基于水下不分散混凝土性能研究

于 壮

（庄河市水务行政执法队，辽宁 庄河 116400）

从20世纪80年代成功研发以来，水下不分散混凝土在海洋和水库大坝等中的应用越来越多，并达到较好效果[1-3]。从材料性能层面上，不分散混凝土相比于常规水下混凝土主要利用絮凝剂增强黏聚性，从而达到水下施工抑制胶材分离的作用。为满足实际工程技术要求广大学者开展了深入研究，如SONEBI等探讨了混凝土抗分散性和高流动性受絮凝剂组成及浓度、配合比、胶凝材料的影响，结果显示混凝土抗分散性直接取决于絮凝剂掺量，增加絮凝剂掺量能够有效提高其抗水分散性；BAE等认为掺絮凝剂能够明显改善混凝土的抗水下离散性能与抗压强度，并且可以降低水质污染程度；谷立楠等[4]分析了海水条件下混凝土性能受矿物掺合料的影响，结果表明海水养护不利于28d及后期强度发展，但能够增大早期强度；孙振平等[5]探究了混凝土抗压强度和抗分散性能受硅灰、消泡剂、高效减水剂、絮凝剂的影响规律，通过比较各项耐久性指标发现同强度等级下水下抗分散优于普通混凝土的耐久性；韦灼彬等[6]分析了消泡剂、减水剂、水灰比及絮凝剂对混凝土抗分散性的影响，并揭示出各因素的影响规律；刘明乐等[7]以硅灰和矿粉为变量，试验发现掺硅灰与矿粉可以明显增强混凝土抗分散性和强度；廖绍华等[8]研究了混凝土性能受絮凝剂掺量、珊瑚砂率、水泥用量的影响，结果显示其水陆强度比随絮凝剂、水泥用量的增加而提高，水泥的推荐掺量为235~285kg/m3，用水量受砂率影响较大；张鸣等[9]探究了水下不分散混凝土抗氯离子侵蚀性、抗分散性、流动性能与矿渣粉、粉煤灰掺量之间的关系，结果发现复掺矿渣粉与粉煤灰能够明显增大气力学和抗分散性，并减小拌合物流动性。因此，现有研究主要侧重于力学性能分析，研究不分散混凝土在新浇筑未硬化状态下的和易性以及抗分散性、抗渗性的还较少。鉴于此，文章通过配合比设计，试验探讨了水下不分散混凝土受不同胶材组成的影响，并考虑试验数据提出最优配合比，以期为水下不分散混凝土的推广应用提供一定支持。

1 试验方案

1.1 配合比设计

充分考虑水下不分散混凝土的施工和易性、抗渗性、自密实性、耐久性、抗分散性以及抗压强度等要求[10-12]，根据实际要求和设计流程确定S、F两种配合比，试验配合比，见表1。其中F配比中胶材以絮凝剂、膨润土、掺合料和高水速凝材料等为主，S配比中胶材以防渗补漏材料、絮凝剂、膨润土、掺合料及水泥等为主，J组为基准对照普通混凝土。砂为Ⅱ区天然河砂，细度模数2.7；碎石为连续级配花岗岩碎石，粒级5~25mm。

表1 试验配合比

1.2 测试方法

参照《水下不分散混凝土试验规程》中的方法测定水下抗分散性、和易性、力学性能、弹性模量及抗渗性能，其中抗分散性选用pH值及胶材流失率指标来衡量，力学性能选用14d、28d水下和陆上抗压强度来衡量。

2 结果与分析

2.1 水下抗分散性

在混凝土中加入絮凝剂能够有效减少胶材流失量，在水中自由下落过程中的流失量也比较小，而未掺絮凝剂基准对照组的胶材流失较大[13-15]。为评价水下抗分散性选用水中自由落下时混凝土引起水的pH值变化量来衡量，胶材流失率和水的pH值，见表2。由表2可知，F组、S组水下不分散混凝土的胶材流失率相较于基准对照组J明显减少，pH值也明显低于基准对照组，这是因为流失的胶材越少对水的pH值增大作用越低，说明絮凝剂能够有效防治水体浑浊和水质污染。

表2 胶材流失率和水的pH值

2.2 拌合物和易性

不分散混凝土具有流动性大、可塑性好及黏稠度高等特征，水流流动条件下也可以获取均匀的材料。因此，研究选用坍落度反映拌合物的流动性，控制各配合比拌合物坍落度处于400~450mm之间。将絮凝剂掺入混凝土中能够保证材料的保水性，有效减少浮浆和泌水的发生，试验测定各配合比拌合物的泌水率和黏度，拌合物黏度、泌水率和凝结时间，见表3。由表3可知，掺絮凝剂组未出现泌水现象，特别是F组未发现泌水情况。

表3 拌合物黏度、泌水率和凝结时间

在外力作用下可以选用黏度(MPa·s)反映材料的抗黏性变形能力，将黏度按照设计要求控制在0.1~0.5MPa·s之间，该值越大代表黏度越高，同时黏度越大流动性越差，越不利于施工。结合表3可知，黏度处于控制范围内能够满足水下不分散混凝土施工要求。

2.3 抗压强度特征

为了反映水下不分散混凝土强度特征通常选用水下和陆上成型强度比（f水下/f陆上）来衡量，按水中材料质量管理要求14d龄期的水陆强度比不宜＜60%，28d龄期不宜＜70%，硬化试件的水陆强度比，见表4。由表4可知，水下和陆上成型强度相差较小均能符合设计要求。

表4 硬化试件的水陆强度比

水下不分散与基准对照组的强度相同均满足水灰比定则，陆上成型条件下普通与水下不分散试件强度基本一致，而水下成型条件下普通明显低于水下不分散混凝土强度。这是因为未掺絮凝剂混凝土的早期强度发展较慢，而后期发展较快，絮凝剂的掺入加快了早期强度发展速度，对后期强度的影响不大。

2.4 弹性模量测试

一般地，强度越高则混凝土的弹性模量越大，并且弹强比越小，弹强比随混凝土容重的减小逐渐下降，试验测定各组试件的弹性模量，硬化试件的弹性模量值，见表5。由表5可知，其弹性模量随抗压强度的提高而增大，并且弹强比随龄期的延长而减小。通过对比分析配合比可知，水下不分散混凝土中的济宁材料用量相对越多其弹强比就越小，掺入的膨润土用量越多其弹强比也越小。另外，掺入过多的鹏润会导致浇筑过程中拌合物黏性过高，在水下施工过程中不利于浇筑材料的自流平密实。所以，为保证混凝土力学性能和浇筑的施工特性应合理选用膨润土掺量。基于上述情况，F组混凝土使用的胶材用量耕读，相应的容重也就越小，但由于试验龄期过短，可以推测各配合比水下不分散混凝土的弹强比会碎腭龄期的延长进一步的下降。

表5 硬化试件的弹性模量值

2.5 抗渗性能

水下不分散混凝土应保证一定的抗渗能力和抗变形性能，测试14d和28d龄期各配合比试件的抗渗性，硬化试件的抗渗等级，见表6。结果显示，14d龄期时水下不分散混凝土能够达到S4级抗渗要求，28d龄期时可以达到S6即抗渗要求，掺絮凝剂可以明显改善混凝土的抗渗性。

表6 硬化试件的抗渗等级

以往施工的优劣状况直接决定了水下混凝土的质量情况，其技术要点就是避免外界水与混凝土的接触。因此，必须结合实践经验反复论证施工方案，并严格规范施工过程。水下不分散混凝土主要是改善混凝土的自身性能，即使在未硬化情况下遇水冲刷也不会导致材料的分离，并且保证水下均匀浇筑。通过调整配合比和选用合适的浇筑设备，可以使混凝土在水中自由下落，有利于工期控制和施工操作。水下不分散混凝土对于难以使用普通混凝土、有抢险救灾等紧急工程以及防止水质污染的施工具有较好适用性，现已被广泛用于水下构筑物浇筑施工。

3 结 论

由于具有优越的性能水下不分散混凝土逐渐引起人们的关注，并已被广泛应用于水下灌注桩、船坞码头、防波堤、海底隧道和跨海大桥等工程，如何配制性能抗分散性、流动性、力学性能以及抗渗性综合最优的混凝土已成为当前研究的热点。因此，文章通过配合比设计探讨了不同胶材组成对其力学性能的影响，该试验配合比能够保证水下不分散混凝土高塑性低弹模、高水下抗分散性、良好流动性和黏稠度等特点，施工方便且经济可行，可以为水下不分散混凝土配制及其推广应用提供一定技术支持。