夏季水工混凝土性能提升試驗研究

郝玉同，劉 偉

(1.棗莊市水利開發有限公司，山東 棗莊 277102；2.棗莊市水利勘測設計院，山東 棗莊 277102)

在夏季高溫蒸發環境對大體積水工混凝土主要分層、分塊進行澆筑，硬化、干裂以及開裂現象由于混凝土失水過快極易產生[1]。這種現象使得混凝土澆筑層間形成新舊薄弱面，降低水工混凝土的使用壽命[2]。因此水工混凝土在高溫環境的性能提升試驗具有重要的工程意義[3]。當前新型養護材料中水分蒸發抑制劑可以降低混凝土塑性階段在極端高溫干燥條件下的開裂驅動力，具有較低噴灑量、效果優異等特點[4]。但在大體積混凝土使用過程中，還需要結合分層、分塊澆筑間隔時間來對水分蒸發抑制劑的使用進行確定。近些年來，國內一些水利工程混凝土澆筑時采用水分蒸發抑制劑作為養護材料，實例應用表明[5- 10]，水分蒸發抑制劑可以較好地抑制水工混凝土分層、分塊澆筑時的水分流失，有效提高混凝土的耐久性和力學特性。但國內開展的研究成果對于水分蒸發抑制劑的稀釋比和噴灑方式研究還較少，而一些研究成果也表明[11- 15]，稀釋比和噴灑方式對于水分蒸發抑制劑的實施效果影響十分明顯，為提高水分蒸發抑制劑使用效率，提升大體積水工混凝土在夏季高溫蒸發環境的性能，本文采用室內試驗方式針對水分蒸發抑制劑不同稀釋比和噴灑方式進行試驗模擬，通過試驗數據分析水分蒸發抑制劑最優效果的稀釋比和噴灑方式。研究成果對于大體積水工混凝土澆筑質量提升具有重要的推廣和借鑒價值。

1 試驗方法

1.1 試驗材料選取

水泥選用標號為P.M42.5，其中MgO和SO3的含量分別為4%和1.85%，燒失量均值為0.65%，總堿量為0.52%，表面積平均比為285m2/kg，密度均值為3.15g/cm3，水化熱在3和7d可達到245和292kJ/kg，初凝和終凝時間分別為185和260min，抗壓和抗折強度在28d養護期可分別達到47.2和8.9MPa。

選用I級F類粉煤灰作為外加劑材料，密度均值為2.42g/cm3，含水率均值為0.15%，細度值為5.2%，需水比和燒失量分別為92%和4.35%，SO3的含量為1.45%。

粒徑為6～38mm的粗骨料為混凝土試驗材料之一，密度均值為2769g/cm3，粗骨料的含泥量3%，粒徑的占比為65%，豎固和壓碎比分別為1%和5.6%，人工砂為細骨料，表層密度均值為2745kg/cm3，微粒占比為8.5%，細度模數為2.84，石粉含量為15.5%，吸水率和堅固性分別為1.3%和1.2%。

采用高效塑性混凝土水分蒸發抑制劑作為本次試驗的水分蒸發抑制劑的材料。高性能減水劑為外加劑，具體含量見表1。其中生活用水為試驗用水，可溶物和不溶物的含量分別為226和28mg/L，pH值為7.9。

表1 水分蒸發抑制劑的外加劑主要含量配比 單位：%

1.2 試驗方案設定

大體積試驗水工混凝土90d的設計強度εp≥9×10-5，其基礎配比值見表2。

表2 試驗大體積混凝土基礎配比 單位：kg/m3

分別采用1∶4和1∶8 2種配比作為水分蒸發抑制劑的稀釋比，其具體試驗方案見表3。

表3 試驗方案設置

各試驗方案水分蒸發抑制劑的噴灑間隔時間為30min。混凝土在每組試驗條件下分層澆筑層數均為2層，分組澆筑間隔按照模擬大體積水工混凝土澆筑過程分別設置為3、5和10h。

1.3 試驗環境

采用鎢燈直射和落地風扇模擬高溫蒸發和高風速環境，混凝土表層上方10cm溫度在高溫環境下可達到(38±2)℃，混凝土表層上方風速在高風速環境下的可達到(5±0.5)m/s。

2 試驗結果分析

2.1 不同試驗方案下水分蒸發抑制率影響

針對大體積水工混凝土不同澆筑間隔時間對水分進行觀測，通過試驗觀測不同試驗組號的水分蒸發抑制率，試驗結果見表4。

表4 水工混凝土不同澆筑時間的水分蒸發抑制率試驗結果 單位：%

由表3—4可知，稀釋比為1∶4的水分蒸發抑制劑間隔4h分別噴灑1、2、3次，水工混凝土層間的水分蒸發抑制率分別達到31.23%、49.85%以及50.25%，而間隔4h噴灑2次稀釋比為1∶8和1∶9的水分蒸發抑制劑抑制率僅為21.35%和19.35%，因此水分蒸發抑制劑在稀釋比為1∶4時要好于稀釋比為1∶8和1∶9的水分蒸發抑制劑抑制效果，且噴灑次數對水分蒸發抑制率影響程度不大。噴灑間隔時間為2h且噴灑次數相同時大體積水工混凝土的層間水分蒸發抑制效果最佳。

2.2 不同試驗方案混凝土凝結時間影響

鑒于水分蒸發抑制劑會對大體積水工混凝土凝結時間有所影響，對不同試驗方案的水工混凝土凝結時間進行分析，結果見表5。

表5 水工混凝土不同水分蒸發抑制劑試驗方案的凝結時間影響試驗結果 單位：h

由表5可知，混凝土凝結時間受水分蒸發抑制劑不同稀釋比和噴灑次數影響較小，各試驗方案的混凝土凝結時間差異程度較低，這主要因為大體積水工混凝土塑性階段水分蒸發量雖然受到水分蒸發抑制劑噴灑影響有所減少，而同時混凝土表層的水灰比會受到水分蒸發抑制劑影響在一定程度上有所增加，但由于大量的粉煤灰摻入到試驗混凝土中，使得混凝土初凝時間受摻入的粉煤灰影響而有所延遲，因此大量的粉煤灰摻入到混凝土中使得水分蒸發抑制劑對水工混凝土的凝結時間基本不產生影響。

2.3 不同試驗方案力學及強度性能影響

在不同試驗方案水分蒸發抑制率和混凝土凝結時間試驗分析的基礎上，對水分蒸發抑制劑不同試驗方案的混凝土抗壓和抗拉強度進行分析，試驗結果分別見表6—7。

表6 水工混凝土噴灑水分蒸發抑制劑各試驗方案不同澆筑間隔時間抗壓強度試驗結果 單位：MPa

表7 水工混凝土噴灑水分蒸發抑制劑各試驗方案不同澆筑間隔時間抗拉強度試驗結果 單位：MPa

由表6—7可知，混凝土分層抗壓和抗拉強度在相同稀釋比的水分蒸發抑制劑噴灑試驗條件下隨著混凝土分層澆筑間隔的縮短而有所加大，這主要是因為大體積混凝土在分層澆筑時，新澆筑層和舊澆筑層因延長澆筑間隔時間其層間薄弱會因為水分蒸發過多而形成，對混凝土的強度特性而有所影響，水分蒸發抑制劑在稀釋比為1∶4時相比于空白試驗對照組其混凝土在相同分層澆筑時間的抗壓和抗拉強度都有所增加，而混凝土試件在水分蒸發抑制劑稀釋比為1∶8和1∶9時的抗壓和抗拉強度相比于空白試驗對照組均有所減小，這主要是因為水分蒸發抑制劑濃度噴灑較為適宜使得其對混凝土層間結構一定程度有所改善，從而提升抗壓尤其是抗拉強度。但采用過多或過稀比例水分蒸發抑制劑進行噴灑，混凝土表面水灰比可能會有所變化，從而使得力學特性在新澆筑層和舊澆筑層之間有所影響。因此，噴灑次數、稀釋比以及分層澆筑間隔時間對于水分蒸發抑制劑而言均不宜過大。

2.4 不同試驗方案抗滲性能影響

針對不同水分蒸發抑制劑試驗方案對比水工混凝土分層澆筑不同時間間隔的平均滲水高度，從而分析不同試驗方案對大體積水工混凝土的抗滲性能影響，試驗結果見表8。

表8 水工混凝土分層不同澆筑間隔平均滲水高度試驗結果 單位：mm

從水工混凝土分層不同澆筑間隔平均滲水高度試驗結果可看出，混凝土的平均滲水高度在噴灑水分蒸發抑制劑后均有不同程度降低，從而表明大體積水工混凝土分層澆筑后抗滲性能可以得到提升，其中噴灑次數為2次，噴灑稀釋比為1∶4的水分蒸發抑制劑抗滲性能最好，分層澆筑間隔時間越長抗滲效果越高。這主要是因為在高溫蒸發環境混凝土表面因為噴灑水分蒸發抑制劑后形成一層保護膜，使得混凝土中的水分在高溫環境蒸發較難，水化反應在混凝土中較為充分，大大減少干縮裂縫數量使得混凝土更加密實，因而提升抗滲性能。整體而言，水分蒸發抑制劑在稀釋比為1∶4時混凝土耐久性能要好于稀釋比為1∶8時的耐久性能。

2.5 微觀結果

采用顯微鏡觀測方式對空白對照試驗組和稀釋比為1∶4、噴灑間隔時間為2h的混凝土試件進行微觀觀測，觀測如圖1所示。

圖1 顯微鏡下的混凝土試件微觀結構

由圖1可知，間隔2h進行稀釋比為1∶4的水分蒸發劑噴灑后的混凝土試件表面相比于對照試驗組其起皮和結殼現象的得到有效抑制，高溫環境混凝土內部產生的自干燥收縮裂縫有效減少。從對比的內部微觀結構可看出，不規則針棒狀和氫氧化鈣片狀晶體主要出現在對照試驗組混凝土的內部，內部孔隙處主要由骨料周圍晶體所包裹。混凝土內部由于噴灑水分蒸發抑制劑后出現較多的圓塊狀晶體，骨料周圍主要填充體積較小的圓塊狀晶體，形成緊密的內部結構，這主要因為噴灑水分蒸發抑制劑后混凝土內部水分大量減少，水化熱在混凝土中充分反應，同時孔隙裂隙數量因水分蒸發而減少，因此混凝土綜合性能在噴灑水分蒸發抑制劑后有效提升。

3 結論

(1)稀釋比例過大或者噴灑次數過多的水分蒸發抑制劑，反而會加大混凝土表面的水灰比，降低其性能，因此在大體積混凝土高溫蒸發環境分層澆筑噴灑水分蒸發抑制劑，一定嚴格控制稀釋比和噴灑次數，以免降低混凝土的性能，影響工程質量，建議控制稀釋比為1∶4，每隔2h噴灑1～2次。

(2)通過混凝土內部微觀結構可發現，水工混凝土內部在摻入水分蒸發抑制劑后其水化反應更加充分，混凝土內部體積較小的圓狀或者塊狀晶體更加緊密，從而增強高溫蒸發環境的混凝土性能。

(3)夏季高溫環境可通過使用水分蒸發抑制劑延長水工混凝土澆筑時間，節省工期，技術經濟和安全方面優勢較為明顯。