迄今为止,在水下工程中混凝土仍然是最主要和用量最大的建筑材料之一。与普通水下混凝土相比,水下不分散混凝土克服了普通混凝土抗水洗差,易污染环境,专用设备要求高等不足,能够在水中直接浇筑,不易发生分散与离析,被国内外学者称为“全新的、理想的、划时代的混凝土”。目前,国内外现有水下不分散混凝土强度多集中于C30以下,随着未来深海探索及南海岛礁的建设,对高强度且工作性良好的水下不分散混凝土的工程需求愈来愈高。本文针对C40～C50水下不分散混凝土目前研究和应用中存在的主要问题,以聚丙烯酰胺为抗分散剂主剂,聚羧酸高效减水剂为辅剂,通过水泥净浆、砂浆流动度试验、抗分散性试验选择主剂最佳分子量及掺量及辅剂的最佳掺量,并对聚丙烯酰胺作用机理进行了探索;对不同成型条件及不同龄期的水下不分散混凝土进行流动性及抗分散性试验调整主剂掺量,并通过掺加矿物掺合料来进一步优化水下不分散混凝土的流动性、抗分散性、强度以及抗冻性及抗渗性;利用SEM及XRD分析了矿物掺合料在水下不分散混凝土的作用机理;最后通过分形理论对骨料级配进行优化,选取分形维数为2.1、2.3、2.5、2.7及2.9,对不同分形维数时骨料的堆积密度及空隙率进行理论分析,综合应用纳米X-CT分析不同级配分形维数时水下不分散混凝土孔结构及孔隙率,选出最佳级配分形维数,并对骨料级配分形的科学性进行了验证。主要结论如下:(1)当聚丙烯酰胺分子量较低时,水泥净浆流动性随聚丙烯酰胺掺量的增加先提高后降低,且不同分子量存在不同的最佳掺量,例如800万分子量聚丙烯酰胺掺量为水泥质量的0.6%时,水泥净浆流动性达到最佳,1 000万分子量聚丙烯酰胺掺量0.4%时,流动性达到最佳。当聚丙烯酰胺分子量较高时,水泥净浆流动性随聚丙烯酰胺掺量的增加而降低。造成此现象的可能原因是由于低分子量时,聚丙烯酰胺长链结构与自由水的相互作用使自由水的表观体积增大。高分子量时,聚丙烯酰胺分子长链相互连接、缠绕,形成相对刚性的絮凝网络,阻止自由水的运动。(2)水泥净浆、砂浆及水下不分散混凝土的抗分散性随聚丙烯酰胺掺量的增加而提高,随减水剂掺量的增加而降低。当聚丙烯酰胺掺量为水泥质量的0.5%,减水剂掺量为水泥质量的1.5%时,浆体抗分散性及流动性达到最佳。水泥净浆的流动性对高分子量聚丙烯酰胺掺量的敏感性很高,即使聚丙烯酰胺掺量0.1%的变化都会引起拌合料流动性的显著变化。(3)单掺硅灰会提高水下不分散混凝土的抗压强度及抗分散性,但是会造成流动性显著降低。当粉煤灰掺量为水泥质量的20%,硅灰掺量为水泥质量的4%复掺时,可克服其单掺时的不足,工作性及早期强度均优于其单掺时,其坍落度及坍扩度可达220mm、458mm,浊度及p H值为102NTU、11.62,流动性及抗分散性均良好,水中及陆地成型的试块早期(7d)抗压强度分别为25.3MPa、31.5MPa。(4)通过分形理论对骨料级配进行定量表征。水下不分散混凝土的孔隙率随骨料分形维数的增加而增大;当骨料级配分形维数为2.5时,骨料堆积密度最大,空隙率最小,孔隙率虽较大,但大部分为小孔,大孔结构较少,通过X-CT证实各剖面骨料面积分布均匀,表明分形维数为2.5时,骨料分布均匀,级配良好。(5)通过级配分形理论与现有级配理论如富勒级配理论、林绣贤级配理论及粒子干涉级配理论是分形理论的另一种表达方式进行对比,验证了级配分形理论的科学性,并将其用于水下混凝土配合比的设计,制备出流动性、抗分散性良好及抗压强度可达C40的高性能水下不分散混凝土,且水陆强度比较高。其抗冻性等级可达F150。