改良水下不分散混凝土在水利工程中的應(yīng)用研究

武紀剛

(臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276300)

在我國大型水利工程中，由于輸水渠道長期處于工作狀態(tài)，加上受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運動或人類活動的影響，水利渠道難以避免出現(xiàn)磨損、損害[1- 3]。因此，如何利用現(xiàn)有材料對混凝土進行改進使得其能夠適用于水利管道的水下修補工作，是水利工程修復(fù)工作中的一個難題[4- 5]。劉巖等[6]依托內(nèi)蒙古某電站水庫庫底瀝青混凝土防滲面板修復(fù)工程，通過深入調(diào)查提出了水下瀝青混凝土裂縫修復(fù)方法，該方法有效地解決了瀝青混凝土面板局部裂縫及滲水的問題。趙同峰[7]采用低需水量的絮凝劑，添加觸變劑及減水劑，并通過引入早強組分，得到了高黏結(jié)性C50水下絮凝混凝土最優(yōu)配合比，該方法在水下混凝土加固工程具有良好的應(yīng)用。

上述研究均未能指出在輸水渠道進行破損混凝土修復(fù)的方法，因此，文章基于室內(nèi)試驗，通過設(shè)計不同硅粉摻量的水下混凝土工程性能檢測試驗，得出最佳配比，以期為工程實際應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)作用。

1 試樣制備與試驗方案

1.1 混凝土配比設(shè)計

本次試驗的研究對象為不同配比的水下不分散混凝土，主要材料為水泥、硅粉、粉煤灰、骨料及外加劑。其中，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，硅粉材料滿足GB/T 18736—2017《高強高性能混凝土用礦物外加劑》[8]的相關(guān)要求，骨料采用人工砂石骨料，平均密度為2.65g/cm3，外加劑采用高效減水劑。硅粉摻量分別為0%、5%、10%、15%及20%，砂率為45%，其余為粉煤灰。單位體積(1m3)混凝土用水180kg，減水劑1.5kg。采用傾倒法形成水下抗分散混凝土，并根據(jù)混凝土相關(guān)規(guī)范制備成100mm×100mm×100mm標準立方體試樣并進行養(yǎng)護。

1.2 試驗方案

本次水下不分散混凝土工程性能測試主要包括3個部分，即混凝土流動性試驗、混凝土抗分散性試驗以及混凝土單軸抗壓強度試驗。試驗對象是養(yǎng)護齡期分別為7d及28d的混凝土試樣。

(1)混凝土流動性試驗。引入坍落擴展度檢測水下混凝土的可流動性，該實驗需要先將坍落度筒放在刻度板上，再將混凝土倒入坍落度筒，垂直提起坍落度筒使混凝土自由流出并測量其最大擴展位移。

(2)混凝土抗分散性試驗。抗分散性試驗采用稱重法對膠凝材料的流失量及懸濁物含量進行測試。

(3)混凝土單軸抗壓強度試驗。單軸抗壓試驗分為水下混凝土抗壓試驗與水上混凝土抗壓強度試驗，即針對不同成型方法的混凝土展開抗壓試驗。采用MTS- 815型材料單軸壓縮試驗機進行加載，加載速率為30kN/min。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 物理性能分析

圖1為不同硅粉摻量條件下水下不分散混凝土的坍落擴展度、膠凝材料流失量及懸濁物含量隨硅粉含量變化圖。由圖 1 可知，三個物理性質(zhì)參數(shù)表現(xiàn)出相同的變化趨勢：隨硅粉含量的增加，坍落擴展度、膠凝材料流失量及懸濁物含量不斷降低，且降低速度逐漸變慢。

由圖1可知，對于水下混凝土，其在不摻硅粉條件下坍落擴展度最大，達到525mm。而通過摻加適量的硅粉后(5%～15%)，水下混凝土的坍落擴展度得到了明顯的降低，但流動性依然較強；但當(dāng)硅粉摻量超過 20%時，此時坍落擴展度僅達到420mm，混凝土流動性發(fā)生了明顯的下降。分析認為，當(dāng)混凝土摻加了一定量的硅粉后，硅粉超細顆粒填充了水泥粗顆粒和其余材料之間的間隙，因而使得體系的粒度分布更合理。根據(jù)相關(guān)標準，當(dāng)水下混凝土坍落擴展度超過550mm以上時，可認為具有很高的流動性[9- 11]。

由圖1可進一步得到，水下不分散混凝土的膠凝材料流失量及懸濁物含量隨硅粉的變化。硅粉摻量越大，膠凝材料流失量、懸濁物含量越小。分析認為，由于硅粉比表面積較大，在漿體量一定的條件下，硅粉顆粒吸附了大量水分而導(dǎo)致體系里的自由水減少。不摻硅粉條件下水下混凝土的膠凝材料流失量為4.30%、懸濁物含量為325mg/L。根據(jù)相關(guān)標準，只有當(dāng)水下混凝土達到膠凝材料流失量<1.5%，懸濁物含量小于150mg/L時，才能滿足抗分散性要求。由圖1可知，不摻硅粉的水下混凝土與硅粉摻量分別為5%及10%的水下混凝土不能夠滿足膠凝材料流失量低于1.5%的基本要求，同時不摻硅粉的水下混凝土也不能夠滿足懸濁物含量小于150mg/L的基本要求。由此可見，只有當(dāng)水下混凝土的硅粉摻量達到15%及以上時，才能夠滿足抗分散性要求。

圖1 不同粉煤灰摻量下水下混凝土物理性質(zhì)

2.2 抗壓強度分析

圖2為不同養(yǎng)護齡期的水上、水下成型的混凝土的抗壓強度試驗結(jié)果。由圖2可知，隨著硅粉摻量的增加，不同養(yǎng)護齡期的混凝土抗壓強度均逐漸得到提高。對于養(yǎng)護齡期為7d的混凝土，在不摻硅粉條件下，水上、水下成型的混凝土的抗壓強度最小，分別為20.08、10.50MPa，而硅粉摻量為20%的混凝土的抗壓強度分別為 25.02、16.95MPa，強度提升幅度分別達到24.6%及61.4%；對于養(yǎng)護齡期為28d的混凝土，在不摻硅粉條件下，水上、水下成型的混凝土的抗壓強度最小，分別為 40.08、23.10MPa，而硅粉摻量為20%的混凝土的抗壓強度分別為 43.50、36.05MPa，強度提升幅度分別達到8.5%及56.1%。本次試驗水下混凝土設(shè)計強度為26.5MPa，故只有當(dāng)養(yǎng)護齡期達到28d且硅粉摻量達到 20%及以上時才能夠滿足強度要求[12- 14]。

為分析抗壓強度與硅粉摻量之間的關(guān)系，基于試驗結(jié)果進行擬合，擬合結(jié)果如圖2所示，式中m為硅粉摻量。由圖2可知，水下混凝土的抗壓強度與硅粉摻量成線性遞增關(guān)系，且擬合效果良好，線性相關(guān)系數(shù)均在0.91以上，擬合結(jié)果可靠。

圖2 不同養(yǎng)護齡期的水上與水下混凝土的抗壓強度

進一步分析抗壓強度試驗結(jié)果，引入水下成型混凝土強度與水上成型混凝土強度的比值k，表1給出了k隨硅粉摻量變化的關(guān)系。由表1可知，隨著硅粉摻量增大，k也隨之增大，其中，養(yǎng)護齡期為7d條件下k最小為 0.53，最大為 0.68，養(yǎng)護齡期為28d條件下k最小為 0.58，最大為 0.83。

表1 不同養(yǎng)護齡期混凝土水下強度與水上強度的比值

2.3 最優(yōu)方案選擇

綜上所述，根據(jù)不同硅粉摻量條件下水下不分散混凝土的流動性、抗分散性和抗壓強度試驗結(jié)果分析，只有當(dāng)硅粉摻量達到15%及以上時，才能夠滿足水下不分散混凝土流動性、抗分散性和抗壓強度的全部要求。而由于硅粉材料相較于其他材料，具有價格較高、材料較難獲取的特點，因此在水下混凝土配比中其設(shè)計配比量應(yīng)當(dāng)盡可能地少。因此，綜合所有條件及試驗結(jié)果，當(dāng)硅粉摻量 15%時，水下不分散混凝土不僅能夠滿足抗分散性和強度要求，且經(jīng)濟型較高，綜合性能較優(yōu)，該配比為最佳方案。

3 結(jié)論

為研究不同硅粉摻量條件下水下不分散混凝土的工程性能，基于室內(nèi)混凝土流動性試驗、混凝土抗分散性試驗以及混凝土單軸抗壓強度試驗對混凝土的工程性能展開了研究，得出以下結(jié)論：

(1)只有當(dāng)硅粉摻量大于等于15%時，才能夠滿足水下混凝土流動性及抗分散性要求。

(2)隨著硅粉摻量的增加，不同養(yǎng)護齡期的水下不分散混凝土的抗壓強度均逐漸得到提高。對于水上與水下成型的兩種混凝土，在養(yǎng)護齡期為7d條件下，強度最大提升幅度分別達到24.6%及61.4%；在養(yǎng)護齡期為28d條件下，強度最大提升幅度分別達到8.5%及56.1%。

(3)當(dāng)硅粉摻量為15%時，水下不分散混凝土不僅能夠滿足抗分散性和強度要求，且經(jīng)濟型較高，綜合性能較優(yōu)，該配比為最佳方案。