水下不分散混凝土海水環境下的結構與性能

谷立楠，趙晶，楊帆，劉思桐

0 引言

水下不分散混凝土是指在混凝土中摻加適量絮凝劑，使混凝土在水下澆筑過程中具有抑制水泥流失和骨料離析特性的建筑工程材料.傳統水工混凝土水下澆筑固結后與相同配比空氣中成型試件強度比值較低，而加入適量絮凝劑后，齡期為28天時這一比值可達到70%及以上.混凝土設計主要以強度作為評定指標，水下不分散混凝土因固結后強度方面優良的性能而備受青睞.絮凝劑在水中線性展開，長鏈的高分子吸附著兩個甚至更多個膠體顆粒表面上，因此，絮凝劑的加入，增加了混凝土的黏聚性，水下澆筑時抑制水泥漿體流失.文獻[1-3]報道了水下不分散混凝土在橋梁、大壩圍堰等工程中的應用.目前關于水下不分散混凝土的研究集中在抗分散性能改進，以及淡水環境下力學性能和耐久性研究，針對較長期海水環境下的力學性能和孔隙結構研究鮮有報道.而水下不分散混凝土在海水環境應用廣泛，由此可見，水下不分散混凝土長期海水環境下的力學性能和孔隙結構研究具有重大的實際意義.本文通過試驗對比了摻加不同種類以及不同摻量的礦物摻和料的水下不分散混凝土，分別在淡水和海水環境下養護的力學性能，并研究其發展規律，針對力學性能較好的摻量組分析其孔隙結構，研究其孔隙結構特征，比較淡水和海水養護下孔隙結構的差異.

1 原材料和混凝土配合比

1.1 原材料

膠凝體系：普通硅酸鹽水泥：大連小野田華日牌P·O 42.5R；硅灰：大連瑞安建筑材料有限公司硅灰，其中硅含量90%；礦粉：S95礦粉；粉煤灰：大連華能電廠Ⅱ級低鈣粉煤灰；沸石粉：Ⅱ級沸石粉.

集料：細集料：大連本地河砂，細度模數為2.6，符合Ⅱ區中砂，連續級配；粗集料：大連本地5～20 mm石灰巖碎石，連續級配.

拌合水：為實驗室自來水.

外加劑：絮凝劑：中國石油集團工程技術研究院產UWB-Ⅱ型絮凝劑，摻量為2.5%；減水劑：大連建科院產聚羧酸高效減水劑.

1.2 混凝土配合比

試驗用到10組C40混凝土配合比，為得到相似工作性能，調整減水劑摻量，見表1.

表1 水下不分散混凝土配合比

注：礦物摻合料和外加劑摻量均為膠凝材料總質量的質量百分比；水的用量mw=250 kg/m3；膠凝材料用量mc+mp=520 kg/m3.

2 海水養護下的力學性能

2.1 摻加硅灰對水下不分散混凝土力學性能影響

在海水養護下摻入硅灰的水下不分散混凝土和空白試件(未摻加礦物摻和料的水下不分散混凝土)的抗壓強度見圖1.由圖1看出1-1、1-2、1-3號摻加了硅灰的試件抗壓強度均高于0-1號空白試件.原因在于摻加了硅灰的三組試件分別有5%、8%、10%的硅灰取代了水泥，提高了混凝土試件的抗壓強度[4].

從圖1可以看出，1-1號試件早期強度發展快速平穩，在7～28 d之間強度增長較快，后期強度持續發展，360 d時強度比28 d高出16.3%，比同齡期的空白試件高11.8%.1-2號混凝土試件強度始終高于1-1號試件，360 d強度比28 d強度高21.4%，比同齡期空白試件高出20.6%.1-3號混凝土試件3 d強度較低，7～28 d強度發展迅速，而56 d后強度有下降趨勢.可以看出，摻加適量硅灰可以提高混凝土強度，摻量為8%的試件強度優于其他摻量.

圖1 摻加硅灰的混凝土抗壓強度

2.2 粉煤灰和礦粉1∶1復摻對水下不分散力學性能影響

粉煤灰和礦粉1∶1復摻作為礦物摻和料的水下不分散混凝土和空白試件的抗壓強度見圖2.從中可看出2-1、2-2、2-3試件的3 d強度都明顯低于空白試件的強度[5].2-2號試件3 d～7 d發展迅速，強度高于空白試件的同齡期強度，除此之外，三組試件56 d之前強度均低于空白試件的同齡期強度.56 d后，三組試件強度持續增長，360 d強度均高于空白試件，其中2-1號試件增長幅度最大，高出空白試件22.3%.從中可以看出，摻和料摻量大，早期強度低，而后期強度并沒有最高.粉煤灰和礦粉復摻會降低混凝土早期強度，提高長期抗壓強度.從長期力學性能發展來看，粉煤灰和礦粉復摻時，摻量為10%的混凝土試件早期強度較低，后期強度發展穩定，優于其他摻量.

圖2 粉煤灰和礦粉1∶1復摻的混凝土抗壓強度

2.3 摻加沸石粉對水下不分散力學性能影響

摻入沸石粉后的水下不分散混凝土和空白試件的抗壓強度見圖3.從圖3中看出，3-1、3-2、3-3號試件摻量分別為17%、18%、19%沸石粉無論相互比較，或是與空白試件相比，早期抗壓強度差別都不大.沸石粉中含有大量的含水鋁硅酸鹽礦物，因而具有較高的活性，早期強度發展與空白試件相近.三組試件的強度在28～180 d之間均逐漸增長，其中3-1號混凝土試件180 d強度高于同齡期空白試件17.6%.三組試件360 d強度相對于180 d都有所降低，可見沸石粉對混凝土早期強度有貢獻，對后期貢獻不大.3-2號混凝土試件沸石粉摻量為18%，優于其他摻量.

圖3 摻加沸石粉的混凝土抗壓強度

對比以上摻加不同礦物摻和料的水下不分散混凝土海水養護下的抗壓強度，發現摻加硅灰的三組混凝土試件抗壓強度始終高于其他摻和料的混凝土，其中摻量為8%硅灰的試件較好；粉煤灰和礦粉1∶1復摻的混凝土強度發展緩慢，早期強度較低，后期強度持續發展，但整體來看不如摻加硅灰的試件強度；摻加沸石粉的三組試件強度發展穩定，比摻加硅灰的混凝土試件強度低，但優于粉煤灰和礦粉1∶1復摻的混凝土試件[6].

3 海水養護對力學性能影響

圖4 摻加不同摻和料的混凝土抗壓強度

摻加硅灰1-2組、粉煤灰和礦粉1∶1復摻2-1組和沸石粉3-2組試件360 d抗壓強度海水養護比淡水養護分別高出11.5%、-11.4%和8.9%.硅灰和沸石粉都是細微顆粒，在水化反應后期，細微顆粒填充水泥膠體孔隙，減少海水中有害離子對混凝土的影響，所以摻加硅灰和沸石粉的混凝土在淡水、海水養護差別比空白試件小很多.沸石粉早期就參與水化反應，到了180 d之后，水化反應基本完成，水中離子的腐蝕作用展現出來，所以無論淡水還是海水中，180 d之后強度都有所降低.粉煤灰和礦粉1∶1復摻海水養護和淡水養護強度差別不明顯，但是后期海水養護下強度高于淡水養護[8].

4 水下不分散混凝土孔結構特征

硬化后的混凝土是一種非均勻的多孔性材料，混凝土的孔結構嚴重影響著混凝土的力學性能和耐久性能，因此研究水下不分散混凝土的孔結構特征十分必要.本文采用壓汞法來研究孔隙分布特征，對比摻加不同礦物摻和料以及不同養護條件的水下不分散混凝土，從微觀角度考察力學性能的變化.實驗采用美國MICROMERITICS公司生產的AutoPoreIV9500全自動壓汞儀.實驗選取力學性能較好的摻量組，由于實驗中180 d之前試件強度持續上升，而180～360 d之間有部分試件強度降低，因此測定五組混凝土分別在淡水和海水環境養護下180 d的孔隙結構，結果見表2.

表2 混凝土180 d孔結構參數

4.1 淡水養護下混凝土孔隙結構

對比淡水養護下的四組試件孔隙率和平均孔徑，如圖5.四組試件孔隙率相近，而平均孔徑差別較大.整體來看0-1組的平均孔徑最大，摻加礦物摻和料的試件平均孔徑相對于空白實驗有所減小.這與四組混凝土的宏觀力學性能相應，摻加了礦物摻和料的試件180 d強度高于空白試件.混凝土的內部孔隙結構復雜，微觀孔隙率并不能良好的表現混凝土孔結構的復雜程度，即便孔隙率相近，孔徑分布也不同，相比于孔隙率，平均孔徑與宏觀力學性能聯系更緊密[9].

圖5 混凝土孔隙率和平均孔徑

吳中偉院士在1973年提出了孔級劃分和孔隙率的概念，按照不同孔徑尺寸對混凝土性能影響的程度將混凝土中的孔分為：無害孔(<20 nm)、少害孔(20～100 nm)、有害孔(100～200 nm)和多害孔(>200 nm)四類[10].對比淡水養護下四組試件的孔徑分布如圖6.摻加礦物摻和料后，少害孔減少，無害孔增加，以2-1和3-2組試件表現較為明顯，其中1-2組試件多害孔和有害孔減少，無害孔和少害孔增加，也就意味著孔徑朝著細小化發展.這與礦物摻和料在混凝土中起到的作用相應，填充水泥水化反應產生的孔隙，細化孔結構，長期力學性能上表現為強度增大.

圖6 混凝土孔徑分布

4.2 海水養護對混凝土孔隙結構影響

對比淡水和海水養護下的混凝土試件的孔隙結構，如圖7.在空白試件中，海水養護的試件比淡水養護試件孔隙率和平均孔徑都有所降低，無害孔比例增加，多害孔比例減少，而抗壓強度卻沒有升高.這是因為在海水養護環境下，海水中的有害離子水化產物填充了混凝土內部孔隙，降低了孔隙率和平均孔徑，但是這些填充物沒有改善混凝土的宏觀力學性能，反而從內部損傷破壞水泥膠體，降低了混凝土的強度.

圖7 養護條件對孔隙率和平均孔徑的影響

對比1-2組試件分別在淡水和海水中養護成型的孔隙結構，如圖8所示.在海水養護下平均孔徑和孔隙率變化不大，少害孔略微減少，多害空略微增加，與此相應， 抗壓強度略微降低，但是整體而言，摻加硅灰后，分別在海水和淡水中養護的試件差別不大.相對于硅灰，摻加沸石粉3-2組與粉煤灰和礦粉1∶1復摻2-1組在海水環境下早期強度發展緩慢，后期強度有一定發展，所以孔隙結構發展還不穩定，淡水和海水養護下對比不明顯.

圖8 養護條件對孔徑分布的影響

5 結論

(1)海水養護加速水下不分散混凝土水化反應，提升早期強度，長期處于海水環境下，海水中的離子填充混凝土內部孔隙，降低孔隙率，同時降低長期強度;

(2)海水養護能夠提高粉煤灰和礦粉1∶1復摻混凝土的早期強度，對長期力學性能影響不大，最佳摻量為10%；摻加沸石粉的混凝土處于海水環境下，早期強度發展緩慢，后期有一定發展，最佳摻量為18%；海水養護對摻加硅灰的混凝土影響不大，最佳摻量為8%;

(3)摻加礦物摻和料能夠細化孔結構，摻加硅灰的混凝土性能優于單摻沸石粉及粉煤灰和礦粉1∶1復摻.

參考文獻：

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