低流態水下不分散混凝土制備及性能研究

王義恒，黃勁，祝文凱，景曉光，陳超

（華新水泥股份有限公司，湖北 武漢 430070）

低流態水下不分散混凝土制備及性能研究

王義恒，黃勁，祝文凱，景曉光，陳超

（華新水泥股份有限公司，湖北 武漢 430070）

本文通過調整膠凝材料用量及水膠比制備了水下不分散混凝土，并研究了這兩個參數對混凝土性能的影響。結果表明，膠凝材料用量和水膠比均不同程度影響混凝土的工作性能、力學性能及抗分散性能；通過控制膠凝材料用量400kg/m3及水膠比0.45可制備出整體性能最佳的 C20水下不分散混凝土。

水下不分散混凝土；工作性能；力學性能；抗分散性能；水陸強度比

水下不分散混凝土（underwater anti-washout concrete, UWC）作為高性能混凝土的一種，常用于工程的水下基礎部分。其可在水下直接澆注成型，無需輔助振搗，并且能抵抗一定的水流沖刷擾動，在水中硬化后具備優良的力學性能，適合于施工條件復雜的水下環境，節省了圍堰及支模等多道施工工序[1]，因此可以大幅降低施工周期及工程造價。UWC 在國外使用相當普遍，并被予以“新一代水下工程材料”[2]。但在國內，其多用于重點控制工程，尤其是橋梁承臺的封底及水下護坡等非結構主體部分，并且往往單方成本遠高于同強度等級的普通混凝土，這也限制了其在一般工程中的推廣應用。

UWC 的抵抗水流擾動沖刷的關鍵是絮凝劑[3]，目前國內使用的主要是中國石油集團工程技術研究院生產的 UWB-Ⅱ型絮凝劑，但其摻入后會顯著降低混凝土的工作性能及力學性能[4]，為滿足水下自密實需求，目前工程往往通過增加膠凝材料用量及水膠比來改善 UWC的工作性能[5]，并且 UWC 膠材用量常高達500kg/m3，這也是 UWC 成本高的主要原因之一。UWC 通常使用普通混凝土的評價方法來判斷其工作性能，即以新拌混凝土的坍落度和30s 擴展度來表示，但和普通混凝土不同的是，UWC 是在水環境下澆注成型，即澆注過程中混凝土會接觸額外的用水量，其工作性能得以間接改善，從而低流態 UWC 也可能達到水下自密實效果。本文基于此思路，通過控制水泥摻量及用水量，探討低流動性水下不分散混凝土在水下澆注成型后的性能。

1 試驗

1.1 原材料

（1）膠凝材料：湖北華新堡壘牌 P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥的物理力學性能如表1所示。

（2）集料：天然河砂，細度模數2.7；華新骨料公司5～20mm 連續級配的石灰巖碎石，壓碎值11%。

（3）外加劑：中國石油集團工程技術研究院生產的 UWB-Ⅱ 型絮凝劑，摻量2.5%；江蘇中鐵奧萊特聚羧酸高性能減水劑，減水率28%，固含量18%。

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土配合比

UWC 配合比如表2所示，組1～5研究膠凝材料用量對 UWC 性能的影響，組2、組6和組7研究用水量對 UWC 性能的影響。

表1 水泥的物理力學性能

表2 U WC 配合比

1.2.2 U WC制備與成型

UWC 的性能測試及成型參照 GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》和 DL/T5117—2000《水下不分散混凝土試驗規程》，每組混凝土攪拌30L，水下澆注成型3組試件，尺寸為100mm×100mm×100mm，澆注方式如圖1所示，試模頂距水面15cm，混凝土從水面直接一次澆注成型，成型后帶模從水中取出，輕敲試模以排出混凝土內部的水，試件收面后立即置于水中養護，2d 后拆模并在水中養護。作為對照，陸上成型2組試件，尺寸為100mm×100mm×100mm，2d 后脫模并在水中養護；作為對照，每組混凝土同批次成型3組試件，試件在陸上成型，輕敲以輔助密實，室內養護1d 后置于水中養護，2d 后拆模并在水中養護。

1.2.3 性能測試

（1）工作性能，以坍落度筒測混凝土出鍋后的坍落度及擴展度，并測定砂漿部分（UWC 過10mm 方孔篩）的凝結時間。

（2）力學性能，水下及陸上成型試件均測定3d、7d 及28d 抗壓強度，計算對應齡期的水下及陸上成型試件強度比。

（3）抗分散性能，以水陸強度比、水泥流失量及水的 pH 值共同評價[6]，其中水泥流失量即為混凝土入水后的質量損失，將一定質量的 UBW 從50cm 高度差倒入水中，倒空容器內水后，測試并計算混凝土入水前后的質量變化；UWC 入水后水的 pH 值以 pH 計測得，每次測定后更換容器中的水。

圖1 U WC 澆注成型及性能測試

2 試驗結果及分析

試驗結果如表3所述，包括 UWB 的工作性能和抗分散性能。

2.1 混凝土工作性能

從圖2所示的 UWC 流動性變化可以看出，W/C=0.5時，隨著膠材用量的增加，混凝土的流動性略微增加，但并不顯著；而在400kg/m3膠材用量下，隨著水膠比的增加，混凝土流動性顯著改善，即摻入絮凝劑后，水膠比是影響混凝土流動性的主要因素，這也說明了制備 UWC 時適當降低膠材用量是可行的。

同樣，從圖3所示的混凝土凝結時間變化可以看出，UWC 的終凝時間均較長，均在24h 以上，而降低膠材用量及水膠比均能不同程度縮短 UWC 的凝結時間，對于 WUC 的施工是有利的。

表3 試驗結果

圖2 混凝土流動性變化

圖3 混凝土凝結時間變化

2.2 混凝土的抗分散性能

UWC 的抗分散性能主要由混凝土入水后質量損失率、水的 pH 值變化以及水陸強度比等參數共同評價。從圖4所示的混凝土入水后的質量損失率與水的 pH 值變化可以知，隨著膠凝材料用量的增加，UWC 的質量損失率呈增加趨勢，即膠凝材料用量越大，UWC 的抗分散性能越差，并且 pH 值的變化規律與質量損失率相一致；而隨著水膠比的降低，UWC 的質量損失率呈顯著降低趨勢，pH 值也呈降低趨勢。故降低膠材用量和水膠比均有利于改善混凝土入水時的抗分散性能。

雖然在500kg/m3膠材用量及0.5水膠比下混凝土具有較佳的流動性，但入水后混凝土分散最明顯，這由于UWC 可分散部分主要是水泥漿體部分，膠凝材料用量增大時，可分散部分的總量增加，抗分散性能變差；水膠比增大，混凝土漿體的粘度降低，抗分散性能同樣變差[7]，故考慮質量損失率及水的 pH 值，低膠材用量及低水膠比 UWC 的抗分散效果最佳。

圖4 混凝土質量損失率與水的 p H 值變化

圖5 混凝土強度及水陸強度比變化

從圖5所示的混凝土強度及水陸強度比可以得出，各組 UWC 早期陸上強度（3d 及7d）相差均不是很明顯，主要是由于絮凝劑對混凝土的緩凝作用所致，使得混凝土的早期強度普遍比較低；UWC 的早期水下強度隨著膠材用量增加及水膠比的降低均略微增加，故早期水陸強度比呈現出與水下強度的變化趨勢相同。UWC的28d 強度則與早期強度變化規律相差較大：28d 陸上強度及水下強度均隨著膠材用量的增加而顯著增加，但水陸強度比卻呈先增加后降低的趨勢，400kg/m3膠材用量下28d 水陸強度比為0.76，主要是在相同水膠比下，陸上強度隨膠材用量增加更明顯所致；而隨著水膠比的降低，28d 陸上強度和水下強度均呈先增加后降低的趨勢，而水陸強度比卻呈增加的趨勢，0.40水膠比下達到最高，水陸強度比為0.81。

綜合考慮水后質量損失率、水的 pH 值變化以及水陸強度比等三個因素，400kg/m3和0.40水膠比下混凝土的抗分散性能最佳；但考慮到0.45水膠比下混凝土的水下強度更佳，而抗分散性能相差也不大，故選擇改組作為水下不分散混凝土的最佳配比，混凝土強度等級可達 C20。

3 結論

（1）降低膠材用量不會顯著影響 UWC 的流動性，但降低水膠比會顯著降低 UWC 的工作時間，二者均能縮短 UWC 的凝結時間。

（2）降低水膠比均有利于提高混凝土的陸上和水下強度，以及水陸強度比；降低膠材用量及水膠比均能改善 UWC的抗分散性能。

（3）通過控制膠材用量400kg/m3，水膠比0.45可制備出性能較佳的 UWC，水下成型強度等級可達C20，混凝土抗水分散性能較佳。

[1] 趙晶，王進，吳會軍．水下不分散混凝土在海水環境下強度發展特性[J]．混凝土，2015(8)：31-34．

[2] 王進京．水下不分散混凝土性能研究[D]．大連：大連交通大學[A]，2015．

[3] 張鳴，陳龍修，周明耀，等．絮凝劑及輔助劑對水泥凈漿流動性的影響研究[J]．混凝土，2017(2)：66-68．

[4] 林鮮，陳凌華，周偉，等．UWBⅡ型水下不分散混凝土絮凝劑的性能研究[J]．混凝土，2006(4)：52-53．

[5] 王文忠，韋灼彬，唐軍務，等．水下不分散混凝土配合比及其性能研究[J]．中外公路，2012,32(1)：265-267．

[6] Heniegal A. M., Maaty A. A. E. S., Agwa I. S. Simulation of the behavior of pressurized underwater concrete[J]. Alexandria Engineering Journal,2015,54(2)：183-195.

[7] 郭自利，周鼎，裴正南．水下澆筑混凝土用抗分散劑試驗研究[J]．混凝土，2017(4)：122-125．

［通訊地址］湖北省武漢市光谷大道國際企業中心華新水泥（430070）

Study on preparation and performance of underwater anti-washout concrete

Wang Yiheng, Huang Jin, Zhu Wenkai, Jing Xiaoguang; Chen Chao
(Huaxin Cement Co., Ltd., Wuhan 430070)

Underwater anti-washout concrete was prepared with different cementitious materials content and water to binder ratio, and its inf l uence on properties of concrete were studied. Results show that, both cementitious materialscontent and water to binder ratio affect the working performance, mechanical properties and anti-washout resistance of concrete in different degree. C20grade underwater anti-washout concrete with good properties was prepared with cementitious materials content of400kg/m3and water to binder ratio of0.45.

underwater anti-washout concrete; working performance; mechanical properties; anti-washout resistance; relative compressive strengths

王義恒（1983—），碩士，工程師，主要從事混凝土及特種砂漿方面的研究工作。