基于水下不分散混凝土性能的試驗研究

呂春雨

(興城市水利事務服務中心，遼寧 興城 125100)

1 試驗方法

1.1 試驗原材料

本試驗所用原材料包括水泥、粉煤灰、礦粉、骨料、外加劑，以及水。水泥為冀東水泥廠生產的盾石牌P·O42.5水泥，標稠用水量26.5%，比表面積320 m2/kg。粉煤灰為黑龍江火電公司提供的磨細Ⅱ級粉煤灰，細度26.2%，比表面積380 m2/kg，需水量比102%。礦粉為大連金橋超細粉有限公司提供的S95級礦渣粉，燒失量0.71%，需水量比110%，比表面積19 500 m2/kg，28 d活性指數98%。粗細骨料為大連莊河砂石場提供的細度模數2.6河砂和連續級配粒徑5～20 mm石灰巖碎石，砂含泥量0.5%，碎石針片狀含量6.5%，壓碎指標8.8%。外加劑為西卡540P聚羧酸高效減水劑和UWB-Ⅱ型聚糖類抗分散劑，拌和水用當地自來水[1]。通過原材料優選和外加劑試配試驗合理確定各參數用量，如表1。

表1 基準配合比設計

1.2 測試方法

根據《水下不分散混凝土試驗規程》(DL/T 5117—2021)、《水運工程混凝土試驗檢測技術規范》(JTS/T 236—2019)成型養護并測定水下不分散混凝土抗分散性、流動性及力學性能。

2 結果與分析

2.1 水膠比影響

試驗固定膠材用量，通過調整用水量配置水膠比為0.32、0.34、0.36、0.38、0.40標準試塊，探討混凝土強度(7 d、28 d)、抗分散性(懸濁物含量、pH值、水樣濁度)和流動性(坍落度、擴展度)受水膠比的影響作用，結果如圖1～圖3。

圖1 不同水膠比拌合物流動度

由圖1可知，水膠比從0.32增大到0.34坍落度變化最明顯，增幅達到15.0%，坍落度最大值為水膠比0.40組的270 mm；水下不分散混凝土擴展度隨水膠比的增加明顯增大，水膠比從0.34增大到0.36時擴展度變化最明顯，增幅達到18.9%，該條件下的坍落度變化較小，水膠比達到0.38以后拌合物擴展度和坍落度增長變化較緩[2-5]。

由圖2可知，水樣pH值與懸濁物含量均隨著水膠比的增加而逐漸增大，水膠比0.32時水樣pH值為9.94，懸濁物含量最小為12 mg/L，水膠比0.40時兩者達到最高為11.60和147 mg/L。在不改變膠材用量的條件下，單位體積混凝土用水量隨水膠比的增大而增加，水分更好地填充內部毛細孔，表面張力作用下降使得拌合物黏聚性變差，故水膠比從0.34增大到0.38時懸濁物含量明顯上升，增幅達到110.3%。隨水膠比增大水樣濁度也逐漸增大，濁度最小值為水膠比0.32組的172 NTU，水膠比從0.34提高到0.38時水樣濁度呈明顯上升趨勢，而水膠比達到0.38后變化逐漸趨緩，說明水膠比并不能無限增大對抗分散性的不利影響，當達到一定界限值后水膠比不再明顯改變抗分散性[6]。

圖2 不同水膠比拌合物抗分散性

空氣中和水下成型養護的不同水膠比混凝土強度如圖3。隨水膠比的增大陸上成型試件7 d強度逐漸減小，其7 d強度最大、最小值為水膠比0.32組的49.5 MPa和水膠比0.40組的38.4 MPa；隨水膠比的增大水下澆筑成型試件7 d強度呈先上升后下降的變化趨勢，其7 d強度最大值為水膠比0.36組的38.5 MPa。7 d水陸強度比隨水膠比的增加呈上升趨勢，說明水中養護試件早期強度受水膠比的影響低于空氣中養護。

圖3 不同水膠比水、陸抗壓強度

由圖3可知，不同成型養護條件下的28 d與7 d齡期強度變化規律相同，但水下澆筑成型試件28 d強度最大值為水膠比0.34組的61.1 MPa水下成型，水膠比0.38組相較于0.36組的水下成型28 d強度明顯下降，而空氣中成型條件的下降幅較小。試驗表明，水膠比在0.40以內時7 d普遍低于28 d的水陸強度比，隨著齡期的延長水下澆筑成型大于陸上成型的強度發展速度。

根據以上試驗數據，水膠比為0.36組的拌合物擴展度和坍落度達到440 mm和235 mm，水下澆筑成型28 d強度達到59.0 MPa，水陸強度比最高0.95，pH值、懸濁物含量和濁度分別為10.83、81 mg/L、302 NTU，抗分散性符合規范要求，該組混凝土綜合性能最優[7-10]。

2.2 砂率影響

試驗固定其他條件不變，通過調整用砂量配置砂率38%、40%、42%、44%、46%標準試塊，探討混凝土強度(7 d、28 d)、抗分散性(水樣濁度、pH值、懸濁物含量)和流動性(坍落度、擴展度)受砂率的影響作用，結果如圖4～圖6。

圖4 不同砂率拌合物流動度

由圖4可知，拌合物擴展度與坍落度隨砂率的增大表現出相似的變化規律，兩者最大值為砂率40%組的470 mm和248 mm；砂率超過40%擴展度與坍落度均逐漸下降，砂率達到46%時兩者明顯下降到410 mm和224 mm，該條件下已無法達到工作性能要求。水泥漿不變時，砂率越大則包裹骨料所需要的水泥漿就越多，從而使水泥漿的潤滑作用以及拌合物的流動性下降。

由圖5可知，水樣pH值和懸濁物含量最大值為砂率40%組的11.41、128 mg/L，最小值為砂率46%組的11.00和102 mg/L，相差不大，這表明混凝土抗分散性受試驗范圍內砂率的影響有限。水樣濁度值隨砂率的變化而明顯改變，砂率從38%增大到46%水樣濁度值呈先上升后下降的變化趨勢，濁度值最大為砂率40%組的416 NTU，該條件下的pH值和懸濁物含量為11.24及128 mg/L，符合現行規范要求。

圖5 不同砂率拌合物抗分散性

空氣中和水下成型養護的不同砂率混凝土強度如圖6。空氣中成型試件7 d強度隨砂率的增加呈先上升后下降的趨勢，其強度最大、最小值為砂率42%組的45.6 MPa和砂率46%組的41.0 MPa；水下澆筑成型試件的7 d強度最大值為砂率44%組的39.2 MPa，而砂率進一步提高至46%時強度明顯下降，僅有30.6 MPa，為砂率44%組的78.1%。隨著砂率的增大空氣中成型試件28 d強度變化不明顯，而水下澆筑成型試件28 d強度呈先上升后下降的變化趨勢，最大值為砂率42%組的60.8 MPa，進一步增大砂率至44%時強度明顯下降。

圖6 不同砂率水、陸抗壓強度

結合相關試驗數據，拌合物擴展度與坍落度最大值均出現在砂率為40%組，水下澆筑成型條件下砂率為40%和42%組試件強度相差不大，進一步提高砂率到44%水下澆筑成型28 d強度明顯下降。

2.3 抗分散劑影響

試驗固定水膠比0.36，配置抗分散劑摻量為2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%標準試塊，探討混凝土強度(7 d、28 d)、抗分散性(水樣濁度、pH值、懸濁物含量)和流動性(坍落度、擴展度)受抗分散劑摻量的影響，結果如圖7～圖9。

圖7 不同抗分散劑摻量拌合物流動度

由圖7可知，拌合物擴展度與坍落度均隨著抗分散劑摻量的增加表現出下降趨勢，這是由于抗分散劑的加入增大了拌合物黏度，使得其流動性減小。拌合物5 min(初始0擴展度與坍落度最大值均為摻2.0%抗分散劑組的505 mm、255 mm，最小值均為摻4.0%抗分散劑組的410 mm和228 mm，摻3.5%抗分散劑組的5 min和60 min擴展度為430 mm、405 mm，該條件下不符合工作性要求，所以其摻量一般≤3.5%。由圖7可知，從經時損失上，隨抗分散劑摻量的增加擴展度明顯變化而坍落度變化較小，60 min擴展度損失表現出上升趨勢，摻量<3.0%時擴展度經時損失呈明顯增長趨勢，摻量超過3.0%以后經時損失增幅變緩，表明擴展度與坍落度經時損失隨抗分散劑摻量的增加而增大，但是摻量超過一定界限后影響有限。

由圖8可知，隨抗分散劑摻量的增加水樣pH值和懸濁物含量均逐漸下降，摻2.5%抗分散劑時水樣懸濁物含量達到165 mg/L，不符合規范要求，抗分散劑摻量超過3.0%時水樣懸濁物含量明顯減小，最小值為摻4.0%抗分散劑組的45 mg/L。結合pH值變化趨勢，抗分散劑摻量處于3.5%以內時pH變化平緩且未超過12.0，摻量達到4.0%時pH值從10.61明顯減少到9.56。因此，充分考慮外加劑選用以及流動度受抗分散劑的影響，水下不分散混凝土摻抗分散劑用量不宜超過3.5%。水樣濁度值受抗分散劑摻量的影響較大，摻2.0%組的濁度值最高為477 NTU，摻2.5%、3.0%、3.5%、4.0%組相較于2.0%組濁度值分別減少3.56%、23.48%、37.11%和61.22%。摻2.5%抗分散劑時，水樣懸濁物含量較高不滿足要求，該條件下水樣濁度值為460NTU，所以濁度不宜超過該界限值。

圖8 不同抗分散劑摻量拌合物抗分散性

空氣中和水下成型養護的不同抗分散劑摻量混凝土強度如圖9。由圖9可知，陸上成型條件下抗分散劑摻量從2.0%增大到4.0%試件7 d強度差值最大僅有2.5 MPa，所以陸上成型時試件7 d強度受該摻量范圍抗分散劑的影響較小，而水下澆筑成型試件7 d強度受影響較大。摻量不超過3.0%時，隨抗分散劑摻量的增加水下澆筑和陸上成型試件的28 d強度均逐漸增大，摻量超過3.0%時兩種成型方式下的試件28 d強度均下降。

圖9 不同抗分散劑摻量水、陸抗壓強度

研究表明，摻3.5%抗分散劑時拌合物60 min擴展度已不符合流動性要求，相較于3.0%摻量組該條件下的抗壓強度有所下降；另外，雖然摻2.5%抗分散劑時能夠達到流動性要求，但水樣懸濁物為165 mg/L，不符合規范要求，所以水下不分散混凝土中的抗分散劑最佳摻量為3.0%。

3 結 論

本文探討了水下不分散混凝土強度(7 d、28 d)、抗分散性(水樣濁度、pH值、懸濁物含量)和流動性(坍落度、擴展度)受水膠比、砂率及抗分散劑摻量的影響作用。結果表明，拌合物流動性隨水膠比的增加明顯增大，隨抗分散劑摻量的增加而明顯下降，砂率過高會降低水下不分散混凝土流動性。拌合物流動性與抗分散性存在密切聯系，增大水膠比會降低抗分散性，抗分散劑摻量越高則水下不分散性越好，增大砂率有利于提高抗分散性。抗分散劑的摻入可以明顯增大水下澆筑成型試件強度，增大水膠比和砂率不利于混凝土強度的發展。