外加剂对水下不分散混凝土影响研究

孟丽丽

(营口市水利勘测建筑设计院,辽宁 营口 115000)

水下不分散混凝土是一种快速修复桥梁、港工、水工等涉水工程最常用的材料,与传统混凝土相比主要通过增添絮凝剂来改善黏稠性,可以保证混凝土遇水不离析以及水泥不流失,以较强的抗分散性实现水中直接浇筑[1]。另外,由于具有免振捣、自密实和自流平特性,水下不分散混凝土能够满足水下施工要求,使技术工艺大大简化,施工工期明显缩短。对于修复水下混凝土结构这种材料表现出明显的优势,可解决水下异型、窄小、薄壁等特殊结构无法用普通方法修补的难题[2]。大量实践表明,这种混凝土具有较快的坍落度损失,配合比设计和原材料品种对自密实及自流平影响较大,力学性能不稳定且强度较低,耐久性与体积稳定性较差,工程使用时还存在许多缺陷[3]。为了进一步改善水下不分散混凝土性能,许多学者开展了广泛研究,如HORSZCZARUK等将大量粉煤灰掺入水下不分散混凝土,结果表明掺入40%粉煤灰时具有较小的强度损失和良好的工作性能;MUNOZ等研究发现掺入适量硅粉等掺合料能够增强水下不分散混凝土强度和抗分散性;SAKUTA等认为将聚丙烯酸铵、戊二醛和絮凝剂加入混凝土中,既可以减少0.8%聚合物用量,改善拌合物抗分散性,对强度也不会造成不利影响;冯爱丽等通过综合对比水下不分散混凝土性能受不同絮凝剂的影响发现,掺纤维素类小于掺丙烯类絮凝剂混凝土的28d强度,但具有更优的流动性;冯士明等认为丙烯和纤维素系列等具有缓凝作用的抗分散剂,有利于改善大体积混凝土施工性能;陈国新等对比了混凝土用水量、抗压强度、流动度及其保持能力受不同类型减水剂的影响,结果显示各项性能更优的是掺聚羧酸减水剂混凝土[4-6]。

目前,国内外研究主要侧重于强度和抗分散能力方面,因流动性无法达到自密实最低要求,水下浇筑时通常需要配合导管泵送施工,并且随透水层厚度和浇筑方式的改变水下成型硬化后的混凝土强度出现波动,实际工程推广应用受限,无法进行水平长距离流动、渠道衬砌板之类大截面混凝土的水下施工[7-9]。鉴于此,文章将缓凝剂、氨基磺酸盐系高效减水剂和水溶性高分子聚合物复配而成的外加剂掺入水下不分散混凝土,试验分析其对拌合物流动性经时损失、混凝土黏聚性和可泵性的影响,为配制无需振捣、自密实和自流平入水混凝土,有效解决混凝土水下施工经时损失快、易离析和分散等问题提供技术支持[10]。

1 试验方法

1.1 原材料

水泥:华新P·O42.5级水泥,经检测主要性能指标符合《通用硅酸盐水泥》有关要求,如表1所示。

表1 水泥的物理性能

骨料:花岗岩人工砂石骨料,人工砂细度模数2.8,石粉含量12.0%,表观密度2660kg/m3,吸水率1.05%,碎石粒径5～20mm,吸水率0.81%,表观密度2680kg/m3,压碎指标7.2%,针片状含量4.6%,经检测砂石主要性能指标符合《水工混凝土试验规范》有关要求。

外加剂:试验选用化学纯三聚磷酸钠、氨基磺酸盐系高效减水剂和水溶性高分子聚合物复配而成的外加剂,拌和水用自来水。

1.2 测试方法

参照《水下不分散混凝土试验规程》和《水工自密实混凝土技术规程》进行水泥胶砂流动度、混凝土坍落度和扩展度测试。依据《水工混凝土试验规程》测定试件抗压强度,主要流程如下:将150mm×150mm×150mm预成型试模放入相对湿度≥90%、温度(20±2)℃标养室内的600mm×600mm×1600mm水池,控制试模距离水面约100mm,水温(20±1)℃,从水面处将搅拌均匀的水下不分散混凝土浇入水中试模,该过程要保持连续投料,料量略高于试模,从水中取出放置5～10min,经自密实、自流平后使拌合物处于平稳。为了加快排水轻敲试模两侧,之后放入水中。初凝前利用抹刀刮去超量浇筑部分,静置48h拆模放入水中标养至规定龄期测定其强度。

采用pH值法测定混凝土抗分散性,试验流程如下:取2个烧杯加入质量相同的水,沿水面倒入质量相同的水下不分散水泥胶砂使其自由缓慢下落,烧杯静置30min后利用吸管取适量清水,并立即用酸度计测试pH值。从另一烧杯开始放入水泥胶砂作为起始时间,每隔5min用酸度计测试一次水深2/3处的pH植,测试总时间30min,观察含水泥胶砂水溶液的pH植变化规律。

2 结果与分析

2.1 水泥胶砂特性

1)经时损失与流动性。运输和泵送是新拌水下不分散混凝土施工浇筑不可或缺的必要环节,流动度大小直接决定了可泵送程度。实践表明,混凝土的流动状态主要体现在胶砂流动度上,采用水泥胶砂流动度确定增黏剂、减水剂掺量和胶砂用水量,能够科学准确地描述拌合物的流动性能。所以,流动度测试既有利于反映外加剂的抗分散性、黏聚性和保水性,还可以为合理设计水下不分散混凝土配合比提供指导依据。胶砂试验配合比及其初始流动度如表2所示,经时损失变化特征如图1所示。

图1 流动度经时损失

表2 胶砂配合比及初始流动度

结果表明,S2组水泥胶砂初始流动度最高,这说明掺入一定的增黏剂可以改善流动性,但该组试样也具有较大的流动度损失。初始流动度随增黏剂掺量的增大逐渐下降,表明增黏剂能够有效提高胶砂抗分散能能力和黏聚性。从搅拌均匀至2h内,经时损失最慢的是S5组水泥胶砂,表明掺入适量增黏剂能够降低水下不分散水胶砂的流动度经时损失。这是因为加入增黏剂改善了砂浆黏聚性,其黏聚性随掺量的增加而增强[11]。因水溶性高分子聚合物具有束缚拌和水的作用,保证了水泥浆水下不分散和不离析、不泌水性能。复掺一定量的增黏剂、缓凝剂和氨基磺酸盐系减水剂发挥着协同作用,使水泥砂浆具有较小的流动度经时损失、较好的流动性以及较高的黏聚性。

2)抗分散性。抗分散性是反映水泥浆体能否分散到水中以及衡量增黏剂黏结能力的重要指标,故也称为抗水洗能力。增黏剂是一种非离子型高分子聚合物,由于具有较长的链状结构可以起到连接或搭接水泥颗粒的作用,使得颗粒之间的接触表面发生明显改变[12]。通过与拌和水及氢键结合,聚合物分子分散于水中形成非常黏稠的浆体,对骨料和水泥颗粒起到包裹作用,从而保证水泥浆体的抗分散性与黏聚性。采用酸度计测试砂浆入水后的pH值变化特征,如图2所示。

图2 水洗溶液pH值

结果显示,未掺减水剂和增黏剂的S1组水泥砂浆环境水pH值最高,试验5min时该组pH值为12,表明水泥具有较快的水化与分散速度,说明水下工程浇筑时一般不宜使用未掺增黏剂的混凝土。掺不分散剂的S2～S5组水泥砂浆环境水pH值基本维持在9以下,且pH值随时间的延长整体未发生明显改变,这说明从砂浆中分散到环境水的水泥量较少,溶液pH值受水泥水化的影响较低,该变化数据较好地证明了复配而成的外加剂具有较好的黏聚作用,增黏剂从0.4%增加到1.0%时环境水pH值基本不变,该掺量范围符合相关规范要求。综合考虑水下不分散混凝土的黏聚性、流动性和成本等因素,确定增黏剂的最优掺量区间为0.6%～0.8%。

2.2 水下不分散混凝土特性

水陆强度比是指在水下和空气中成型的同组分混凝土相应龄期的强度比值,它是反映硬化混凝土性能的主要参数。水下不分散混凝土坍落度损失、水陆强度比及试验配合比如表3、表4和图3所示。

图3 坍落度经时损失

表3 混凝土配合比及初始坍落度

表4 水陆强度比

结果表明,掺增黏剂的C1、C2组与不掺增黏剂的C3组水下不分散混凝土7d抗压强度基本相同,28d抗压强度略有增加,表明增黏剂的保水效应有利于提高水下不分散混凝土强度。水下浇筑与水上浇筑的C1、C2组混凝土7d强度比为73.4%和67.7%,28d强度比为77.2%、73.5%,符合现行规范要求。通过对比分析可知,掺入适量的增黏剂能够提高水下浇筑混凝土强度。

根据经时损失和流动性试验数据,扩展组较好的C1组混凝土其坍落度经时损失也较低,能够保证运输和泵送水下不分散混凝土有关要求,并且水下浇筑 C1组混凝土7d、28d强度高于C2组,说明在配制水下不分散混凝土时可优先选用C1组配合比。

2.3 水下不分散混凝土微观结构

水上浇筑与水下浇筑的主要区别在于成型过程中拌合物是否受到周围水的分散作用,这也是影响混凝土密实度的重要因素。水下浇筑会引起较大的强度损失,本试验利用扫描电镜分析水上和水下两种浇筑成型方式标养28d的C1组混凝土孔结构,如表5所示。

表5 孔隙分析值

结果表明,虽然掺入外加剂能够明显降低水下浇筑时混凝土的分散程度,但水下浇筑大大高于水上浇筑的混凝土孔隙率,复配外加剂的掺入也大幅度提高了最频孔径。从细观上,水上浇筑的混凝土水化比较充分,内部分布较多的凝胶,水泥基结构较为密实,而水下浇筑的混凝土内凝胶含量相对较少,针柱状钙矾石晶体分布于结构疏松的空隙中,外加剂的掺入使得混凝土孔隙率提高,这为Ca(OH)2晶体的生长提供了空间条件,对混凝土强度发展带来不利影响。

3 结 论

1)掺入适量增黏剂能够降低水下不分散水胶砂的流动度经时损失,这是因为增黏剂改善了砂浆黏聚性,且随掺量的增加而增强。外加剂中的各组分发挥着协同作用,使砂浆具有较小的流动度经时损失、较好的流动性以及较高的黏聚性。综合黏聚性、流动性和成本等因素,确定增黏剂的最优掺量区间为0.6%～0.8%。

2)掺入增黏剂与不掺增黏剂试件的7d强度基本相同,28d强度有所增加,表明增黏剂的保水效应有利于增强水下不分散混凝土力学性能,能够保证运输和泵送有关要求,并给出最优配合比。虽然掺入外加剂能够明显降低水下浇筑时混凝土的分散程度,但水下浇筑大大高于水上浇筑的混凝土孔隙率,对混凝土强度发展带来不利影响。