水下不分散混凝土力学性能及抗冻融性能研究

孟丽丽

(营口市水利勘测建筑设计院,辽宁 营口 0115000)

水下不分散混凝土是一种将水溶性高分子抗分散剂掺入普通混凝土中,从而提高拌合物的黏聚力,防止水泥流失及拌合物离析、分散的新型材料,溶于水后抗分散剂受高分子长链的桥架作用具有一定黏稠性,可以形成相互连接成稳定结构[1]。自20世纪90年代被研发以来,水下不分散混凝土被广泛用于市政、煤矿、桥梁、隧洞和电站建设等领域[2-5]。但在实际施工时水下混凝土容易出现冷缝、水泥冲蚀和离析等问题,对其力学及抗冻融性能具有较高的要求。同时,由于具备自密实、免振捣和自流平特性,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。对修复水下混凝土结构这种材料表现出明显的优势,可以解决水下异型、窄小、薄壁等特殊结构无法用普通方法修补的难题。

工程实践表明,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[6]。为改善水下不分散混凝土性能,国内外学者开展了广泛研究,如冯爱丽等[7]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;MUNOZ等研究表明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;SONEBI M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;陈国新等[8]对比了混凝土用水量、抗压强度、流动度及其保持能力受减水剂类型的影响,结果表明各项性能更优的是掺聚羧酸减水剂试件;HORSZCZARUK等[9]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;冯士明等[10]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。

因此,现有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。鉴于此,文章利用外加剂及原材料优选试验设计了9种配合比,在保证强度要求的情况下探究水下不分散混凝土抗冻融性能,以期为保证水下不分散混凝土的长效安全使用及其抗冻融侵蚀能力提供一定参考。

1 试验方案

1.1 试验配合比

水泥选用沈阳冀东水泥有限公司生产的P·O 42.5级水泥,粉煤灰使用黑龙江火电公司提供的磨细Ⅱ级粉煤灰,S95型矿粉和硅灰采购于大连金桥超细粉有限公司;砂为四寨子砂场天然中砂,碎石为铁岭鹏程石料有限公司生产的花岗岩碎石,最大粒径25mm,拌和水用实验室自来水;外加剂选用ZB-1A缓凝高效减水剂、DH9引气剂和HYB聚丙烯酰胺类水下不分散剂。通过外加剂试配及原材料优选试验确定配合比,水下不分散混凝土试验配合比,见表1。

1.2 力学性能

参照《水下不分散混凝土试验规程》和优选的9种配合比(表1)分水下和水上配制成型边长150mm立方体标准试块,标养至规定龄期后按《水运工程混凝土试验规程》测定各组试块的抗拉及抗压强度。试验测定水下和水上两种成型试块的7d、28d、90d龄期抗压强度以及28d、90d龄期的抗拉强度。

1.3 抗冻融性能

在7d、28d龄期水上与水下强度比满足>65%和75%的考核目标下,参照《水下不分散混凝土试验规程》按硫酸盐腐蚀、海水、淡水3种介质和优选的9种配合比,配制成型400mm×100mm×100mm的27组抗冻融标准试件,按照《水运工程混凝土试验规程》测定标养至28d时各组试件的抗冻融性能,设定试验终止条件为冻融循环250次。

2 结果与分析

2.1 力学试验分析

对于达到规定龄期的试块按照试验规程测定其力学性能,力学试验数据,见图1。结果表明,试验优选的9种配合比均满足7d、28d龄期水下与水上强度比>65%和75%的要求,说明各试验配合比能够达到强度考核目标要求。

2.2 抗冻融试验分析

研究分析不同配比试件的相对动弹模量和质量损失率变化规律,随冻融循环次数的增加9种配合比水下成型试块的抗冻融性能变化规律,抗冻融试验数据,见图2。结果表明,9组水下不分散混凝土在不同介质水中均能够达到F250抗冻等级,水下混凝土中掺入优质活性掺合料能够有效改善其抗冻性能,尤其是双掺硅灰与矿粉可以显著提升试件的抗冻性[11]。

(a)质量损失率 (b)相对动弹模量

2.3 腐蚀介质的影响

结合试验数据,研究分析在1500mgL的SO42-腐蚀性盐、海水、淡水介质中随冻融循环次数的增加不同配合比水下成型试件的相对动弹模量和质量损失率变化特征规律,不同腐蚀介质的试块质量损失率,见图3,不同腐蚀介质的试块相对动弹模量,见图4。

(c)JKS组

(a)J-0组 (b)JFS组

(c)JKS组

结果表明,在淡水和海水介质中水下混凝土的抗冻性能未表现出明显差异,说明水下不分散混凝土抗冻融性能受淡水和海水介质的影响差异较低。试验配制的硫酸盐侵蚀性介质为SO42-含量1500mg/L的溶液,冻融循环达到300次时水下混凝土受硫酸盐的侵蚀作用较低,硫酸盐的冰点降低作用反而会增强抗冻性能[12]。所以,冻融循环次数较少时硫酸盐并未充分发挥对水下不分散混凝土的腐蚀作用。总体而言,冻融循环次数≤300次时水下不分散混凝土在各介质水中的抗冻融性能相差不明显。

3 结 论

水下不分散混凝土就是将水溶性高分子抗分散剂掺入普通混凝土中,从而提高拌合物的黏聚力,防止水泥流失及拌合物离析、分散,这种技术大大简化了水中施工程序,解决了水下浇筑时存在的缺陷和不足,促进了水下混凝土的发展和应用,主要结论如下:

1)试验优选的9种配合比均满足7d、28d龄期水下与水上强度比>65%和75%的要求,说明各试验配合比能够达到强度考核目标要求。各组水下不分散混凝土在不同介质水中均能够达到F250抗冻等级,水下混凝土中掺入优质活性掺合料能够有效改善其抗冻性能,尤其是双掺硅灰与矿粉可以显著提升试件的抗冻性。

2)冻融循环次数≤300次时水下不分散混凝土在各介质水中的抗冻融性能相差不明显,文中所用配合比能够保证水位变动区混凝土抗冻性和抗拉压强度要求。