基于水下不分散自密实水工混凝土的试验研究_江波.pdf

158 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）基于水下不分散自密实水工混凝土的试验研究江 波（大连庄河市水务事务服务中心，辽宁 大连 116400）摘 要：为有效解决传统水工混凝土水下抗分散性和自密实性难以良性共存的问题，在混凝土内掺入絮凝剂、减水剂、硅粉和粉煤灰等掺合料调整其工作性能，配制出水下不分散自密实水工混凝土，并进一步探讨了砂浆孔结构、混凝土力学性能及其工作性能受硅粉和粉煤灰的影响。研究表明：复掺组较无掺合料或单掺组具有更优的性能，矿粉、粉煤灰的最佳掺量为 10%15%和 20%30%；拌合物水下抗分散性能良好且流动度 600mm；水下28d 抗压强度达到陆上的 80%，浆体孔径分布较合理且孔隙率较小。关键词：自密实；水下不分散；矿物掺合料；水工混凝土 中图分类号：TV41 文献标识码：B文章编号:1007-7596（2022）12-0158-05 收稿日期 2022-11-06作者简介 江波（1 9 7 4-），女，辽宁庄河人，工程师，研究方向为水土保持、农田水利、水利水电工程。自密实混凝土是指依靠自身重力无需振捣就可以实现长距离的流动，通过钢筋间隙密实均匀地充满结构或模板的所有角落，并达到均匀性良好、高稳定性和高流动性的混凝土1。1986 年，日本学者最先提出自密实混凝土的概念，随后就被广泛应用于许多大型建筑企业开发和学术界的研究等，曾被称为最具革命性的发展2-5。自密实混凝土与普通混凝土相比存在以下 3 点优势：施工浇筑时无需振捣，可有效提升生产效率，大幅减少浇筑时间、物力和人力成本；结构设计自由度明显增加，对钢筋密集、薄壁和复杂结构具有较好适用性；保证浇筑质量，有效避免了过振、漏振或欠振等可能引起的质量缺陷，模板受磨损程度大大减轻。因此，对于需要水平长距离流动、水库大坝等大截面水利工程，以及难以振捣的裂缝修补类混凝土工程，自密实混凝土具有广泛的应用前景。目前，研究与应用的自密实混凝土大多局限于旱地施工，难以充分发挥不泌水、不离析、高流动性等优势。国内外许多学者在自密实混凝土中掺入矿渣、硅粉和粉煤灰等掺合料，并研究了拌合物黏聚性，结果发现硅粉可以改善其塑性状态和硬化性能，包括均匀性、稳定性和流变性，为水下施工提供了必要条件。水下不分散混凝土多用于水利工程，主要是掺入絮凝剂，以此改善混凝土黏性和水下抗分散性，达到水下浇筑的施工要求，但流动度最高也就 400mm，可流动性差，依靠自身重力难以铺满整个模板。一般地，自密实混凝土的流动度可以达到 500700mm，在保持高流动性的情况下增强其水下抗分散性能，就可以实现水下浇筑施工。因此，文章以减水剂、絮凝剂、硅粉和粉煤灰为控制变量，通过设计配合比制备出水下抗分散性能和流动性能优异的自密实混凝土，并进一步探讨了浆体孔结构和抗压强度、工作性能受硅粉和粉煤灰的影响。1 试验方案1.1 原材料及配合比依据水工自密实混凝土技术规程合理设计配合比以及选择原材料，其中水泥用辽阳千山水泥有限公司生产的 PO 42.5 级水泥，标稠用水量 25%，比表面积 315m2/kg；粉煤灰用鞍山成达电厂生产的级粉煤灰，细度 6.5%；矿粉选用海城DOI:10.14122/ki.hskj.2022.12.054 159 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）市北海金田有限公司生产的 S95 级矿粉，比表面积468m2/kg；细骨料用人工机制砂，细度模数 2.5，表观密度 2640kg/m3；粗骨料选用 510mm 连续级配人工碎石，表观密度 2680kg/m3；外加剂选用苏博特 PCA-聚羧酸高效减水剂和德州瑞星 PAM聚丙烯酰胺絮凝剂，减水率 30%。本文结合相关研究资料，设计体积水粉比1.0，硅粉掺量0%、5%、10%、15%、20%，粉煤灰掺量0%、10%、20%、30%、40%，絮凝剂掺量 0.25%，减水剂掺量 1.0%，含气量 5%，砂率 42%，混凝土以及水泥砂浆的试验配合比见表1、表2。通过试验分析，探讨砂浆孔结构、混凝土力学性能以及工作性能受不同硅粉和粉煤灰掺量的影响。表 1 水工混凝土配合比设计编号原材料用量/kgm-1硅粉掺量粉煤灰掺量水水泥 矿粉粉煤灰砂石减水剂 絮凝剂P-0200571 006809505.71.4 00F-1200500 0 56 6809505.01.3 010F-2200432 0 108 6809504.31.1 020F-3200368 0 158 6809503.70.9 030F-4200308 0 205 6809503.10.8 040S-1200528 28 0 6809505.31.3 50S-2200486 54 0 6809504.91.2 100S-3200447 79 0 6809504.51.1 150S-4200410 103 0 6809504.11.0 200FS-1200300 50 150 6809503.00.8 1030FS-2200293 73 122 6809502.90.7 1525表 2 水泥浆配合比编号材料用量/g硅粉掺量粉煤灰掺量体积水粉比水水泥矿粉粉煤灰减水剂絮凝剂J-0110350003.50.88001.0J-F11024501052.50.610301.0J-S1103153503.20.791001.0J-FS110210351052.10.5310301.01.2 试验方法本文参照水工自密实混凝土、水下不分散混凝土和水工混凝土等试验规程推荐的相关方法，测试新拌混凝土坍落度、水样悬浊物含量、水下胶凝材料流失量以及各龄期陆上、水下硬化混凝土抗压强度6。采用 16mm10mm 的净浆试件进行微观试验，参照常规方法成型养护陆上净浆试件。遵循以下流程成型养护水下净浆试件：首先往试模内灌满水，并向试模中用注射器缓慢注入净浆，排出一定的水量；然后在相对湿度 90%、温度(201)的环境中静置 24h 后拆模，试样编号标记后放入(201)的水中养护至规定龄期；最后取出试样完全浸入无水乙醇中，确保水泥终止水化，用真空干燥箱(温度 4050)干燥 24h，冷却至室温后按流程完成压汞试验，所用仪器主要有 MIP 型全自动压汞仪。2 结果与分析2.1 拌合物工作性能目前，水下不分散自密实混凝土的工作性能主要是指水下抗分散性能和流动性能，其中抗分散性能的高低直接决定着拌合物能够用于水下浇筑，而流动性能是施工工艺和拌合物性能的主要影响因素。通过测试拌合物的水样悬浊物含量、凝胶材料流失量、坍落度反映水下不分散自密实混凝土的水下抗分散性能和流动性能，结果如图 1 所示。(a)坍落度(b)流失量(c)悬浊物含量图 1 新拌混凝土工作性能 160 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）从图1可以看出，新拌混凝土水样悬浊物含量、胶凝材料流失量和坍落度均随着粉煤灰掺量的增加而增大，掺 30%、40%粉煤灰时水样悬浊物含量和胶凝材料流失量均明显增大。新拌混凝土坍落度随着硅粉掺量的增加表现出先减小后增大的变化趋势，水样悬浊物含量和胶凝材料流失量随硅粉掺量的增加逐渐减小，掺 20%硅粉时坍落度明显减小。硅粉与粉煤灰复掺时，新拌混凝土水样悬浊物含量、胶凝材料流失量和坍落度随硅粉取代比例的提高而减小7。试验表明，粉煤灰的掺入可以有效改善新拌混凝土流动性，但掺量超过 30%时其水下抗分散性能大大减弱，究其原因是粉煤灰的滚珠和解絮作用发挥了较好的减水效应，拌合物的黏性也明显下降。因此，必须合理控制粉煤灰掺量处于合适范围，其最佳掺量为 20%30%范围。拌合物中掺入适量的硅粉能够增强其黏性和水下抗分散性，但硅粉掺量过多会明显减弱拌合物的流动性，究其原因是微小的硅粉颗粒有利于填充硅粉-粉煤灰-水泥体系中的孔隙，优化整体级配，发挥着轴承和滚珠作用，新拌混凝土流动度明显增大，但比表面积较大的硅粉需水量也远高于粉煤灰和水泥，大量自由水与过量的硅粉结合，使得新拌混凝土中的自由水含量大大减少，其流动性能反而明显下降8-9。所以，必须严格硅粉掺量，其最佳掺量为 10%20%区间。依据图 1 变化特征，新拌混凝土抗分散性能和流动性能之间存在负相关性，但变化速率明显不同。所以，通过控制影响抗分散性能和流动性能的因素可以保持两者处于较高水平上。根据现行技术规程对水下抗分散性能和自密实性能的要求，新拌混凝土的水样悬浊物含量应 150mg/L、胶凝材料流失量应 1.5%以及拌合物坍落度应 550mm。试验中 FS-1 的水样悬浊物含量 146mm/L、胶凝材料流失量 1.1%、坍落度 610mm，FS-2 的水样悬浊物含量 125mm/L、胶凝材料流失量 1.0%、坍落度600mm，复掺 15%硅粉+25%粉煤灰、复掺 10%矿粉+30%粉煤灰的混凝土都能达到现行规范对水下抗分散性能和流动性能的要求。2.2 水工混凝土力学性能静水条件下，渠道衬砌面板之类的工程多使用,自密实混凝土，浇筑成型后主要承受水的压力作用，故必须考虑水陆抗压强度比和水下抗压强度等力学性能。本文依据现行规范，通过测试陆上、水下各龄期混凝土水陆抗压强度比及抗压强度，以此反映混凝土力学性能，结果如图 2 所示。(a)7d 抗压强度(b)28d 抗压强度(c)水陆抗压强度比图 2 水工混凝土力学性能从图 2 可以看出，混凝土水下、陆上抗压强度和水陆强度比均随着粉煤灰掺量的增大而减小，掺 30%粉煤灰时水下强度明显减小，只有陆上的50%；混凝土陆上抗压强度随硅粉掺量的增加呈现出先升后降的变化趋势，水下抗压强度随硅粉掺量的增加而增大，水陆强度比越高则水下越接近于陆上抗压强度；混凝土复掺硅粉和粉煤灰时，水下、陆上抗压强度均随着硅粉占比的增加而增大，28d水下抗压强度达到陆上的 80%。采用粉煤灰替代部分水泥使得其早期强度显著 161 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）减小，单掺粉煤灰时其水下抗分散性能也较弱，水下浇筑后流失较多的胶凝材料致使硬化后的强度偏低，而硅粉的掺入提高了混凝土早期强度和水下抗分散性能，水下浇筑后增强了混凝土的硬化强度。所以，在保持高流动性的情况下，复掺适量的硅粉和粉煤灰能够提高水下浇筑混凝土早期强度。试验表明，复掺 10%硅粉+30%粉煤灰组的 7d、28d水下抗压强度依次为 15.5MPa 和 34.1MPa，7d、28d 水陆强度比依次为 0.64 和 0.77，复掺 15%硅粉+25%粉煤灰组的 7d、28d 水下抗压强度依次为16.2MPa 和 34.6MPa，7d、28d 水陆强度比依次为0.66、0.80，FS-1 组、FS-2 组水下不分散水工混凝土均符合现行规范对 C25 水下混凝土强度的要求。2.3 浆体孔结构不同孔径和孔隙率的分布状况是硬化水泥浆体的关键结构特征，这在很大程度上决定了浆体的性能。一般地，硬化水泥浆体的孔结构包括孔的形态、孔径大小的分布以及总孔隙率等 10。依据混凝土的受危害程度，可以将孔划分成多害孔、有害孔、少害孔和无害孔 4 类，所对应的孔径分布为 200nm、100200nm、20100nm 和 20nm，减少 100nm 以上孔和增加 50nm 以下的小孔有利于改善混凝土性能。本文结合以上划分标准，将孔径划分成 200nm、100200n