配比组成对大流态水下不分散混凝土的性能影响

吴 伟， 相 福 壮， 丁 建 彤， 李 晓 华， 许 文 英

(中国水利水电第七工程局试验检测研究院，四川 成都 610015)

1 概 述

采用水下导管法施工相比传统围堰施工能大幅度节约施工成本、加快施工进度，但其对水下不分散混凝土提出了较高的性能要求：需要其具有大流态、无振捣、自填充，同时能抵抗被水稀释的能力。水下不分散混凝土的性能被哪些因素影响以及其影响幅度是设计水下不分散混凝土配比的关键并成为相关研究热点：絮凝剂种类[1]对水下混凝土抗分散能力的影响；不同砂率、石子大小以及水胶比对水下混凝土抗分散性、水中与陆地强度比[2]的影响；添加硅灰、粉煤灰等优化胶凝材料对水下混凝土水中陆地强度比、凝结时间的影响[3]。但上述研究内容偏重于普通水下混凝土的强度与抗分散性。文中所介绍的研究是基于高性能水下不分散混凝土(水胶比≤0.4)，考察配比参数对其流动性和抗分散性的影响。具体研究过程如下：通过对比水下不分散混凝土流动性和抗分散性的不同表征方法，选取敏感性高的测试方法应用于此次研究；选取絮凝剂掺量分别为 0%、1.5%和 3%、水胶比分别为 0.36 和 0.4 以及不同胶凝材料组成(硅灰和粉煤灰分别替代水泥质量的 10%和 0%、5%和 15%及 8%和 15%)，通过减水剂掺量调整以测试水下不分散混凝土在不同流动性条件下的抗分散性；根据试验结果，分析得出上述参数对水下不分散混凝土流动性和抗分散性的相互关系的影响规律。

2 试验与讨论

研究采用的材料：

(1) 水泥：拉法基P·O42.5普通硅酸盐水泥，其渤氏法比表面积为355 m2/kg，密度为3.08 g/cm3；

(2) 硅灰：成都东蓝星新材料股份有限公司生产的硅灰，SiO2含量为92%，需水量比为118%，28 d活性为108%；

(3) 粉煤灰：四川博磊生产的Ⅰ级粉煤灰，细度为8%，需水量比为95%，28 d活性为75%；

(4) 细骨料：人工破碎骨料，细度模数为2.66，表观密度为2 710 kg/m3，吸水率为1.1%；

(5) 粗骨料：人工破碎骨料，其粒径为5～20 mm，骨料表观密度为2 720 kg/m3，针片状含量为5%；

(6) 减水剂：石家庄市长安育才建材有限公司生产的GK-3000聚羧酸减水剂，固体含量为40%；

(7) 絮凝剂：中国水利水电第七工程局生产的HB7-18粉体絮凝剂。

此次研究分别采用水胶比为0.36和0.4、絮凝剂掺量为0%、1.5%和3%进行试验。为方便记录，将文中的水泥、硅灰、粉煤灰和抗分散剂分别记为C、 SF、F和AWA。如试验编号C80SF5F15-AWA1.5表示水泥用量为胶材总质量的80%，硅灰为5%，粉煤灰为15%，絮凝剂为1.5%。试验用混凝土配合比见表 1。

表1 试验用混凝土配合比表 /kg·m-3

所采用的水下混凝土性能测试方法按《水下不分散混凝土试验规程》DL/T5117-2000进行。对比该规程中的流动性和抗分散性表征方法敏感性，此次研究采用敏感性高的扩展度表征流动性，采用悬浊物含量表征抗分散性。pH与悬浊物含量敏感性见图1，坍落度与扩展度敏感性见图2。

图1 pH与悬浊物含量敏感性示意图

图2 坍落度与扩展度敏感性示意图

2.1 抗分散剂掺量对抗分散性和流动性相互关系的影响

不同掺量的絮凝剂对水下混凝土的流动性和抗分散能力的影响可以通过扩展度与悬浊物含量的关系进行表征。C100不同絮凝剂掺量条件下扩展度与悬浮物含量关系见图 3。

图3 C100不同絮凝剂掺量条件下扩展度与悬浮物含量关系图

研究结果表明：通过提高减水剂掺量以获得更大扩展度的方式将导致水下混凝土抗分散能力下降。固定某一扩展度，可以看出悬浊物含量随絮凝剂的增加而降低。以550 mm扩展度为例，絮凝剂从0%增加到1.5%，悬浊物含量由1 510 mg/L下降至700 mg/L，降幅为53%；进一步提高絮凝剂掺量至3%，悬浊物含量下降至500 mg/L，降幅度达67%。由此可见：提升絮凝剂掺量可以有效地提高水下混凝土的抗分散性能，这是因其增加了浆体黏度和保水能力的缘故，可以有效抵抗黏度下降。

2.2 不同水胶比对抗分散能力和流动性相互关系的影响

水胶比(W/C)从0.4降低至0.36对抗分散能力和流动性相互关系的影响见图4。不同水胶比和絮凝剂掺量对抗分散性和流动性的影响见图4。

图4 不同水胶比和絮凝剂掺量对抗分散性和流动性的影响示意图

从整体趋势看，悬浊物含量均随扩展度的增大而提高且不受水胶比的影响。固定扩展度、降低水胶比使悬浊物含量下降，抗分散性增强。当扩展度为500 mm时，水胶比从0.4降低至0.36，絮凝剂掺量在1.5%的条件下，其悬浊物含量从570 mg/L下降至380 mg/L，下降幅度为33%；絮凝剂掺量在3%的条件下，其悬浊物含量从420 mg/L下降至190 mg/L，下降幅度为55%。由此可见：降低水胶比可以提升水下混凝土的抗分散能力；在降低水胶比的同时，提高絮凝剂掺量可以产生叠加效应，其抗分散能力提升幅度增强。

2.3 胶凝材料的组成对抗分散性和流动性相互关系的影响

在絮凝剂掺量为3%，水胶比为0.36的条件下，不同胶凝材料的组成对抗分散性和流动性相互关系的影响见图5。

图5 不同胶凝材料组成对抗分散性和流动性的影响示意图

在胶凝材料中引入掺合料的方式降低了悬浊物含量，增加了水下混凝土的抗分散性。扩展度小于450 mm时，对比C100，加入掺合料方式的悬浊物含量降低幅度较小；而当扩展度大于450 mm时，其降幅明显，与文献[3]观察到的现象一致。

固定某一扩展度，C80SF5F15表现出最佳的抗分散性能。例如，在扩展度为550 mm时，C80SF5F15的悬浊物含量为185 mg/L、C100为285 mg/L，两者之间的差异幅度为35%。C90SF10的抗分散能力增幅次之；对比C100，悬浊物含量下降幅度为28%；C77SF8F15降幅最小，降低幅度为12%。掺合料中的细颗粒使胶凝材料体系的密实度提高、比表面积提升、浆体内聚力增强导致其产生了更强的保水能力，与普通混凝土中掺合料的作用机理相同[4～6]。

由此可见，在制备大流态水下混凝土时，通过采用掺合料(细粉料)替代部分水泥的方式可以明显降低悬浊物含量，增加其抗分散性能；在小流动度时采用该项技术，对提高水下混凝土的抗分散性并不明显。

3 结 语

基于此次配比组成对流动性和抗分散能力影响研究取得的试验数据可以看出：

(1) 对于水下不分散混凝土，其流动性、抗分散能力的测试方法分别采用扩展度、悬浊物含量表征比坍落度、PH 值的评价方法具有更高的测试敏感性；

(2)减水剂以及絮凝剂掺量对水下不分散混凝土的流动性与抗分散能力的影响成正比；

(3)水胶比的降低增加了水下混凝土的抗分散能力，且其与絮凝剂产生了叠加效应；

(4)采用掺合料(细粉料)替代部分水泥可以增加水下混凝土的抗分散性能且存在最优替代率。