夏季高蒸發環境下水工混凝土性能提升研究

李元浪

(吉安市水利水電規劃設計院，江西 吉安 343000)

0 引 言

大體積水工混凝土澆筑常常需要進行分層、分塊，在高蒸發環境下(高溫、大風、低濕氣候)，容易導致混凝土因失水過快產生硬化、開裂和干裂現象，形成新舊混凝土的層間薄弱面，從而影響水工混凝土的力學性能和耐久性。因此，開展高蒸發環境下水工混凝土性能提升試驗具有十分重要的工程意義[1-3]。

水分蒸發抑制劑作為一種新型養護材料，可降低極端高溫干燥條件下混凝土塑性階段的開裂驅動力，具有噴灑量低、效果優異等特點。但是由于水工混凝土一般體積較大，使用水分蒸發抑制劑還應該結合分層、分塊澆筑間隔時間來確定。鹿永久等[4]通過現場試驗，研究了水分蒸發抑制劑對烏東德水電站混凝土強度的影響，發現水分蒸發抑制劑不僅不會降低混凝土強度，甚至還有一定程度的提升。呂喜風等[5-7]針對南疆干旱平原區水庫，研究了一種基于十八醇(C18OH)和短鏈醇正丁醇(C4OH)為分子膜基材的水分蒸發抑制技術，結果表明該抑制劑抗溫度和雜質影響的能力較強，且抑制水分蒸發的性能十分穩定。

當前，關于水分蒸發抑制劑在水工混凝土的應用仍比較少見，存在許多不足。本文結合前人研究經驗，對高蒸發環境下摻入水分蒸發抑制劑的混凝土水分蒸發抑制效率、力學特性和耐久性影響進行試驗研究，同時進行微觀試驗，從微觀角度解釋水分蒸發抑制劑的作用機理，以期能為水分蒸發抑制劑在大體積水工混凝土中的養護應用提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 主要試驗原材料

水泥：選用P.MH42.5水泥，MgO含量為4%，SO3含量為1.85%，平均燒失量為0.7%，總堿量為0.49%，平均比表面積為290 m2/kg，平均密度為3.22 g/cm3，3 d和7 d水化熱為239和289 kJ/kg，初凝和終凝時間分別為190和250 min，28 d抗折和抗壓強度分別為8.5和46.8 MPa。

粉煤灰：選用F 類Ⅰ級粉煤灰，平均密度為2.35 g/cm3，平均含水率0.1%，細度值為4.5%，需水量比為95%，燒失量為4.25%，SO3含量為1.36%。

骨料：粗骨料粒徑為5～40 mm，平均表觀密度為2 785 kg/m3，含泥量為0.3%，中徑顆粒含量為65%，堅固性1%，壓碎指標5.5%；細骨料為人工砂，平均表觀密度為2 760 kg/m3，微粒含量9.2%，細度模數2.84，石粉含量為15.1%，吸水率為1.2%，堅固性為1%。

水分蒸發抑制劑：使用江西某公司生產的塑性混凝土高效水分蒸發抑制劑。

外加劑：選用PCA高性能減水劑，堿含量為0.86%，硫酸鈉含量為0.04%，氯離子含量為0.02%；選用GYQ(Ⅰ)引氣劑，硫酸鈉含量為0.01%，固形物含量為49.5%，pH值為13.67。

水：采用實驗室生活用水，不溶物含量為26 mg/L，可溶物含量為224 mg/L，pH值為8.1。

1.2 試驗方案[8-10]

大壩混凝土(四級配)設計強度為C18035W14F200(εp≥90×10-6，90 d)，其基準配合比情況見表1。水分蒸發抑制劑稀釋比為1∶4和1∶8兩種，1∶4稀釋比下分別噴灑1、2和3次，1∶9稀釋比下噴灑3次。試驗共分為5組：空白試驗對照組S1(不摻加水分蒸發抑制劑)，1∶4稀釋比噴灑1次試驗組S2，1∶4稀釋比噴灑2次試驗組S3，1∶4稀釋比噴灑3次試驗組S4以及1∶8稀釋比噴灑2次試驗組S5，水分蒸發抑制劑噴灑間隔時間為30 min。每種試驗組情況下，混凝土均進行分層澆筑，分層數均為2，以模擬大壩大體積混凝土的澆筑過程，分層澆筑間隔時間設置為3、5和10 h。

表1 大壩混凝土基礎配比 /kg·(m3)-1

1.3 試驗環境

為了模擬高蒸發環境，采用鎢燈直射和落地風扇分別在室內人工制造高溫環境和高風速環境。高溫環境使混凝土試件表面上方10 cm處溫度達到(38±2)℃，高風速環境使混凝土試件表面上方風速達到(5±0.5)m/s。

2 試驗結果分析

2.1 水分蒸發抑制率

試驗得到的不同試驗組水分蒸發抑制效果結果見圖1。從圖1中可以看到，當噴灑間隔時間為4 h時，1∶4稀釋液噴灑1、2和3次的水分蒸發抑制率分別為30%、53.1%和54.4%，1∶8稀釋液噴灑2次的水分蒸發抑制率僅為23.2%；當噴灑間隔時間為2 h時，1∶4稀釋液噴灑1、2和3次的水分蒸發抑制率分別為44.5%、71.9%和73.2%，1∶8稀釋液噴灑2次的水分蒸發抑制率僅為33.9%。因此，以1∶4稀釋的水分蒸發抑制劑的抑制效果明顯優于以1∶8稀釋的水分蒸發抑制劑，且噴灑2和3次時的水分蒸發抑制率相差不大；相同噴灑次數下，噴灑間隔時間為2 h的水分蒸發抑制效果明顯優于噴灑間隔時間為4 h的水分蒸發抑制效果，噴灑間隔時間越短，水分蒸發抑制效果越好，當然也會造成工程成本的增加。

圖1 水分蒸發抑制率

2.2 凝結時間

試驗得到的不同試驗組混凝土的凝結時間見圖2。從圖2中可以看到，不同稀釋比和噴灑次數下的混凝土凝結時間相差不大，即水分蒸發抑制劑對于混凝土凝結時間基本沒有影響。這是因為雖然噴灑水分蒸發抑制劑會減少混凝土塑性階段的水分蒸發量，同時噴灑水分蒸發抑制劑會在一定程度上增加混凝土表層的水灰比，但由于試驗混凝土摻入了大量的粉煤灰，粉煤灰的加入導致混凝土初凝時間有所推遲，因而水分蒸發抑制劑對于大摻量粉煤灰水工混凝土的凝結時間基本沒有影響。

圖2 凝結時間

2.3 強度力學性能

不同試驗組混凝土28 d齡期下的強度力學參數結果見圖3。

圖3 強度力學性能

從圖3中可以看到，相同水分蒸發抑制劑噴灑情況下，混凝土分層間隔時間越短，混凝土試件的抗壓強度和抗拉強度越大，這是因為在分層澆筑施工時，如果澆筑間隔時間延長，就會導致新澆筑層與舊澆筑層之間因為水分蒸發過多形成層間薄弱面，從而影響混凝土的強度特性；相同分層澆筑時間情況下，相比對照試驗組，采用1∶4稀釋水分蒸發抑制劑噴灑的混凝土試件抗壓強度和抗拉強度均有不同程度的增加，而采用1∶8稀釋水分蒸發抑制劑噴灑的混凝土試件抗壓強度較對照試驗組有不同程度降低(分層澆筑10 h時，抗拉強度也有降低)，這是因為噴灑合適濃度的水分蒸發抑制劑可以在一定程度改善混凝土的層間結合，從而提升抗壓尤其是抗拉強度特性。但是若噴灑次數過多或者稀釋比例過稀，有可能會導致混凝土表面水灰比發生變化，從而對新舊層間結合面的力學特性產生影響。因此，水分蒸發抑制劑的噴灑次數、稀釋比例以及分層澆筑間隔時間均不宜過大。

2.4 耐久性

對不同試驗組28 d齡期下混凝土進行了抗滲和抗凍試驗，結果見圖4。

圖4 耐久性能試驗結果

從圖4中可以看到，相較于對照試驗組，噴灑水分蒸發抑制劑后的混凝土平均滲水高度有不同程度減小，而抗凍等級則有較大幅度提升，表明噴灑水分蒸發抑制劑可以提升混凝土的抗滲(1∶4噴灑2次抗滲性最佳)和抗凍(1∶4噴灑1、2、3次抗凍性最佳)性能，尤其是對于分層澆筑間隔時間較長的混凝土，其抗凍性能的提升更加明顯。這是因為噴灑水分蒸發抑制劑后，在混凝土表面形成一層保護膜，使得混凝土中的水分在高溫環境下不易蒸發，混凝土中的水化反應比較充分，混凝土更加密實且干縮裂縫數量大大減少，因而抗滲和抗凍性能提升。從整體上來看，噴灑1∶4稀釋水分蒸發抑制劑對于混凝土耐久性的提升效果要優于1∶8稀釋水分蒸發抑制劑。

2.5 微觀結構

通過對不同試驗組混凝土物理力學性能測試可以發現，采用1∶4水分蒸發抑制劑、間隔2 h噴灑2次時，混凝土的綜合性能達到最佳狀態，可以有效抑制混凝土表面結殼和起皮現象，減少混凝土因高溫環境產生的自干燥收縮裂縫。為了對噴灑前后混凝土內部情況有直觀了解，對其進行了SEM測試，結果見圖5。從圖5中可以看到，對照試驗組混凝土內部主要以不規則針棒狀和片狀晶體(鈣礬石和氫氧化鈣)為主，這些晶體包裹在骨料周圍，形成較多的內部孔隙；而噴灑水分抑制劑之后，混凝土內部主要以圓狀或者塊狀晶體為主，這些晶體體積較小，填充在骨料周圍，形成較為致密的內部結構。這主要得益于噴灑水分蒸發抑制劑以后，混凝土內部水分蒸發量大大減少，可以保證混凝土充分的水化反應，同時也可以減少因水分蒸發留下的孔隙裂隙。因此，噴灑水分蒸發抑制劑后的混凝土綜合性能得到有效提升。

圖5 SEM測試結果

3 結 語

為了減小夏季高蒸發環境下水工混凝土施工自干燥收縮現象，提升混凝土的綜合性能，進行了不同稀釋比和噴灑方式的水分蒸發抑制劑摻入試驗，得到如下結論：

1)水分蒸發抑制劑稀釋比例和噴灑方式對混凝土水分蒸發抑制率有直接影響，且采用1∶4稀釋、間隔2 h噴灑2次時的水分蒸發抑制效果較佳。

2)摻入水分蒸發抑制劑對于混凝土凝結時間基本沒有影響，但會在一定程度上提升混凝土的強度特性和耐久特性。水分蒸發抑制劑稀釋比例過大或噴灑次數過多時，反而會使混凝土表面水灰比發生變化，從而導致性能降低。

3)SEM測試結果表明，摻入水分蒸發抑制劑后，混凝土內部的水化反應更加充分，晶體結構更加圓潤和致密，孔隙裂隙數量大大減少。

4)通過使用水分蒸發抑制劑，可以延長夏季高溫環境下混凝土的澆筑時間，節省工期，在技術經濟和安全性方面表現出較大優勢，可在高溫環境下大體積水工混凝土澆筑施工中予以合理應用。