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)
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(qū)受高速水流夾泥、夾砂、夾石長時間的反復(fù)沖刷磨損,造成混凝土磨蝕及空蝕現(xiàn)象,危及建筑物的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)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(yōu)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(jīng)濟成本低,施工工期短等優(yōu)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(xué)性能的影響,最終配制出最優(yōu)的水下不分散混凝土。
水泥為德勝水泥有限公司生產(chǎn)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(jié)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(chǎn)的未加密硅灰,根據(jù)《砂漿和混凝土用硅灰》(GB 27690-2011)[8]檢測的數(shù)據(jù)見表2所示。粉煤灰為樂山市寧輝建材有限公司生產(chǎn)的II級粉煤灰,密度2.4g/cm3,檢測數(shù)據(jù)見表3所示。
表1 水泥物檢數(shù)據(jù)
表2 硅灰檢測數(shù)據(jù)
表3 粉煤灰物檢數(shù)據(jù)
細骨料為樂山市冠英砂石廠生產(chǎn)的機制砂,細度模數(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)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。
抗壓強度、坍落度、擴展度等性能根據(jù)《水下不分散混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5117-2021)[7]進行相關(guān)強度測試。抗分散性根據(jù)《水下不分散混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5117-2021)[7]的規(guī)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。
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(zhì)量的2.5%,水膠比為0.44,砂灰比為1.1,減水劑摻量根據(jù)砂漿流動度225~230mm來選擇。水下不分散砂漿試驗結(jié)果見表4。
表4 摻水下不分散劑砂漿的試驗結(jié)果
試驗結(jié)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(yōu)異的流動度和水陸強度比的關(guān)鍵性能。
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(jié)果表明,水下不分散混凝土的坍落度、擴展度和凝結(jié)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(jié)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(dǎo)致水下不分散混凝土的水下抗分散性變差。
養(yǎng)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(fā)展。
綜上所述:粉煤灰摻量為10%性能最優(yōu),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。
不同硅灰摻量的水下不分散混凝土的工作性能試驗結(jié)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(yīng)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(yǎng)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(xiàn)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。
通過先前的試驗結(jié)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(yōu)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(xué)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(jīng)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(yōu)化后的水下不分散混凝土配合比
表8 優(yōu)化后的水下不分散混凝土的施工性能和力學(xué)性能
(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(jié)時間相應(yīng)增大。粉煤灰摻量為10%性能最優(yōu),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(yōu)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%。