真空脫水工藝對(duì)干硬性混凝土性能影響的研究

楊 森，閆 濤，龔 英

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610000）

0 前 言

為滿足混凝土施工性需增加用水量，一般高于水泥水化所需用水量的2～3倍。然而，較高的用水量使硬化后混凝土存在較多的空隙，降低混凝土強(qiáng)度。針對(duì)施工性與強(qiáng)度對(duì)需求用水量的矛盾，人們嘗試采用先進(jìn)的真空脫水工藝，降低混凝土水灰比、提高密實(shí)度，從而改善混凝土力學(xué)和耐久性。

真空脫水工藝概念最早提出于20世紀(jì)40年代，該工藝原理是在剛澆筑振搗的混凝土表面上鋪設(shè)真空脫水墊，利用真空泵產(chǎn)生合理的負(fù)壓所引起的“擠壓力、毛細(xì)管微管擠壓力、氣泡膨脹擠壓力”使混凝土內(nèi)部壓力差的改變，將混凝土中多余的游離水分、帶入氣體和引入氣體擠壓出去，降低了混凝土水灰比，提高密實(shí)度。在我國(guó)真空脫水工藝已應(yīng)用于路面、機(jī)場(chǎng)和預(yù)制件的施工。

董恒瑞等［1］研究真空脫水對(duì)混凝土地坪強(qiáng)度的影響，真空脫水工藝可增加混凝土（w/c=0.63）的強(qiáng)度，且脫水程度越大強(qiáng)度越高。丁林等［2］研究了真空脫水工藝對(duì)混凝土力學(xué)性能的改善，真空脫水后混凝土面層立即具有0.1～0.2 MPa的強(qiáng)度，相當(dāng)傳統(tǒng)工藝2～4 h的強(qiáng)度，說(shuō)明真空脫水可加快施工速度；成型的混凝土試塊，其中60%高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的5%，40%高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的10%，真空脫水工藝可提升混凝土的早期和后期強(qiáng)度。歐陽(yáng)幼玲等［3］研究表明真空脫水工藝可改善混凝土的抗沖磨性能，C50混凝土可達(dá)非真空脫水C70混凝土的抗沖磨性能。張燕遲等［4-5］認(rèn)為真空脫水工藝可改善混凝土抗裂性能，降低混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。目前研究大多以大水膠比（w/c>0.5）混凝土為研究對(duì)象，而對(duì)于小水膠比（w/c＜0.45）干硬性混凝土卻鮮有研究。

面對(duì)某工程高原高寒地區(qū)高頻凍融的惡劣條件，真空脫水工藝能否對(duì)這類小水膠比、干硬性混凝土進(jìn)行有效脫水、改善其混凝土表面質(zhì)量，值得進(jìn)一步研究。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料

水泥：采用PO42.5低堿水泥，比表面積為325 m2/kg，28 d抗折強(qiáng)度8.1 MPa。

細(xì)骨料：機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為3.0，屬中砂。

粗骨料：分為河灘料碎卵石（黃石，以下簡(jiǎn)稱H）和花崗質(zhì)初糜棱巖碎石（青石，以下簡(jiǎn)稱Q）兩種。這兩種粗骨料都分為3種粒徑：小石5～10 mm、中石10～20 mm和大石16～31.5 mm。由于黃石或青石的生產(chǎn)能力都不能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求，需要將兩種石子進(jìn)行混摻。青石與黃石的試驗(yàn)比例分別為10∶0、8∶2、6∶4、2∶8、4∶6、0∶10。5種粗骨料比例的級(jí)配曲線見圖1，均符合《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土面層施工技術(shù)規(guī)范》（MH 5006-2015）［6］的粗骨料上下限要求。

圖1 粗骨料合成級(jí)配曲線

外加劑：高效減水劑和引氣劑。

1.2 真空脫水設(shè)備

真空吸水機(jī)由水箱、真空表、電機(jī)、輪胎、機(jī)架、罩殼和真空箱等組成。

室內(nèi)試驗(yàn)真空吸水墊的尺寸1 m×1 m，現(xiàn)場(chǎng)施工真空吸水墊4.5 m×4 m。

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)比真空脫水與非真空脫水，測(cè)試其混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及表面抗鹽凍性，考察真空脫水工藝對(duì)混凝土表面質(zhì)量的改善效果。

抗壓強(qiáng)度試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，成型及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50081-2019）［7］規(guī)定的試驗(yàn)方法執(zhí)行。試驗(yàn)對(duì)比了真空脫水和未真空脫水的混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度。

抗折強(qiáng)度試件150 mm×150 mm×550 mm，成型及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50081-2019）規(guī)定的試驗(yàn)方法執(zhí)行。試驗(yàn)對(duì)比了真空脫水和未真空脫水的混凝土7 d、28 d抗折強(qiáng)度。

取抗壓強(qiáng)度試件保留成型面、沿澆筑高度方向切割成150 mm×150 mm×120 mm作為表面抗鹽凍試件。試驗(yàn)對(duì)比了真空脫水和未真空脫水的混凝土28 d表面抗鹽凍性。表面抗鹽凍性試驗(yàn)方法參照《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土面層施工技術(shù)規(guī)范》（MH 5006-2015）相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 試驗(yàn)配合比

干硬性混凝土試驗(yàn)配合比見表1。混凝土含氣量4.5%，維勃稠度4 s。

表1 混凝土試驗(yàn)配合比

對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度試件，真空度0.03～0.04 MPa、真空脫水時(shí)間3 min；對(duì)于混凝土抗折強(qiáng)度試件，真空度0.03～0.04 MPa、真空脫水時(shí)間4.5 min。這樣真空脫水處理后，表面失去塑性變硬但不干裂。可見，針對(duì)這類水膠比小于0.50的干硬性混凝土，真空脫水可實(shí)現(xiàn)表面脫水效果。

2.2 干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度

真空脫水對(duì)干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖2。與非真空脫水相比，真空脫水混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度提高了2.7%、2.5%，其強(qiáng)度增幅明顯小于文獻(xiàn)中大水膠比（≥0.50）混凝土強(qiáng)度提高20%以上［8］。這可能與兩種混凝土的表面真空脫水深淺程度不同有關(guān)：小水膠比混凝土表面脫水深度較淺（1～2 cm），而大水膠比混凝土表面脫水深度較深（可達(dá)10 cm）。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于這類小水膠比、干硬性混凝土，即使其表面真空脫水深度較淺，但依然提高了混凝土抗壓強(qiáng)度。

圖2 真空脫水對(duì)干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

另外，隨著黃石比例的增加，干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，這可能與黃石本身壓碎值較青石的低有關(guān)。

2.3 干硬性混凝土抗折強(qiáng)度

真空脫水對(duì)干硬性混凝土抗折強(qiáng)度的影響詳見圖3。與非真空脫水相比，真空脫水后7 d抗折強(qiáng)度略有增加，28 d抗折強(qiáng)度增加了6%～8%。這與上述真空脫水對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律較一致。說(shuō)明與大水膠比混凝土一樣，真空脫水對(duì)小水膠比混凝土力學(xué)性能具有改善效果，不同的是后者表面脫水深度較淺、力學(xué)性能改善幅度較小。

圖3 真空脫水對(duì)干硬性混凝土抗折強(qiáng)度的影響

隨著黃石比例增加，混凝土抗折強(qiáng)度整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。這是因?yàn)辄S石本身壓碎值較低，在混凝土折斷過(guò)程中黃石本身容易折斷，從而影響了混凝土抗折強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，為滿足抗折強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求5.0 MPa，黃石摻量不宜大于60%。

2.4 干硬性混凝土表面抗鹽凍性

真空脫水對(duì)混凝土表面抗鹽凍性的影響見圖4。由圖可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土表面剝落質(zhì)量逐漸增加，并且非真空脫水的混凝土表面剝落質(zhì)量明顯大于真空脫水的。30次凍融循環(huán)后，非真空脫水的混凝土表面剝落質(zhì)量累計(jì)108 g/m2、真空脫水的57 g/m2，可見真空脫水工藝降低了混凝土表面剝落質(zhì)量48%。真空脫水明顯改善了混凝土表面抗鹽凍性、使混凝土表面更加致密。

圖4 真空脫水對(duì)干硬性混凝土表面抗鹽凍性的影響

從混凝土表面剝落質(zhì)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線來(lái)看，非真空脫水混凝土后期20～30次凍融循環(huán)與前面20次相比，后期表面剝落質(zhì)量曲線呈陡增態(tài)勢(shì)，而真空脫水混凝土沒(méi)有出現(xiàn)該陡增點(diǎn)。隨著凍融次數(shù)的增加，非真空脫水的混凝土表面凍融破壞程度會(huì)更嚴(yán)重，而真空脫水后混凝土由于表面更致密會(huì)減輕這種快速破壞。說(shuō)明采取真空脫水工藝是利于混凝土表面長(zhǎng)期抗凍性的。

3 試驗(yàn)小結(jié)

針對(duì)這類小水膠比、干硬性混凝土，真空脫水工藝依然可有效脫水、改善混凝土表面質(zhì)量，尤其是表面抗凍性。基于本試驗(yàn)研究，可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）與大水膠比混凝土一樣，真空脫水對(duì)小水膠比、干硬性混凝土同樣有效，不同的是后者表面脫水深度較淺、力學(xué)性能改善幅度較小：28 d抗折強(qiáng)度提高6%，抗壓強(qiáng)度提高2.5%。

（2）與非真空脫水相比，真空脫水混凝土表面具有優(yōu)異的長(zhǎng)期抗凍性：30次凍融循環(huán)后表面剝落質(zhì)量降低了48%；真空脫水混凝土表面更致密，凍融后期沒(méi)有出現(xiàn)像非真空脫水混凝土表面的快速凍融破壞。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)研究表明：真空脫水工藝同樣適用于小水膠比的干硬性混凝土，可有效改善混凝土表面質(zhì)量。在高原高寒地區(qū)高頻凍融的惡劣施工條件下，真空脫水工藝是保證混凝土表面質(zhì)量的有效措施，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。