：31-34．

[2] 王进京．水下不分散混凝土性能研究[D]．大连：大连交通大学[A]，2015．

[3] 张鸣，陈龙修，周明耀，等．絮凝剂及辅助剂对水泥净浆流动性的影响研究[J]．混凝土，2017(2)：66-68．

[4] 林鲜，陈凌华，周伟，等．UWBⅡ型水下不分散混凝土絮凝剂的性能研究[J]．混凝土，2006(4)：52-53．

[5] 王文忠，韦灼彬，唐军务，等．水下不分散混凝土配合比及其性能研究[J]．中外公路，2012,32(1)：265-267．

[6] Heniegal A. M., Maaty A. A. E. S., Agwa I. S. Simulation of the behavior of pressurized underwater concrete[J]. Alexandria Engineering Journal,2015,54(2)：183-195.

[7] 郭自利，周鼎，裴正南．水下浇筑混凝土用抗分散剂试验研究[J]．混凝土，2017(4)：122-125．

［通讯地址］湖北省武汉市光谷大道国际企业中心华新水泥（430070）

Study on preparation and performance of underwater anti-washout concrete

Wang Yiheng, Huang Jin, Zhu Wenkai, Jing Xiaoguang; Chen Chao
(Huaxin Cement Co., Ltd., Wuhan 430070)

Underwater anti-washout concrete was prepared with different cementitious materials content and water to binder ratio, and its inf l uence on properties of concrete were studied. Results show that, both cementitious materialscontent and water to binder ratio affect the working performance, mechanical properties and anti-washout resistance of concrete in different degree. C20grade underwater anti-washout concrete with good properties was prepared with cementitious materials content of400kg/m3and water to binder ratio of0.45.

underwater anti-washout concrete; working performance; mechanical properties; anti-washout resistance; relative compressive strengths

王义恒（1983—），硕士，工程师，主要从事混凝土及特种砂浆方面的研究工作。