改良水下不分散混凝土在水利工程中的应用研究

武纪刚

(临沂市水利水电工程建设监理中心，山东 临沂 276300)

在我国大型水利工程中，由于输水渠道长期处于工作状态，加上受区域地质构造运动或人类活动的影响，水利渠道难以避免出现磨损、损害[1- 3]。因此，如何利用现有材料对混凝土进行改进使得其能够适用于水利管道的水下修补工作，是水利工程修复工作中的一个难题[4- 5]。刘岩等[6]依托内蒙古某电站水库库底沥青混凝土防渗面板修复工程，通过深入调查提出了水下沥青混凝土裂缝修复方法，该方法有效地解决了沥青混凝土面板局部裂缝及渗水的问题。赵同峰[7]采用低需水量的絮凝剂，添加触变剂及减水剂，并通过引入早强组分，得到了高黏结性C50水下絮凝混凝土最优配合比，该方法在水下混凝土加固工程具有良好的应用。

上述研究均未能指出在输水渠道进行破损混凝土修复的方法，因此，文章基于室内试验，通过设计不同硅粉掺量的水下混凝土工程性能检测试验，得出最佳配比，以期为工程实际应用提供一定的指导作用。

1 试样制备与试验方案

1.1 混凝土配比设计

本次试验的研究对象为不同配比的水下不分散混凝土，主要材料为水泥、硅粉、粉煤灰、骨料及外加剂。其中，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，硅粉材料满足GB/T 18736—2017《高强高性能混凝土用矿物外加剂》[8]的相关要求，骨料采用人工砂石骨料，平均密度为2.65g/cm3，外加剂采用高效减水剂。硅粉掺量分别为0%、5%、10%、15%及20%，砂率为45%，其余为粉煤灰。单位体积(1m3)混凝土用水180kg，减水剂1.5kg。采用倾倒法形成水下抗分散混凝土，并根据混凝土相关规范制备成100mm×100mm×100mm标准立方体试样并进行养护。

1.2 试验方案

本次水下不分散混凝土工程性能测试主要包括3个部分，即混凝土流动性试验、混凝土抗分散性试验以及混凝土单轴抗压强度试验。试验对象是养护龄期分别为7d及28d的混凝土试样。

(1)混凝土流动性试验。引入坍落扩展度检测水下混凝土的可流动性，该实验需要先将坍落度筒放在刻度板上，再将混凝土倒入坍落度筒，垂直提起坍落度筒使混凝土自由流出并测量其最大扩展位移。

(2)混凝土抗分散性试验。抗分散性试验采用称重法对胶凝材料的流失量及悬浊物含量进行测试。

(3)混凝土单轴抗压强度试验。单轴抗压试验分为水下混凝土抗压试验与水上混凝土抗压强度试验，即针对不同成型方法的混凝土展开抗压试验。采用MTS- 815型材料单轴压缩试验机进行加载，加载速率为30kN/min。

2 试验结果分析与讨论

2.1 物理性能分析

图1为不同硅粉掺量条件下水下不分散混凝土的坍落扩展度、胶凝材料流失量及悬浊物含量随硅粉含量变化图。由图 1 可知，三个物理性质参数表现出相同的变化趋势：随硅粉含量的增加，坍落扩展度、胶凝材料流失量及悬浊物含量不断降低，且降低速度逐渐变慢。

由图1可知，对于水下混凝土，其在不掺硅粉条件下坍落扩展度最大，达到525mm。而通过掺加适量的硅粉后(5%～15%)，水下混凝土的坍落扩展度得到了明显的降低，但流动性依然较强；但当硅粉掺量超过 20%时，此时坍落扩展度仅达到420mm，混凝土流动性发生了明显的下降。分析认为，当混凝土掺加了一定量的硅粉后，硅粉超细颗粒填充了水泥粗颗粒和其余材料之间的间隙，因而使得体系的粒度分布更合理。根据相关标准，当水下混凝土坍落扩展度超过550mm以上时，可认为具有很高的流动性[9- 11]。

由图1可进一步得到，水下不分散混凝土的胶凝材料流失量及悬浊物含量随硅粉的变化。硅粉掺量越大，胶凝材料流失量、悬浊物含量越小。分析认为，由于硅粉比表面积较大，在浆体量一定的条件下，硅粉颗粒吸附了大量水分而导致体系里的自由水减少。不掺硅粉条件下水下混凝土的胶凝材料流失量为4.30%、悬浊物含量为325mg/L。根据相关标准，只有当水下混凝土达到胶凝材料流失量<1.5%，悬浊物含量小于150mg/L时，才能满足抗分散性要求。由图1可知，不掺硅粉的水下混凝土与硅粉掺量分别为5%及10%的水下混凝土不能够满足胶凝材料流失量低于1.5%的基本要求，同时不掺硅粉的水下混凝土也不能够满足悬浊物含量小于150mg/L的基本要求。由此可见，只有当水下混凝土的硅粉掺量达到15%及以上时，才能够满足抗分散性要求。

图1 不同粉煤灰掺量下水下混凝土物理性质

2.2 抗压强度分析

图2为不同养护龄期的水上、水下成型的混凝土的抗压强度试验结果。由图2可知，随着硅粉掺量的增加，不同养护龄期的混凝土抗压强度均逐渐得到提高。对于养护龄期为7d的混凝土，在不掺硅粉条件下，水上、水下成型的混凝土的抗压强度最小，分别为20.08、10.50MPa，而硅粉掺量为20%的混凝土的抗压强度分别为 25.02、16.95MPa，强度提升幅度分别达到24.6%及61.4%；对于养护龄期为28d的混凝土，在不掺硅粉条件下，水上、水下成型的混凝土的抗压强度最小，分别为 40.08、23.10MPa，而硅粉掺量为20%的混凝土的抗压强度分别为 43.50、36.05MPa，强度提升幅度分别达到8.5%及56.1%。本次试验水下混凝土设计强度为26.5MPa，故只有当养护龄期达到28d且硅粉掺量达到 20%及以上时才能够满足强度要求[12- 14]。

为分析抗压强度与硅粉掺量之间的关系，基于试验结果进行拟合，拟合结果如图2所示，式中m为硅粉掺量。由图2可知，水下混凝土的抗压强度与硅粉掺量成线性递增关系，且拟合效果良好，线性相关系数均在0.91以上，拟合结果可靠。

图2 不同养护龄期的水上与水下混凝土的抗压强度

进一步分析抗压强度试验结果，引入水下成型混凝土强度与水上成型混凝土强度的比值k，表1给出了k随硅粉掺量变化的关系。由表1可知，随着硅粉掺量增大，k也随之增大，其中，养护龄期为7d条件下k最小为 0.53，最大为 0.68，养护龄期为28d条件下k最小为 0.58，最大为 0.83。

表1 不同养护龄期混凝土水下强度与水上强度的比值

2.3 最优方案选择

综上所述，根据不同硅粉掺量条件下水下不分散混凝土的流动性、抗分散性和抗压强度试验结果分析，只有当硅粉掺量达到15%及以上时，才能够满足水下不分散混凝土流动性、抗分散性和抗压强度的全部要求。而由于硅粉材料相较于其他材料，具有价格较高、材料较难获取的特点，因此在水下混凝土配比中其设计配比量应当尽可能地少。因此，综合所有条件及试验结果，当硅粉掺量 15%时，水下不分散混凝土不仅能够满足抗分散性和强度要求，且经济型较高，综合性能较优，该配比为最佳方案。

3 结论

为研究不同硅粉掺量条件下水下不分散混凝土的工程性能，基于室内混凝土流动性试验、混凝土抗分散性试验以及混凝土单轴抗压强度试验对混凝土的工程性能展开了研究，得出以下结论：

(1)只有当硅粉掺量大于等于15%时，才能够满足水下混凝土流动性及抗分散性要求。

(2)随着硅粉掺量的增加，不同养护龄期的水下不分散混凝土的抗压强度均逐渐得到提高。对于水上与水下成型的两种混凝土，在养护龄期为7d条件下，强度最大提升幅度分别达到24.6%及61.4%；在养护龄期为28d条件下，强度最大提升幅度分别达到8.5%及56.1%。

(3)当硅粉掺量为15%时，水下不分散混凝土不仅能够满足抗分散性和强度要求，且经济型较高，综合性能较优，该配比为最佳方案。