單分子層水分蒸發抑制劑在水工混凝土澆筑中的應用研究

熊 明

(江西省源河工程有限責任公司，江西 南昌 330000)

水工混凝土在澆筑過程中，其表面在高溫、大風作用下水分易于蒸發，從而產生負壓引起塑性開裂[1]。工程實踐中一般通過擇時澆筑、環境監測、噴霧養護等工程措施[2- 3]，來預防這一問題。水工混凝土在澆筑體積大、工期緊的限制因素下，上述方法實施難度較大[4]。

因此有許多學者對于如何在保證混凝土性能前提下、預防水分蒸發引起的裂縫進行了大量的研究。如趙明華[5]就通過分析大體積混凝土裂縫形成影響因素，指出塑性裂縫形成原理在于塑性狀態下的新拌混凝土的強度不足以抵抗表面水分蒸發引起收縮張力。謝遷等[6]從混凝土養護劑角度探討了不同種類養護劑的作用機理及效果，認為其能顯著改善混凝土的綜合性能，且省工省時、節能節水。呂喜風等[7]對比不同濃度水分蒸發抑制劑的保水能力及其隨時間的變化規律，研究表明水分蒸發抑制劑能明顯抑制混凝土的早期塑性開裂，抑制率隨時間逐漸降低。

通過前人的研究可以發現，在混凝土中添加水分蒸發抑制劑后，不僅能改善混凝土的性能，還能為實際工程提供很好的理論指導[8- 9]。本文的主要研究對象為典型4級配水工混凝土，開展壩址區高溫、大風環境單分子層水分蒸發抑制劑的抑制效果試驗，對不同層間澆筑間隔時間的物理力學性能進行分析，主要指標包括水分蒸發抑制率、抗壓強度、抗拉強度。

1 工程背景與試驗設計

1.1 工程背景

本次研究依托于江西地區某水利工程項目，大壩主體結構為混凝土重力壩，采用典型的少膠凝材料、低水灰比、小坍落度4級配水工混凝土澆筑。壩址區氣候干燥，現場混凝土澆筑溫度在 30℃以上、風速3～6m/s，因水分蒸發快而對新澆混凝土的養護要求較高。施工過程中采用了棉被覆蓋保溫、噴霧加濕等措施進行養護，但仍出現了混凝土開裂問題，初步分析成因為高溫大風環境混凝土表面水分蒸發過快。急需尋求新的方法抑制水工混凝土的水分蒸發，增強其水分保持，這對提升工程的穩定性與安全性具有重要價值[10- 12]。

1.2 試驗基本參數設計

在此工程背景之下，為了探究噴灑單分子層水分蒸發抑制劑應用于水工混凝土中減少水分蒸發的可行性，設計了噴灑水分蒸發抑制劑與未噴灑2組對比試驗。基于水工混凝土分層澆筑的施工特點，每組設置0、3、6h的澆筑層間時間間隔。

試驗所用原材料與該大壩保持一致，配合比為水泥∶水∶砂∶骨料=1∶0.8∶4.5∶17.5，工程實際骨料配置比例為特大石∶大石∶中石∶小石=1∶1∶1.5∶1.5，結合試驗試件尺寸的客觀因素，骨料同意采用5～20mm小石。其中水泥為P·MH42.5中熱硅酸鹽大壩水泥，砂采用表觀密度2700 kg/m3、細度模數2.82的人工砂，骨料表觀密度按2780kg/m3左右控制。此外，將35%的水泥采用F類I級粉煤灰替換，按0.996kg/m3外加高性能減水劑，按4%～5%含氣量控制引氣劑摻量。

1.3 試驗步驟設計

(1)模擬高溫大風的實驗室準備。通過鎢燈控制實驗室內溫度在38℃左右，強力吹風機模擬風速為10m/s左右大風環境。搭建的試驗室如圖1所示。

圖1 高溫大風模擬試驗室

(2)配制單分子層水分蒸發抑制劑試液。在1份抑制劑中添加4份水，攪拌均勻后置于手持噴壺中備用。

(3)制備混凝土試件。按1.2節所述的基本參數配制攪拌好混凝土后，在標準150mm立方體試件模具中澆筑試件；分層高度按75mm控制，澆筑第一層混凝土后，以 250g/m2均勻噴灑抑制劑稀釋液，在設計時間間隔后澆筑第二層混凝土。

(4)測試混凝土試件的力學性能。定時觀察試件表面形貌，檢測水分蒸發量，測試試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度。

2 試驗成果分析

2.1 混凝土表觀形貌

混凝土試件澆筑完成后，定時觀察其表觀形貌并做記錄，如圖2所示。圖2(a)是未噴灑單分子層水分蒸發抑制劑的試件表觀形貌，圖2(b)是噴灑的試件表面。可以直觀看到，未噴灑單分子層水分蒸發抑制劑試件表面出現明顯裂縫，而噴灑抑制劑的試件表面光滑平整。說明單分子層水分蒸發抑制劑可以有效改善混凝土表面起裂現象。

圖2 混凝土試件表觀形貌

2.2 水分蒸發抑制率

本次試驗測試了噴灑單分子層水分蒸發的抑制劑對水分蒸發的影響，結果顯示澆筑2h后水分蒸發抑制率為51.1%，4h后為33.6%，見表1。說明高溫大風環境下，噴灑單分子層水分蒸發抑制劑能明顯減少水分蒸發，且隨著澆筑時間的延長，抑制效果逐漸降低。這一變化規律與混凝土強度隨時間逐漸增長相適應[13- 15]。

表1 混凝土水分蒸發抑制率

2.3 混凝土抗壓強度

對不同分層間隔時間的混凝土試件，開展了在28和180d齡期下的抗壓強度測試，試驗結果如圖3所示。分析得出：①噴灑單分子層水分蒸發抑制劑對混凝土抗壓強度沒有明顯的消極影響，除了分層間隔0h下28d齡期的試件抗壓強度下降了1.54%外，其余試件的抗壓強度有增強作用，且間隔時間越長強度增加越多；原因為水分蒸發抑制劑減少了混凝土表面的水分蒸發，進而使各分層間的結合條件更好。②抗壓強度隨著分層時間間隔的增加而降低，如噴灑抑制劑條件下的28d齡期試件在0、3、6h間隔下的強度分別為25.6 、24.9 、19.4 MPa，這是由于分層間隔澆筑層間接觸面在水分蒸發后形成薄弱結構造成的。

圖3 不同分層間隔時間和養護齡期條件下混凝土試件單軸抗壓強度

2.4 混凝土抗拉強度

根據水工混凝土澆筑中層間接觸面的受力特點，試件抗拉強度試驗加載方向按平行于接觸面進行，測得混凝土試件抗拉強度見表2。可以看出，噴灑單分子層水分蒸發抑制劑對混凝土抗拉強度的影響與抗壓強度類似：①混凝土抗拉強度未受到抑制劑明顯的消極影響，僅有分層間隔0h下28d和180d齡期的試件抗拉強度分別下降了2.19%與5.21%，其余噴灑單分子層水分蒸發抑制劑試件的抗拉強度均有一定增強，強度增加幅度隨著間隔時間加長而增加；這是由于抑制劑通過減少混凝土表面的水分蒸發，改善了分層間的結合條件。②是否噴灑水分蒸發抑制劑條件一致情形下，分層時間間隔越長，抗拉強度越低，如噴灑抑制劑條件下的180d齡期試件在0、3、6h間隔下的強度分別為3.09 、2.98 、2.63 MPa，原因在于層間接觸面的水分蒸發隨著時間間隔的增加而增加，導致層間結合越軟弱。

表2 試件在不同分層間隔下的抗拉強度

3 結論

本文通過室內試驗對單分子層水分蒸發抑制劑在水工混凝土中的應用進行研究，得到如下結論：①單分子層水分蒸發抑制劑可以有效改善混凝土表面起裂現象；②噴灑抑制劑能明顯減少水分蒸發，且隨著澆筑時間的延長，抑制效果逐漸降低；③抑制劑對混凝土抗壓強度、抗拉強度均沒有明顯的消極影響，強度下降不超過5.21%，部分試件強度有一定增加。但水工混凝土具有大體積特征，本文試驗未考慮試件的尺寸效應，有待進一步研究。總的來說，單分子層水分蒸發抑制劑能有效預防水工混凝土開裂，且不顯著降低其力學性能。