1、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
2、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
3、 e n g t h d e v e l o p m e n t o f n o nd 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
4、 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 nd 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
5、 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 nd 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
6、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 nd 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
7、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 ndis 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
8、r ds : n o nd 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
9、, 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
10、 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
11、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
12、 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
13、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
14、 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
15、。 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
16、 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
17、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
18、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 D13 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 17 d XRD
19、 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 47 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 33 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
20、( 。 ) 图 1 2 D 53 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 5O 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
21、 6 4 2 4 4 9 2 5 6 0 6 2 8 6 96 7 6 4 2 0, ( 。 ) 图 1 3 D73 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 H13 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
22、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
23、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
24、 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 f
25、i 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
26、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
27、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
28、 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 41 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 71 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
29、 ( 1 O ) : 1 0 51 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
30、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