水下不分散混凝土在海水环境下强度发展特性.pdf

2 0 1 5 年 第 8期 (总 第 3 1 0 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 5 l T o t a l No ． 3 1 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEOR ETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 0 8 水下不分散 混凝 土在海水环境下强度 发展特性 赵晶。 王进京。吴会军 ( 大连交通大学 土木与安全工程学院， 辽宁 大连 1 1 6 0 2 8 ) 摘要 ： 采用水下浇筑工艺配制水下不分散混凝土， 并掺加不同的矿物掺合料 ， 在淡水和海水两种条件下成型、 养护混凝土试 件 ， 通过力学性能试验和 X R D试验 ， 研究水下不分散混凝土的强度发展规律。 结果表明： 海水中丰富的盐离子能促进水泥水化， 提高水下不分散混凝土的早期强度 ， 但是会降低后期强度； 矿物掺合料因改善混凝土的和易性和增加水泥的水化产物， 有助于提 高水下不分散混凝土的强度。 关键词 ： 水下不分散混凝土 ； 强度 ； 掺合料； X R D 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 8 — 0 0 3 1 — 0 4 L a w o f s t r e n g t h d e v e l o p m e n t o f n o n—d i s p e r s i b l e u n d e r wa t e r c o n c r e t e i n s e a wa t e r Z H AO J i n g， WA N G J i n fi n g， w【 ， H u ij u n ( S c h o o l o f Ci v i l a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g， Da l i an J i a o t o n g Un i v e r c i t y ， Da l i a n 1 1 6 0 2 8 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： B y u s i n g u n d e r wa t e r p o u r i n g c r a f t a n d d i f f e r e n t k i n d s o f mi n e r a l a d mi x t u r e s ， we mi x n o n—d i s p e r s i b l e u n d e rw a t e r c o n c r e te． Th e c o n c r e t e s a mp l e s a l e ma d e an d c u r e d i n t WO d i ffe r e n t c o nd i ti o n s， i n f r e s h wa t e r ， i n s e a wa t e r ． We s t u d y t h e l a w o f s t r e n gth d e v e l o p me r i t o f n o n—d i s p e r s i bl e un d e r wa t e r c o nc r e t e t h r o u g h me c h a n i c a l p r o p e r t i e s t e s t and XRD t e s t ． Th e r e s ul t s s h o w t h a t the pl e n t i f ul i o ns i n s e a wa t e r p r o mot e c e me n t h y d r a t i o n， a n d i n c r e a s e the e a r l y s t r e n g th o f no n—d i s p e r s i b l e u n d e r wa t e r c o n c r e t e， b u t l o we r t h e l o ng— t e r m s t r e n g th． Bc a us e o f ma ki n g wo r k a b i l i t y o f c on c r e t e b e b e t t e r a n d i n c r e a s i n g h y d r a t i o n p r o d u c t s o f c e me n t ， n fi n e r a l a d mi x t u r e s a r e h e l p f u l t o i mp r o v i ng s t r e n g t h o f n o n—dis pe r s i b l e un d e r wa t e r c o n c r e t e ． Ke y WO r ds ： n o n—d i s p e r s i b l e u n d e r wa t e r c o n c r e t e ； s tr e n g t h； mi n e r a l a d mi x t u r e ； X RD 0 引言 水下不分散混凝 土是通过在混凝 土中添加抗分散剂 ， 提高混凝土在水 中直接浇筑时抵抗水洗能力 的混凝土 ， 其 具有 自流平 、 自密实等优 良工作性 。 2 O世纪 7 0年代 ， 德 国 最 先研制出水下不分散混凝土 ， 随后 F t 本 和英美等 国也积 极开展研究和应用 ， 如今其水下不分散混凝 土和抗分散剂 技术 已比较成 熟 ， 并大量应用 于实际工程 中 。 我 国从 8 0年代 中期开始研制水下不分散混凝土 ， 着重于抗分散剂 的研究与开发 ， 现 已制备 出水下不分散混凝土使用 的絮凝 剂 。 水下不分散混凝 土 中掺加 的抗 分散剂是 一种具 有长 链分子的水溶性高分子化合物 ， 长链分子相互吸引 、 交叉 ， 形成网状结构 ， 并具备 吸附能力 ， 从而把水 泥和抗分 散剂 包裹 、 吸附在一起 ， 这样就使 水下不分散混凝 土与水 直接 接触 时可以抵抗水的冲洗作用 J 。 这种能力使得施工人 员在用水下不分散混凝土浇筑水下工程时可以省去围堰 等繁琐工序 ， 缩短工期 。 水下不分散混凝土在水下工程 中 具有广泛的应用前景 。 跨海大桥和海底隧道 以及石油钻 井平 台等海上工程越来越多 ， 混凝土所处海水环境含有丰 富的盐离子 ， 远 比淡水环 境复杂 ， 因此有必要对海水环 境 下的水下不分散混凝土展开研究。 1 试验原材料及 配合 比 水泥为大连小野田华 日 牌 P O 4 2 ． 5 R级水泥 ， 其技术 指标见表 1 ； 粉煤灰选用华 能 I I 级灰 ， 技 术指标见表 2 ； 矿 粉选用育明 $ 9 5级矿粉 ， 技术指标见表 3 ； 硅灰选用大连瑞 安建筑材料有限公 司产 的微硅 粉 ， 硅含量 9 0 ％， 技术指标 见表 4 ； 粗骨料为普通石灰岩碎石 ， 5 ~ 2 0 m m 连续级配 ； 细 骨料选 用大连河砂 ， 为连续级配I I 区中砂 ， 细度模数2 ． 6， 表 1 水泥技术指标 收稿 日期 ： 2 0 1 4 —1 卜 1 4 基金 项 目 ： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 4 7 2 0 4 0 ) 31 表 2 粉煤灰技术指标 比表面积， ( m ／ g ) 密度， ( g ／ c m ) 含水量， 9 6 活性指数， 9 6 20 2 ． 2 O． 5 1 2 8 含泥量 0 ． 5 ％； 减水剂选用 大连建科 院产聚羧酸高效减水 剂 ， 减水率约 2 0 ％， 掺量为 0 ． 5 ％； 抗分散剂选用中国石油集 团工程技术研究 院产 U WB— I I 型絮凝剂 ， 掺量 为 2 ． 5 ％。 本次试验参 照 D L ／ T 5 3 3 0— 2 0 0 5配制 C 3 0混凝 土 ， 采用等量取代法掺加矿物掺合料， 试验配合比见表 5 。 水 下成型方法 为： 将试模放 置于水箱 中， 加水没过试模顶 面 1 5 0 mm， 从水面处开始倾倒混凝土拌合物， 使其自行落人 试模 中， 所浇筑 的混凝土 应超出试模表面 ， 然后将试模 取 出， 静置 5 - 1 0 mi n ， 用木锤轻敲试模两个侧面 以促进排水 ， 再用抹刀抹平后将其放 回水中 ， 2 d后拆模 。 混凝土试件分 别置于淡水 ( 用 D表示 ) 和大连 天然海水 ( 用 H表示 ) 环 境中养护 。 表5 混凝土配合比 注 ： 水胶比为 0 ． 4 8 。 2 试验 结果及分析 2 ． 1 强度发展规律 通过力学性能研究发现 ， 同一种配合比的试件 ， 3 d时 淡水 试件强度低于海水试件强度 ， 2 8 d时淡水试件强度则 会高于海水试件强度 ， 6 0 d时淡水试件强度高于海水试件 强度 的程度更大。 试验结果如图 1 ～ 4 所示 。 35 30 2 5 皆 2 o 1 5 1 0 3 7 2 8 6 0 龄期 ， d 图 1 D1和 H 1抗压 强度 图2 D 2和 H 2抗压强度 出现这种结果是因为在早期 ( 3 d ) 时， 海水中丰 富的 盐类促进 了水 泥 的水 化 ， 海水试 件水 泥水化 程度 比淡水 试件 更大 ， 所 以强度高 于淡水 试件 ， 到较 长龄 期 ( 2 8 d 和 3 2 3 7 2 8 6 0 龄期 ／ d 图 3 13 6和 H 6劈裂强度 3 ／ Z5 6 U 龄期， d 图 4 D 7和 H 7劈 裂强度 6 0 d ) 时， 淡水试件水泥水化程度不断增大 ， 而海水 中试件 在水泥水化的同时还伴随着各种盐类的负作用 ： 硫酸盐和 镁盐等在试件中结晶析出， 对混凝土内部结构形成膨胀压 力 ； 硫酸盐和镁盐等也会 和水泥水化产物发生化 学发应 ， 引起混凝土内部膨胀型水化产物 的生成 ， 导致 混凝 土结构 疏松 ， 最终表现为海水试件强度低于淡水试件强度 。 2 ． 2 掺活性掺合料的混凝土强度发展规律 淡水和海水 中养护的试件 ， 在早期 ( 3 d ) 时 ， 掺加 粉煤 灰和矿粉的试件强度均低 于空 白组试件强度 ， 掺加硅灰的 试件强度则高于空白组试件强度。 延长到 6 0 d龄期时 ， 掺 3 3 2 2 1 d d l 骥群躲 5 0 5 O 5 O 3 3 2 2 1 1 憩 鲰 加矿物掺合料的试件强度都高于空白组试件强度， 试验结 果如 图 5 ～ 8所示。 45 4 0 35 3O 25 20 15 10 5 O 4 ． 0 3 ． 5 日3 ． 0 2 ． 5 豁2 ．0 1 ． 5 瓠 1 ．0 O ． 5 0 3 7 2 8 6 0 龄 期 ／ d 图 5 淡 水试 件抗 压 强度 3 7 2 8 6 0 龄期 ／ d 图 6 淡水试件劈裂强度 3 7 2 8 6 0 龄 期 ， d 图 7 海水试件抗压强度 3 7 2 8 6 0 龄期， d 图 8海水 试件 劈裂 强度 掺加粉煤灰和矿粉 的混凝 土 ， 在早期( 3 d ) 时， 胶凝材 料里的水泥熟料所 占比例变小 ， 生 成的 A F t 减少 ， 而在早 期时粉煤灰 和矿粉的活性并未发挥 出来 ， 所 以早期强度低 于空 白组强度 。 而硅灰 中活性很高的氧化硅与水泥水化产 物 C H很快发生反应 ， 生成水化硅酸钙凝胶， 骨料和水泥 浆界面的强度提高， 增加了混凝土致密性从而提高了早期 强度 。 随着龄期的延 长 ， 粉煤 灰和矿粉 中活性 氧化硅和氧 化铝的活性被激发 ， 生成水硬性 的水 化产物 ， 使混凝 土结 构逐渐致密 ， 从而提高 了水下不分散混凝土 的后期强度。 2 ． 3 水化 产物的 XR D分析 X R D试验采用 E m p y r e a n X射线衍射仪 。 试验结果如 图 9 ～ 1 4所示 。 从 D l 一 3 d和 D l 一 7 d的 X R D 图谱 中可以得到， 水化 产物 中晶体产物主要有 A F t 和 C H； 随龄期的延长 ， A F t 一 8 O O 7 0 0 6 0 0 5 O O 警4 o o 3 0 0 2 0 0 1 00 0 5 ． 0 2 l 1 ． 9 1 8 ． 8 2 5 ． 7 3 2 ． 5 3 9 ． 4 4 6 ． 3 5 3 ． 2 6 0 ． 1 6 6 ． 9 7 3 ． 8 8 ． 4 6 1 5 ． 3 2 2 ． 2 2 9 ． 1 3 6 ． 0 4 2 ． 9 4 9 ． 7 5 6 ． 6 6 3 ． 5 7 0 ． 1 7 7 ． 3 2 0， ( 。 ) 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 警 0 0 300 2 0 0 1 O O O 图 9 D1—3 d X RD 8 ． 5 O l 5 ． 5 2 2 ． 4 2 9 ．4 3 6 ． 3 4 3 ． 3 5 0 ． 3 5 7 ． 2 6 4 ． 2 7 1 ． 1 7 8 ． 1 2 0， ( 。) 图 1 0 D 1—7 d XRD 5 ． 0 2 l 1 ． 5 l 7 ． 9 2 4 ． 3 3 0 ． 8 3 7 ． 2 4 3 ． 7 5 0 ． 1 5 6 ． 5 6 3 ． 0 6 9 ． 4 7 5 ． 9 8 ． 2 4 1 4．7 2 1 ． 1 2 7 ． 6 3 4 ． 0 4 0 ．4 4 6 ． 9 5 3 ．3 5 9 ． 8 6 6 ． 2 7 2 ． 6 7 9 ． 1 2 0／ ( 。 ) 图 1 1 D 3—3 d XRD 5 ． 0 2 1 2 ． 5 2 0 ． 0 2 7 ． 5 3 4 ． 9 4 2 ．4 4 9 ． 9 5 7 ． 4 6 4 ． 9 7 2 ． 3 7 9 ． 8 8 ． 7 6 1 6 ． 2 23 ． 7 3 1 ．2 3 8 ． 7 4 6 ． 2 5 3 ． 6 6 1 ． 1 6 8 ．6 7 6 ． 1 2 0／ ( 。 ) 图 1 2 D 5—3 d X RD 3 3 毯嘎出 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ o 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 矮 0 5 0 5 0 5 O 5 O 5 O 藓 0 5 O 5 O 5 0 5 0 4 3 3 2 2 1 l 0 B d 嘿 敞 0 O O O O 0 0 O O 0 O O O 0 如加 ∞ 蛐 ∞如 醺 6 0 0 500 4 0 0 3 o0 2 0 0 l 0 O O 醴 5．O 2 l 1 _ 8 1 8 ． 6 2 5 ．4 3 2 ． 2 3 9 ． 0 4 5 ． 8 5 2 ． 6 5 9 ． 4 6 6 ． 2 7 3 ． 0 7 9 ． 8 8 ． 4 2 1 5 ． 2 2 2 ． 0 2 8 ． 8 3 5 ． 6 4 2 ． 4 4 9 ． 2 5 6 ． 0 6 2 ． 8 6 9．6 7 6 ． 4 2 0， ( 。 ) 图 1 3 D7—3 d XRD 5 ． O 2 1 2 ． 5 2 0 ． 0 2 7 ． 5 3 4 ． 9 4 2 ． 4 4 9 ． 9 5 7 ． 4 6 4 ． 9 7 2 ． 3 7 9 ． 8 8 ． 7 6 1 6 ． 2 23 ． 7 3 1 ．2 3 8 ． 7 4 6 ． 2 5 3 ． 6 6 1 ． 1 6 8 ． 6 7 6 ． 1 2 0／ ( 。 ) 图 1 4 H1—3 d XR D 强线峰值从 5 6 3下降到 4 5 1 ， 说 明水泥经过几天的水化 ， 水 化产物中的 A F t 所 占比例 降低 ， 而早 期快 速生成 的大量 A F t 对早期强度是有利的。 从 D 3— 3 d 、 D 5— 3 d和 D 7— 3 d的 X R D 图谱中可 以得 到 ， A F t 一强线峰值分别为 4 4 9 、 5 6 2和 3 6 3 ， 即在掺加 了粉 煤灰和矿粉后 ， AF t 在水 泥水化产 物 中所 占 比例 降低 ， 对 应 的试件 3 d 强度也降低 ， 而掺加硅灰后 ， A F t 在水泥水化 产物中所占比例增大， 对应的试件 3 d强度也提高。 这说 明 AF t 的生成是早期强度的来源 。 从 D1 — 3 d 和 Hl 一 3 d的 X R D 图谱 中可以发现 ， 在海 水养护条件下 ， 水泥水 化后并 未产生新 的晶相水化产物 ， 依然是 A F t 和C H。 海 水养 护 时 ， 主要 是海 水 中的硫 酸根 上接 第 3 0页 I- 7 - 1 DJ E R BI A， B ONNE T S， K HE L I DJ A． I n f l u e n c e o f t r a v e r s i n g c r a c k o n c h l o ri d e d i f f u s i o n i n t o c o n c r e t e [, J ] ． C e me n t a n d C o n — c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 6 ) ： 8 7 7— 8 8 3 ． I- 8 ]张邵峰， 陆春华， 陈妤， 等． 裂缝对混凝土内氯离子扩散和钢筋 锈蚀的影响[ J ] ． 工程力学， 2 0 1 2 ， 2 9 ( S 1 ) ： 9 7 —1 0 0 ． [ 9 ]高培伟 ， 吴胜兴 ， 林萍华 ， 等． 硫酸盐对碾压混凝土侵蚀开裂的 机理微观分析I- J ] ． 水利学报， 2 0 0 5 ， 3 6 ( 3 ) ： 3 6 0— 3 6 4 ． [ 1 0 " ] J A N G S ， K I M B S ， O O B H． E f f e c t o f c r a c k w i d t h o n c h l o ri d e d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t s o f c o n c r e t e b y s t e a d y —s t a t e t e s t s [- J ] ． C o n — s t r u c t i o n and B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 1 ) ： 9— 1 1 ． r 1 1 ] T U MI D A J S K I P J 。 C H A N G W． E f f e c t o f s u l f a t e and c a r b o n d i — o x i d e o n c h l o ri d e d i f f u s i v i t y [ J 3 ． C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 6 。 2 6 ( 4 ) ： 5 5 1 — 5 5 6 ． 3 4 离子参 与了水泥 的水 化反应 ， 生成 更多 的 AF t ， 从 而导致 海水中试件 3 d强度高于淡水 中试件 。 3 结论 ( 1 ) 海水 中丰富的盐离子可 以参与水泥水 化 ， 影 响水 泥水化产物 的主要是硫 酸根 离子 ， 在 海水养护条件 下 ， 水 泥水化后并未产生新 的晶相水化产物 ， 依然是 AF t 和 C H， 早期生成的 AF t 更多。 ( 2 ) 由于海水环境 中硫酸根离子 的影 响， 淡水 和海水 中试件强度规律不 同： 在早期 ， 海水 中试件强度 大于淡水 中试件强度 ； 后期 时， 海水 中试 件强度则低于淡水 中试件 强度。 ( 3 ) 掺加活性矿物掺合料能提高水下不分散混凝土的 后期强度， 使水下不分散混凝土结构更致密， 从而有利于 提高混凝土在海水中的耐久性能 。 参考文献： [ 1 ]K A MA L K H． E ff e c t s o f a n t i w a s h o u t a d mi t u r e s o n p r o p e r t i e s o f h ar d e n e d c o n c r e t e [- J ] ． A C I Ma t e r i al s J o u r n al， 1 9 9 5 ， 9 3( 2) ： 1 3 4—1 46． [ 2 ]陈国新， 杜志芹， 等． 聚羧酸系减水剂用于水下不分散混凝土 的研究r J 1 ． 混凝土， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 1 1 7—1 2 3 ． [ 3 ]黄土元， 孙富强， 等． 混凝土科学一有关近代研究的专论I- M] ． 北京： 中国建筑工业出版社 ， 1 9 8 6 ． I- 4 ]张长民， 韩雪燕， 等． 水下不分散混凝土的新进展[ J ] ． 混凝土， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 7 — 9 ． [ 5 ]仲伟秋， 张庆亮． 水下不分散混凝土的基本力学性能试验研究[ J ] ． 混凝土， 2 0 0 9 ( 1 O ) ： 1 0 5—1 0 7 ． 1- 6 ]冯士明， 张长民， 等． 水下不分散混凝土的研究与应用研发[ J ] ． 混 凝土， 2 0 0 0 ( 7 ) ： 3 6— 3 8 ． 第一作者： 赵晶( 1 9 64 一) ， 女， 教授， 博士 ， 主要从 事土木工程材 料的研究。 联系地址： 大连市沙河 口区黄河路 7 9 4号 大连交 通大学土木与 安全工程学院( 1 1 6 0 2 8 ) 联 系电话： 0 4 1 1 — 8 4 1 0 6 2 4 2 [ 1 2 ] MA R S A V I N A L ， A U D E N A E R T K， S C H U q q ~R G D， e t a1 ． E x — pe r i me nt a l and n u me ric al d e te r mi n a t i o n of the c h l o rid e p e n e t r a - t i o n i n c r a c k e d c o n c r e t e [- J 3 ． C o n s t r u c t i o n and B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 1 ) ： 2 64 — 2 7 4 ． 第一作者 ： 宋立康( 1 9 8 9一) ， 男 ， 硕士研究生， 从事混凝土材料耐 久性研究。 联系地址 ： 联系电话： 通讯作者： 联系电话： 江苏省南京市浦口区南京工业大学浦口校区 8 0 2 0 信 箱 3 2 分箱( 2 1 1 8 1 6 ) 1 8 7 61 68 5 6 8 O 王曙光( 1 9 7 2 一) ， 男 ， 教授， 博士生导师。 1 8 7 61 6 8 5 6 8 O 0 O O 0 0 0 0 O O O 0 0 m ∞ 如 ∞ 加 ∞ 如 ∞ 如 加