水下不分散混凝土的配制及性能影响

文摘 2024-12-10 07:03 河南

0引言

水下不分散混凝土与普通混凝土的主要区别在于其组合材料中掺入了絮凝剂（或称抗分散剂），提高了混凝土的黏稠度，在水下直接浇筑时不易出现分散和离析现象，对施工环境几乎无污染，同时具备自流平的特点，在水利、水运、桥梁、海洋工程等领域发挥重要作用。

水下不分散混凝土絮凝剂技术由德国SiBo集团于1974年研发，并成功应用于混凝土中。与国外相比，我国对水下不分散混凝土技术的研究起步稍晚，1983年由中国石油天然气总公司工程技术研究院与德国SiBo集团合作研制UWB系列絮凝剂。随着施工质量要求不断提高，对水下不分散混凝土各项性能需求也在不断增加。

孙国文等对国内外水下不分散混凝土的研究进行总结，指出目前国内的水下不分散混凝土存在施工性能差、施工技术落后等问题，国内关于水下不分散混凝土耐久性的系统研究相对较少，渗透性已成为关键指标。

张营等研究发现，可采用因子设计法对不同配合比的水下不分散混凝土性能进行预测。

张鸣等分析了不同水胶比、砂率和絮凝剂掺量对混凝土流动性、抗分散性及抗压强度的影响，并给出了最佳配合比。

张道令等用再生骨料替代传统骨料制备水下不分散混凝土，发现再生骨料粒径越小，对混凝土抗压强度的影响也越小。

Song等采用合成的絮凝剂提高了水下不分散混凝土的抗分散性。

张勇林在混凝土中掺入发泡剂和絮凝剂制备水下不分散泡沫混凝土，研究了水胶比、絮凝剂掺量及减水剂掺量对水下不分散泡沫混凝土抗分散性的影响，并给出最佳掺量。

丁宏等研究表明，矿物掺合料虽能改善水下不分散混凝土的抗分散性和耐久性，但会导致混凝土缓凝。

赵明时依托某实际工程研发了一种新型水下不分散混凝土灌注设备，提高了混凝土灌注过程的施工质量。

周绍豪等对超低强度高流动水下不分散混凝土的制备方法进行总结。

Grzeszczyk等研究表明，掺入纳米SiO₂能提高水下不分散混凝土的抗冲刷性能。

王冬等在水下不分散混凝土中掺入快硬型抗分散剂，在裂缝修补应用中具有较好的效果。

Cui等采用高速抗水流冲刷装置对水下不分散混凝土进行不同流速下的抗分散性能试验。

王立强等研究了絮凝剂种类及掺量对水下不分散混凝土抗冲刷临界流速的影响，并通过OpenFOAM软件模拟研究凸起物对水下不分散混凝土的抗冲刷性能影响机理。

温永向等从混凝土流变学的角度开展试验，研究絮凝剂、水泥用量和砂率对水下不分散混凝土抗冲刷临界流速变化的影响。

本试验研究强度为C20的水下不分散混凝土，从混凝土配合比出发，研究了水胶比、絮凝剂掺量和粉煤灰掺量对水下不分散混凝土流动性、抗压强度及抗渗性能的影响，以期为水下不分散混凝土的应用提供参考。

1试验

1.1原材料

水泥：P·O42.5，石门海螺水泥有限责任公司，其主要物理力学性能见表1；粉煤灰：F类域级，湖南石门；细骨料：天然河砂，细度模数2.69；粗骨料：5～20mm连续级配卵石；减水剂：聚羧酸高效液体减水剂，减水率23%，山西黄河；絮凝剂：HY-UWB型絮凝剂，北京海岩兴业，其主要性能指标见表2；水：自来水。

1.2基准配合比

水下不分散混凝土的基准配合比（kg/m³）为：m（水泥）:m（粉煤灰）:m（河砂）:m（卵石）:m（水）:m（絮凝剂）:m（减水剂）=446:78:727:925:204:13.1:5.24。

1.3试验设计

1.3.1流动性试验设计

水下不分散混凝土的流动性采用单一变量法进行测试，水胶比分别为0.39、0.42、0.45、0.48，絮凝剂掺量分别为2.5%、3.0%、3.5%、4.0%，粉煤灰掺量分别为15%、20%、25%、30%，絮凝剂和粉煤灰掺量均按占胶凝材料质量计。

1.3.2抗压强度及抗渗性能试验设计

水下不分散混凝土的抗压强度和抗渗性能采用正交试验法进行分析。以水胶比、絮凝剂掺量、粉煤灰掺量为因素，以水下养护28d抗压强度及渗水高度为指标，因素水平见表3。

1.4测试方法

流动性：按照DL/T5117-2021《水下不分散混凝土试验规程》测试混凝土的坍落度和坍扩度。

抗压强度：将尺寸为150mm伊150mm伊150mm的新拌混凝土试件在水下成型2d后拆模，移至标准养护室内水下养护28d，采用DYE-2000（恒应力）压力试验机进行抗压强度测试，每组配合比测试3个试件，取平均值。

抗渗性能：按照SL/T352-2020《水工混凝土试验规程》测试混凝土的抗渗性能，采用“一次加压法”，仪器为HP-4.0型自动加压混凝土渗透仪。

2试验结果与分析

2.1水下不分散混凝土的流动性

坍落度和坍扩度是衡量新拌混凝土流动性的主要指标。水胶比、絮凝剂掺量、粉煤灰掺量对水下不分散混凝土流动性的影响分别见表4～表6。

由表4可知，随水胶比增大，混凝土的坍落度和坍扩度均先增大后减小，水胶比对坍扩度影响更明显。当水胶比为0.45时，坍落度和坍扩度均达到最大值，分别为245、500mm。水胶比继续增大，坍落度和坍扩度均明显减小。

由表5可知，随着絮凝剂掺量增加，混凝土的坍落度和坍扩度均先增大后减小。当絮凝剂掺量由2.5%增加至3.0%时，坍落度和坍扩度均增大，坍扩度的增幅达10.67%。当絮凝剂掺量为3.0%时，坍落度和坍扩度均达到最大值，分别为248、498mm。当絮凝剂掺量由3.0%增加至4.0%时，坍落度和坍扩度均减小，降幅分别为13.30%、23.69%。当絮凝剂掺量为4.0%时，坍落度和坍扩度均达到最小值，分别为215、380mm。

由表6可知，随着粉煤灰掺量增加，混凝土的坍落度和坍扩度均先增大后减小。当粉煤灰掺量由15%增加至20%时，坍落度和坍扩度均增大，坍扩度的增幅达12.22%。当粉煤灰掺量为20%时，坍落度和坍扩度均达到最大值，分别为250、505mm。当粉煤灰掺量由20%增加至30%时，坍落度和坍扩度均减小，降幅分别为8.00%、21.78%。当粉煤灰掺量为30%时，坍落度和坍扩度均达到最小值，分别为230、395mm。

综合分析可知，各因素对水下不分散混凝土流动性的影响程度为：絮凝剂掺量>粉煤灰掺量>水胶比。絮凝剂掺量对流动性影响程度最大，当絮凝剂掺量为4.0%时，混凝土流动性最差，因此，为保证施工时混凝土有较好的流动性，絮凝剂掺量不宜过多。掺入一定量的粉煤灰，不仅能节约经济成本，还能有效提高混凝土的流动性，但粉煤灰掺量过多，流动性会明显降低。水胶比的变化对坍落度和坍扩度的影响最小，对坍扩度影响较坍落度更明显。

2.2正交试验结果及分析

正交试验设计及性能测试结果见表7。

2.2.1水下不分散混凝土抗压强度极差分析（见表8）

由表8可知，各因素对水下不分散混凝土水下养护28d抗压强度影响程度为：A>C>B，即水胶比>粉煤灰掺量>絮凝剂掺量。各因素最佳水平分别为A1B2C1，即当水胶比为0.39，絮凝剂掺量为3.0%，粉煤灰掺量为15%时，水下不分散混凝土28d抗压强度最高。

2.2.2水下不分散混凝土渗水高度极差分析（见表9）

由表9可知，各因素对水下不分散混凝土水下养护28d后渗水高度影响程度为：A>B>C，即水胶比>絮凝剂掺量>粉煤灰掺量。各因素最佳水平分别为A1B2C2，即当水胶比为0.39，絮凝剂掺量为3.0%，粉煤灰掺量为25%时，水下不分散混凝土的抗渗性能最好。

2.2.3正交试验结果讨论

根据正交试验结果和极差分析，水胶比对水下不分散混凝土的抗压强度和抗渗性能的影响均远大于粉煤灰掺量和絮凝剂掺量的影响。水胶比越小，水下不分散混凝土的抗压强度与抗渗性能越好。絮凝剂掺量和粉煤灰掺量对抗压强度与抗渗性能的影响并不呈线性关系，在抗压强度正交试验中，絮凝剂与粉煤灰最佳掺量分别为3.0%、15%；在抗渗性能正交试验中，絮凝剂与粉煤灰最佳掺量分别为3.0%、25%。抗压强度与抗渗性能的最佳配合比组合由于粉煤灰最佳掺量不同而存在差异。当粉煤灰掺量为15%～25%时，抗压强度变化较大，而抗渗性能变化较小，因此推荐粉煤灰的最佳掺量为15%。本试验得到的水下不分散混凝土抗压强度与抗渗性能达到最佳的配合比为A1B2C1，即水胶比0.39、絮凝剂掺量3.0%、粉煤灰掺量15%。

3结论

（1）各因素对水下不分散混凝土流动性的影响程度为：絮凝剂掺量>粉煤灰掺量>水胶比。絮凝剂掺量对流动性影响最大，为保证施工时混凝土有较好的流动性，絮凝剂掺量不宜过多。采用粉煤灰取代一定量的水泥，不仅能节约经济成本，还能有效提高混凝土的流动性，但粉煤灰掺量过多时，流动性会明显下降。

（2）各因素对水下不分散混凝土28d抗压强度的影响程度为：水胶比>粉煤灰掺量>絮凝剂掺量。水胶比对抗压强度的影响远大于絮凝剂掺量和粉煤灰掺量的影响，水胶比越小抗压强度越高，絮凝剂与粉煤灰的最佳掺量分别为3.0%、15%。

（3）各因素对水下不分散混凝土28d渗水高度的影响程度为：水胶比>絮凝剂掺量>粉煤灰掺量。水胶比对抗渗性能的影响远大于絮凝剂掺量和粉煤灰掺量的影响，水胶比越小抗渗性能越好，絮凝剂与粉煤灰的最佳掺量分别为3.0%、25%。

（4）综合考虑，水下不分散混凝土的抗压强度和抗渗性能达到最优的配合比为：水胶比0.39、絮凝剂掺量3.0%、粉煤灰掺量15%。（来源：《新型建筑材料》2024.09）

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