基于水下不分散自密实水工混凝土的试验研究
时间：2023-03-26 23:50:01 来源：千叶帆 本文已影响人
江 波
（大连庄河市水务事务服务中心，辽宁 大连 116400）
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：①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；
②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；
③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500～700mm，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。
1.1 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P·O 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Ⅰ级粉煤灰，细度6.5%；
矿粉选用海城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5～10mm连续级配人工碎石，表观密度2680kg/m3；
外加剂选用苏博特PCA®-Ⅰ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
表2 水泥浆配合比
1.2 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φ16mm×10mm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(20±1)℃的环境中静置24h后拆模，试样编号标记后放入(20±1)℃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40～50℃)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。
2.1 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。
图1 新拌混凝土工作性能
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。
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、100～200nm、20～100nm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、100～200nm、50～100nm、20～50n、5～20nm和≤5nm六个等级，利用压汞法研究各龄期水下、陆上硬化浆体的孔隙率和孔径分布状况，如图3、图4所示。
图3 浆体孔隙率
图4 硬化浆体孔径分布
从图3可以看出，单掺硅粉、纯水泥、复掺、单掺粉煤灰的净浆试件总孔隙率依次增大，究其原因是掺入的硅粉活性较高，早期具有较高的水化程度，有利于优化孔隙结构，而粉煤灰的早期水化程度低，该发展趋势与上节中的早期强度变化规律相符。
从图4可以看出，硬化浆体的孔隙率均随着养护龄期的延长而逐渐下降，孔径超过100nm的有害孔逐渐转变成5～50nm的少害孔和无害孔，说明龄期越长则水化产物的空隙填充效应越明显，对孔结构的改善作用越高；
陆上成型试件的总孔隙率小于水下成型，并且具有较优的孔径分布，水下成型试件多集中于200nm以上和50nm以下的孔，究其原因是水下成型时净浆受水流冲刷作用，因具有较大的黏性浆体中的絮凝基团不易被水冲散，但透过水层时絮凝基团之间的黏聚力较低受影响较大，从孔结构变化上主要反映在絮凝基团表面形成的大孔和基团内部的小孔，但絮凝基团间相连接、相挤压而形成的孔隙缺乏；
复掺硅粉和粉煤灰的水下试件，相对于其它3种情况具有较优的孔径分布，表明水下成型的浆体孔结构受浆体黏性、粒径分布以及胶凝材料组成的影响，混凝土的力学性能和工作性能受浆体孔结构的分布影响显著[11-12]。
1）随粉煤灰掺量的增加新拌混凝土流动性增大，水下抗分散性则表现出相反的变化特征，掺30%粉煤灰时水下抗分散性能快速下降；
混凝土中掺入适量的硅粉可以增强其水下抗分散性能，硅粉掺量处于20%以内时流动性减弱程度较低；
复掺硅粉与粉煤灰时，水下抗分散性能和流动性能均比较良好，掺10%～15%硅粉或掺20%～30%粉煤灰时能够满足水下不分散混凝土、自密实混凝土有关要求，对于水下混凝土施工具有较强的适用性。
2）单掺粉煤灰时的早期强度较低，而硅粉有利于增强早期强度，混凝土水陆强度比越高则水下抗分散性能越好，硬化后的强度也越高。掺硅粉或粉煤灰有利于填充内部空隙，优化整体级配，硬化浆体孔隙率随养护龄期的延长而减小，龄期越长则少害孔和无害孔比例越高，孔径也更加细化，浆体抗分散性对水下成型浆体的孔结构影响较大。
3）将硅粉掺入混凝土中，虽然能够增强其强度和工作性能，但掺量过多会引起严重的干缩现象。试验过程中可以观测到一些干缩裂缝，并且硅粉掺量大于15%的陆上成型试件表面裂缝较多，水下试件裂痕不明显，表明水下养护有利于控制干缩，对此仍需进一步深入研究。
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