复杂环境下水下不分散混凝土试验分析

谢 芳

(葫芦岛市水利事务服务中心,辽宁 葫芦岛 125000)

实践表明,水工混凝土性能直接决定着水下工程施工进度和建设质量。所以,工程技术领域越来越注重水下混凝土施工技术及性能的研究。如果在水中直接进行浇筑,当混凝土下落过程中会受到水力冲刷作用引起浆体与骨料的分离,浆体悬浮或随水流流失,在水泥下沉时已凝结硬化失去胶结骨料作用[1-3]。将混凝土拌合物直接浇筑到水中时,通常会形成一层水泥渣和砂、砾石骨料,难以保证水下工程使用要求。水下浇筑时以往都要创造水隔离条件,为了降低水的不利影响还要保证连续浇筑施工,在凝结硬化后对强度不达标的部位进行清除处理。工程中常用的方法主要分为2类:①创造围堰排水干地条件,这种方法具有早期周期长、投资成本高和工程量大等问题,施工方法与陆地基本一致;②使用专业设备将环境与隔离,采用开底容器法、模袋法、预填骨料灌浆法和导管法等直接将混凝土拌合物送到水下工程部位。然而,受水流冲刷作用混凝土拌合物极易产生离析、水泥材料流失和质量强度降低的缺陷,并可能引起一定的环境污染[4]。最大程度地避免与水的接触是常规浇筑应控制的核心,这会明显提高工程成本,延长工期,大大增加施工难度,并且很难保证水下浇筑施工质量。随着水下结构特别是海洋深水工程的建设发展,对水下施工、浇筑质量提出了更高的要求[5]。因此,通过优化改性传统的混凝土使其能够解决以上问题就显得非常必要。

从20世纪70年代国内外学者广泛探究了水下混凝土性能,通过改变组分使其具有水下不分散的能力,以此保证构件强度质量。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[6-9]。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,被称为新一代理想混凝土。因此,为进一步增强水下不分散混凝土抵抗各种盐离子侵蚀的能力,文章通过优选矿物掺合料、外加剂和原材料设计4种配合比,试验探究了海水、淡水、陆上环境对其力学性能及抗氯离子渗透性的影响作用。

1 试验配合比

通过合理设计配合比保证水下不分散混凝土达到抗分散性、流动性、耐久性和抗压强度等要求,试验设计混凝土配合比如表1所示。

表1 试验配合比

其中,在载体作用下防水剂内部活性化学物质不断渗透到混凝土中,经一系列复杂的化学反应生成难溶于水的结晶,可以将细微孔道堵塞,以此提高整体防水和致密性;絮凝剂(抗分散剂)是一种能够增大新拌混凝土黏聚性,有效抑制水下浇筑时骨料离析和水泥浆流失的外加剂,这种絮凝剂与聚羧酸高效减水剂具有较好的兼容性[10]。

2 水下不分散混凝土试验

2.1 力学性能

试验设计陆上A、淡水B和海水C三种成型养护方式,参照《水下不分散混凝土试验规程》测定各组时间不同龄期的抗压强度,测试数据见图1、图2。

(a)S1组 (b)S2组

从图1可以看出,海水成型和淡水成型均低于陆上成型各组配合比水下不分散混凝土的抗压强度。这是由于虽然抗分散剂的掺入可以提高抗水洗能力,但拌合物在水下浇筑成型时与水接触,部分水泥浆受到水冲洗作用依然会流失,从而减少水化产物量使水泥基体更加多孔疏松,对混凝土强度造成不利影响。另外,通过对比分析海水与淡水成型试件的强度可知,海水成型高于淡水成型混凝土的强度,但是低于淡水成型混凝土的后期强度。这是由于海水中溶解了大量的镁盐、氯盐和硫酸盐等,这些盐分能够增强水泥对水分的吸附能力,促进了水化和早期强度的快速提高。氯盐可以与水泥矿物组分C3A及Ca(OH)2水化产物生成不溶性的氯铝酸钙复盐、氢氧化钙复盐,这些复盐的存在使得液相中的Ca(OH)2浓度降低,对水化起到正向促进作用。氢氧化钙能与硫酸盐作用生成石膏,它与水泥熟料的反应速度相比于水泥组分中的石膏更快,硫酸盐能与C3A生成AFt。这些AFt和氯铝酸复盐会使体积变大,从而提高水泥石结构密实度及海水养护成型混凝土的早期强度[11]。淡水养护环境下,28d以后水泥持续水化,相应的强度也不断提高,而海水养护环境下还会受到氯盐、镁盐和硫酸盐等盐分的侵蚀,相比于淡水环境其强度增速变慢。

图2 海水环境下各龄期强度

从图2可以看出,养护龄期达到28d以后,强度最高的是掺硅灰混凝土组,其次是掺防水剂和沸石粉混凝土组,而掺矿粉和粉煤灰混凝土组强度最低。

2.2 抗氯离子渗透性

试验将浇筑尺寸300mm×100mm×100mm的试件放入陆上A、淡水B和海水C环境中进行养护,即选用淡水养护箱养护淡水和陆地成型试件,使用海水养护箱养护海水成型试件,各试件均为竖直摆放。养护过程中将混凝土试块划分成三部分,从下到上依次设置为水养护(下段)、24h干湿交替养护(中段)和空气养护(上段)。养护至规定龄期后取出试件,然后利用切割机沿3种养护方式从上到下分别取出50mm×100mm×100mm的中间切片,应用配套的智能真空饱水机和氯离子扩散系数快速测定仪测定相应的数据,结果如图3、图4。

(a)S1组 (b)S2组

从图3可以看出,对于不同配合比抗氯离子渗透性最高的是水中养护部分,其次是干湿交替养护部分,而空气养护部分最低。养护方式相同的情况下,混凝土抗氯离子渗透性受养护方式的影响存在一定差异,具体表现为陆上成型小于淡水成型小于海水成型混凝土的渗透系数。

图4 海水环境下氯离子渗透性

从图4可以看出,总体上氯离子渗透性最小的是掺防水剂混凝土组,其次是掺沸石粉和硅灰混凝土组,氯离子渗透系数最大的是掺粉煤灰和矿粉混凝土。与水接触后,在载体作用下防水剂中的活性化学物质不断渗透到混凝土中,经一系列复杂的化学反应生成难溶于水的结晶,这可以将细微孔道堵塞,以此提高混凝土抗渗性、致密性和整体耐久性[12]。

水化产物与矿物掺合料反应生成可以增强混凝体吸附和结合氯离子能力的硅酸钙凝胶,并且混凝土中的孔隙可以被未反应的细小掺合料颗粒以及生成的水化硅酸钙凝胶填充,改善和优化水泥基体孔隙结构,大大降低内部孔隙率及孔径大小[13-15]。因此,混凝土中掺入一定的矿物掺合料能够有效降低氯离子渗透系数。结合试验数据可知,氯离子渗透系数最大的是空气养护、海水成型和掺粉煤灰及矿粉组混凝土,但按照渗透性评价标准依然达到Ⅲ级中等水平,划分标准为:混凝土氯离子扩散系数>1000×10-14m2/s、500～1000×10-14m2/s、100～500×10-14m2/s、50～100×10-14m2/s、10～50×10-14m2/s、5～10×10-14m2/s,所对应的评价标准为Ⅰ级(很高)、Ⅱ级(高)、Ⅲ级(中)、Ⅳ级(低)、Ⅴ级(很低)、Ⅵ级(极地)和Ⅶ级(可忽略)。

3 结 论

1)海水成型和淡水成型均低于陆上成型各组配合比试件的强度,且海水成型大于淡水成型试件的早期强度,但是低于淡水成型混凝土的28d和56d(后期)强度。海水中溶解了大量的镁盐、氯盐和硫酸盐等,这些盐分能够增强水泥对水分的吸附能力,从而促进水化和早期强度的发展;淡水养护环境下,28d以后水泥持续水化,强度也不断提高,而海水养护环境下还会受到氯盐、镁盐和硫酸盐等盐分的侵蚀,相比于淡水环境其强度增速变慢。

2)对于不同配合比抗氯离子渗透性最高的是水中养护部分,其次是干湿交替养护部分,而空气养护部分最低。养护方式相同情况下,陆上成型小于淡水成型小于海水成型混凝土的渗透系数。

3)海水成型时,总体上氯离子渗透性最小的是掺防水剂混凝土组,其次是掺沸石粉和硅灰混凝土组,氯离子渗透系数最大的是掺粉煤灰和矿粉混凝土。混凝土中掺入一定的掺合料既有利于改善和易性,还可以增强其强度和耐久性能。