大流動性高水陸強度比的水下不分散混凝土的配制

馬 勇 閆 濤 雷英強 吳 偉 相福壯

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610015）

0 引言

近年來，新建水利水電工程越來越多，尤其是高水頭、高泄流量、高泄流速度的“三高”水利水電工程。水利水電工程泄水建筑物高速水流區受高速水流夾泥、夾砂、夾石長時間的反復沖刷磨損，造成混凝土磨蝕及空蝕現象，危及建筑物的結構安全，縮短建筑物使用壽命。因此，開展高性能水下修補材料的研制，對保障泄水建筑物混凝土結構服役壽命，確保水利水電工程運營安全是非常必要的[1-2]。

水下消力塘底板損毀修補施工方案，有干地排水、圍堰以及水下施工。大多數工程采用干地和圍堰施工的方案，圍堰施工方案具有施工簡易的優點，但是存在圍堰及排水施工工期長的問題。水下施工方案具有經濟成本低，施工工期短等優點，但其對水下不分散混凝土性能提出了更高的要求[3-5]。

本文研究了絮凝劑、粉煤灰和硅灰對水下不分散混凝土的施工性能、水下抗分散性能、力學性能的影響，最終配制出最優的水下不分散混凝土。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥為德勝水泥有限公司生產的P·O42.5R 水泥，比表面積363m2/kg，密度3.08g/cm3，其余指標按照《通用硅酸鹽水泥標準》（GB 175-2007）[6]進行檢測，結果見表1所示。硅灰為成都路達通新材料科技有限公司生產的未加密硅灰，根據《砂漿和混凝土用硅灰》（GB 27690-2011）[8]檢測的數據見表2所示。粉煤灰為樂山市寧輝建材有限公司生產的II級粉煤灰，密度2.4g/cm3，檢測數據見表3所示。

表1 水泥物檢數據

表2 硅灰檢測數據

表3 粉煤灰物檢數據

細骨料為樂山市冠英砂石廠生產的機制砂，細度模數2.73，表觀密度2760kg/m3，堆積密度1580kg/m3，吸水率1.1%。

粗骨料為樂山市冠英砂石廠生產的人工碎石5~20mm，骨料表觀密度2780kg/m3，吸水率0.6%，針片狀含量1%。

減水劑為成都固利有限公司生產的減水劑，減水率23.5%，推薦摻量為1.0%~3.0%。

絮凝劑分別為中國水電七局自行研發的HB7-28型絮凝劑（推薦摻量1.5%~3.5%）以及其余3個不同廠家的絮凝劑。

1.2 試驗方法

抗壓強度、坍落度、擴展度等性能根據《水下不分散混凝土試驗規程》（DL/T 5117-2021）[7]進行相關強度測試。抗分散性根據《水下不分散混凝土試驗規程》（DL/T 5117-2021）[7]的規定，懸濁物含量的測試方法，水下不分散混凝土的抗分散性主要通過pH 和懸濁物含量測定。

2 試驗結果

2.1 絮凝劑的優選

采用膠砂試驗測試絮凝劑的工作性能，選用4種主流絮凝劑，編號分別為X-1、HB7-28、U-3、X-4，摻量為水泥質量的2.5%，水膠比為0.44，砂灰比為1.1，減水劑摻量根據砂漿流動度225~230mm來選擇。水下不分散砂漿試驗結果見表4。

表4 摻水下不分散劑砂漿的試驗結果

試驗結果表明：摻HB7-28絮凝劑的水下不分散砂漿28d 水陸強度比最高且達到了87%。采用X-1 絮凝劑配制的水下不分散砂漿的減水劑摻量需增加1%，才能保證水下不分散砂漿的流動度。拌和后1h，4 種水下不分散砂漿僅有10~20mm的流動度損失，但HB7-28損失最小。4種水下不分散砂漿pH為9.4~10.3，懸濁物含量為118~135mg/L，滿足GB/T 37990-2019 抗分散性要求，其中HB7-28 組pH 值與懸濁物含量最低，說明HB7-28的抗分散效果最佳。因此，采用HB7-28絮凝劑配制的水下不分散砂漿具有更優異的流動度和水陸強度比的關鍵性能。

2.2 粉煤灰摻量確定

摻加粉煤灰的水下不分散混凝土配合比見表5。膠材用量為455kg/m3，粉煤灰摻量分別為膠材總量的0、10%、15%、20%，絮凝劑采用HB7-28型。

表5 摻粉煤灰水下不分散混凝土配合比（單位：kg/m3）

試驗結果表明，水下不分散混凝土的坍落度、擴展度和凝結時間隨粉煤灰摻量增加而增大。與基準組相比，粉煤灰摻量20%時1h后坍落度損失降低43%、擴展度損失降低48%，凝結時間延長了4h，說明粉煤灰的加入能夠提高水下不分散混凝土的可操作時間。水下不分散混凝土的懸濁物含量和pH值隨粉煤灰摻量的增大而增大，這說明隨著粉煤灰摻量的增加導致水下不分散混凝土的水下抗分散性變差。

養護28d后，水下不分散混凝土的水下抗壓強度和陸上抗壓強度均先升高后降低，粉煤灰摻量10%時，水中成型的28d 水下不分散混凝土強度最高，為32.1 MPa，說明低摻量的粉煤灰有利于水下不分散混凝土后期強度的提高，而摻量過大則不利于水下不分散混凝土的后期強度發展。

綜上所述：粉煤灰摻量為10%性能最優，既保證混凝土工作性能，28d水陸強度比提升5%，水下不分散性能又能與基準組相當。

2.3 硅灰摻量確定

不同硅灰摻量的水下不分散混凝土的工作性能試驗結果見表6所示。水下不分散混凝土的坍落度、擴展度隨硅灰摻量的增加而降低。硅灰摻量達15%時，出機坍落度相比基準組降低18%，出機擴展度相比基準組降低17%，說明硅灰的摻入會降低水下不分散混凝土流動性，因此在水下不分散混凝土中硅灰應低于8%。

表6 不同硅灰摻量的水下不分散混凝土配合比

水下不分散混凝土的懸濁物含量和pH 值隨硅灰摻量的增加而降低。相比于基準組，硅灰摻量為15%時，懸濁物含量降低42%，pH 值由11.5降至9.5。說明摻加硅灰的水下不分散混凝土粘聚性較好，水下抗分散性改善。

養護28d后，硅灰的摻加會增加陸上和水下不分散混凝土的抗壓強度，摻量越高上述現象越明顯。硅灰摻量為8%時，水下不分散混凝土的28d陸上抗壓強度提高19%，28d水下強度提高26%。

綜上所述：硅灰摻量8%效果最佳，水下不分散混凝土的水下不分散性能明顯提升、陸上和水下28d抗壓強度提升20%以上、28d水陸強度比提升5%，且工作性能與基準組相當。

2.4 水下不分散混凝土配合比

通過先前的試驗結果確定硅灰摻量為8%、粉煤灰摻量為10%，絮凝劑采用HB7-28摻量為2%。優化后的水下不分散混凝土配合比見表7所示，施工性能和力學性能見表8 所示。水下不分散混凝土出機坍落度為227mm，1h坍落度僅損失10mm，1h后擴展度為427mm，與表5和表6基準組相比，經時1h后混凝土施工性能更好。pH 值與懸濁物含量分別為9.7和97mg/L，與表5和表6 基準組相比，溶液pH 值降低1.8，懸浮物含量降低46%，混凝土水下不分散性能明顯改善。與表5和表6基準組相比，硅灰與粉煤灰的組合較大程度上提升了水中混凝土強度，28d水陸強度比為94%，水中混凝土強度與空氣中混凝土強度相當。

表7 優化后的水下不分散混凝土配合比

表8 優化后的水下不分散混凝土的施工性能和力學性能

3 結束語

（1）與市面上的絮凝劑相比，摻加HB7-28絮凝劑的水下不分散混凝土抗水下分散性能最佳，水陸強度比最高達到了87%。

（2）隨粉煤灰摻量增加，水下不分散混凝土的坍落度、擴展度和凝結時間相應增大。粉煤灰摻量為10%性能最優，不僅保證混凝土工作性能，而且28d水陸強度比提升5%。

（3）水下不分散混凝土的坍落度、擴展度隨硅灰摻量的增加而降低。硅灰摻量8%效果最佳，水下不分散混凝土的水下不分散性能明顯提升，陸上和水下28d抗壓強度提升20%以上，28d水陸強度比提升5%，工作性能與基準組相當。

（4）優化后的水下不分散混凝土其水下不分散性能明顯改善，較大程度上提升了水中混凝土強度，且28d水陸強度比達到94%。