新型疏水劑對大壩混凝土性能影響研究

王 志 明,范 敬 沖,張 利 榮

(1.中國消防救援學院,北京 102202; 2.中國安能建設集團有限公司,北京 100070)

0 引 言

大壩建設是水利資源開發利用的重要環節[1-4]。20世紀80年代以來,中國的混凝土大壩工程發展迅速,而滲水問題是混凝土大壩在不同建設和運行階段所面臨的重要挑戰[5]。大壩內部的滲流及其造成的內部侵蝕是壩體產生破壞導致決口甚至潰壩等風險事件的主要原因。在潰壩事件中,儲存在水庫中的水在很短的時間內高速傾瀉而下,由洪波造成災難性的破壞[6],導致巨大人員傷亡和經濟損失,如1928年南加州圣弗朗西斯大壩決堤和1998年九江長江堤防決堤。按區域統計,中國東北地區潰壩比例為7.27%,明顯高于東部和中部地區(約為2倍)[7],考慮是冬季持續凍融循環作用造成的顯著影響。在不影響強度的前提下,改善大壩混凝土的抗滲性以及抗凍性能是解決高寒地區混凝土大壩因滲流而造成潰壩安全風險的關鍵。

常見的混凝土疏水處理方式是在其表面處浸漬或涂層,通過完全或部分堵塞混凝土孔隙來減少表面孔隙率,使混凝土表面產生一定的疏水性。對于采用表面涂層或浸漬進行疏水處理的混凝土,當防水涂料或浸漬區域部分受損時,混凝土將喪失疏水性。在膠凝材料中摻入疏水劑制備疏水混凝土,使其實現整體疏水,是目前最佳的混凝土疏水處理方法。Mora等[8]通過添加正十二烷基功能化二氧化硅顆粒對混凝土砂漿進行疏水改性,處理后的混凝土的水接觸角可達122°,但疏水二氧化硅顆粒的加入降低了混凝土在28 d的強度。Herb等[9]研究了硅烷基疏水外加劑對混凝土疏水性的影響,并研究了烷基三烷氧基硅烷的作用機理,發現其在疏水性中起主要作用。Tittarelli等[10]制備了硅烷基疏水外加劑(烷基三乙氧基硅烷水乳狀液),將摻入外加劑的混凝土暴露在氯化物溶液中,結果表明,即使混凝土的水膠比達到0.8,鋼筋也不會銹蝕。Matar等[11]研究表明,疏水劑的摻入對再生骨料混凝土的抗氯離子滲透、抗水滲透性能具有積極影響,其主要原因是改性木質素磺酸鹽作為疏水外加劑,降低了水泥基體的孔隙率,導致混凝土滲透性降低。內摻疏水劑可以使得混凝土內外均疏水,避免了疏水涂層破損帶來的危害,但大部分內摻型疏水劑對混凝土的強度存在不利影響。以上研究的重點均在提高混凝土的疏水性,尚未解決混凝土強度損失的問題。

凍融循環是寒冷地區壩體普遍遭受的耐久性劣化過程,也是混凝土大壩潰壩的主要環境誘因。混凝土屬于多孔材料,其孔隙結構不是影響混凝土力學性能的重要因素[12-13],孔隙大小分布(PSD)及孔隙連通性也在一定程度上決定了混凝土的滲透率、抗氯離子腐蝕性能、水吸附及水力擴散系數,即提高PSD是改善混凝土耐久性的關鍵[14]。研究發現,混凝土含水率和孔隙結構是影響其抗凍能力的主要參數,凍融循環通過改變混凝土孔隙結構,間接地改變了混凝土的毛細管吸水特性[15]。

本文利用沸石顆粒的多孔格架狀結構,采用濕法改性工藝對沸石粉進行表面改性,制備了一種可以改善大壩混凝土強度的新型疏水劑(YA)。通過不同摻量來研究YA對混凝土力學性能、抗凍性能與吸水性能的影響,并結合孔隙結構的演化具體討論YA對混凝土各項性能改善的機理。

1 試驗設計

1.1 原材料

水泥采用石家莊曲寨生產的普通硅酸鹽水泥P·O42.5,比表面積為345 m2/kg;粉煤灰為石家莊靈壽的F類I級粉煤灰,密度為2.42 kg/cm3。細骨料為河砂,細度模數2.61;粗骨料為5～20 mm連續級配碎石;減水劑為JM-Ⅱ緩凝Ⅱ型高效減水劑,通過調整減水劑的摻量,控制混凝土塌落度在60～90 mm范圍內。新型疏水劑的基材是天然沸石,其顆粒是一種多孔格狀構造礦物,具有存水功能,摻入混凝土中可以有效降低混凝土的泌水率,并且在混凝土水化反應過程中會緩慢釋放水分,促進水化反應。具體的改性過程為:先將天然沸石采用行星球磨機研磨至1 200目,取200 g沸石粉加至500 mL乙醇中,超聲波處理10 min,在持續攪拌條件下加入少量水,同時加入16 g KH-570偶聯劑;攪拌均勻后,將200 mL環乙烷-正丁醇混合液(體積比為1∶1)加入上述溶液并混合,攪拌狀態下緩慢滴入80 g甲基硅油,繼續攪拌1 h后,沸石粉顆粒的表面會分布多種疏水基團,使得顆粒本身具有疏水性質;最后將漿料烘干,即可得到1 200目的疏水沸石粉(YA)。試驗中所用的YA疏水劑80%顆粒分布在25.100～195.587 μm之間。通過LABCENTER XRF-1800系列X射線熒光光譜儀對水泥、粉煤灰及YA疏水劑的化學成分進行分析,結果如表1所列。

表1 水泥、粉煤灰及疏水劑的化學成分Tab.1 Chemical composition of cement,fly ash and hydrophobic agent %

1.2 配合比

試驗采用的混凝土水膠比為0.5,YA疏水劑摻入量分別為試件所用膠凝材料質量總和的0,2%,3%和4%。混凝土配合比如表2所列,其中C0為基準組(YA疏水劑摻量為0),CY為在基準組的基礎上摻入YA疏水劑的混凝土試件。所有試件在標準養護條件下進行養護,試件養護28 d所測得的接觸角(CA)如圖1所示。對于C0,水滴直接浸入混凝土內部,隨著YA摻量的增加,接觸角逐漸增大,當摻量為4%時,接觸角達到最大值(85°±2°)。

圖1 不同YA摻量下混凝土接觸角Fig.1 Contact angle of concrete mixed with different hydrophobing ageats contents

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix proportions of concrete kg/m3

1.3 試驗方法

本文進行的試驗包括快速凍融試驗、抗壓試驗、劈裂抗拉試驗、吸水試驗以及孔隙試驗,試驗的具體方法和樣品制備如下:

(1) 快速凍融試驗。試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,試驗依據GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。設備為KDS-28型混凝土快速凍融試驗機,試件中心溫度在(-18±2) ℃～(10±2) ℃范圍內。在試件經歷0,50,100,150,200次凍融循環次數后,利用NEL-DTA動彈性模量測定儀對其相對動彈性模量進行測量。

(2) 力學試驗。包括抗壓試驗與劈裂抗拉試驗,試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,試驗方法依據GB/T 50081-2009《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行。采用RFP-03智能壓力儀表對養護齡期分別為1,3,7,14,28 d的試件進行試驗,加載速率為0.4 MPa/s。

(3) 吸水試驗。制備尺寸為70 mm×70 mm×70 mm的立方體砂漿試件,吸水率的測試依據ASTM C642《硬化混凝土的密度、吸水性及空隙率的標準試驗方法》進行。將養護28 d的砂漿試件放在105 ℃烘箱中烘干120 h,冷卻后稱重得到m0并將其浸入水中,在取出試件時對試件表面進行干燥,對試件進行再次稱重得到mt,此時可得到試件的吸水率:

W=(mt-m0)/m0×100%

(1)

(4) 孔隙試驗。采用壓汞法(MIP)對試件的累積孔隙體積、孔隙分布以及孔隙體積百分比進行測試,試驗設備為Autopore IV 9500型壓汞儀,最大工作壓力值為413 MPa。

2 結果與討論

2.1 力學性能

不同養護齡期下混凝土試件的抗壓強度與劈裂抗拉強度如圖2所示。在養護齡期為1 d時,摻入疏水劑的混凝土(CY)抗壓強度及劈裂抗拉強度均顯著高于普通混凝土(C0),隨著養護齡期的增長,兩者間強度差變小,但CY組混凝土試件抗壓強度及劈裂抗拉強度仍高于C0組。結果表明,YA疏水劑可以改善混凝土的力學性能,并顯著提高混凝土的早期強度。

圖2 不同養護齡期下混凝土試件的強度Fig.2 Strength of concrete specimens with different curing ages

2.2 抗凍性能

2.2.1表面剝蝕情況

在不同的凍融循環次數下,各組混凝土試件的表面剝蝕情況如圖3所示。可以發現,對于沒有摻入YA疏水劑的C0組,試件在經歷50次凍融循環后表皮漿體就已經出現明顯剝蝕,部分粗骨料外露,表面受損嚴重。而摻入YA疏水劑后,試件表面剝蝕的速度顯著減緩,且隨著疏水劑摻量的增加,該減緩效果更為明顯。在凍融循環次數達到100次時,CY-4組試件表面才開始形成“斑狀”損傷區域。

圖3 不同凍融循環次數后混凝土試件表面剝蝕情況Fig.3 Surface deterioration of concrete specimens subjected to different freeze-thaw cycles

2.2.2相對動彈性模量變化

圖4為各組試件在不同凍融循環次數下相對動彈性模量的變化。當凍融循環次數為50次時,CY組試件的相對動彈性模量損失很小,但未摻入疏水劑的C0組試件相對動彈性模量損失已經超過了60%,這表明此時C0已經抗凍失效。當凍融循環次數為100次時,CY-2和CY-3組試件抗凍失效,而CY-4組試件還可以繼續承受凍融循環,且其相對動彈性模量損失遠遠低于其余各組。

圖4 持續凍融循環作用下混凝土試件相對動彈性模量Fig.4 Relative dynamic elastic modulus of concrete specimens varied with continuous freeze-thaw attack

混凝土的抗凍性能可由其能夠承受的最大凍融循環次數來表示,即當相對動彈性模量下降到初始模量60%時,對應的凍融循環次數可以作為試件抗凍性能的表征參數。C0與CY-2/3/4組試件可以承受的最大凍融循環次數約為35,83,89,111次,可以發現,YA疏水劑的摻入可以顯著改善混凝土的抗凍性能,且摻量4%時對混凝土抗凍性能的改善最為明顯。

2.3 吸水性能

試件80 h內吸水情況如圖5所示,可以發現吸水率與時間呈現明顯的指數曲線關系,吸水率先快速增加后趨于平緩,且C0試件的吸水率明顯高于CY-4。混凝土的吸水過程分為兩個階段:快速吸水階段和穩定吸水階段。其中快速吸水階段主要由毛細吸水所主導,水通過毛細孔隙進入試樣,而穩定吸水階段主要受擴散控制,水通過凝膠孔隙運移。C0砂漿試件在約7 h后達到穩定吸水階段,CY-4砂漿試件在約11 h后達到穩定吸水階段,這說明C0砂漿的毛細孔更為豐富。另外,C0試件的吸水系數最終穩定在8.1%,而CY-4試件的吸水率最終穩定在6.6%,這表明普通混凝土的孔隙含量大于疏水混凝土,因此普通混凝土的抗凍能力較差。由此可見,YA的摻入能夠改善混凝土的孔隙網絡,防止更多的水進入,這是YA提高混凝土抗凍能力的主要原因。

圖5 混凝土試件的吸水性能Fig.5 Water absorption of concrete specimens

2.4 孔隙分布特征

MIP試驗中的孔體積是指汞在一定外力作用下壓入體積與試件的質量比,試驗結果如圖6(a)所示,其中C0和CY-4試件的孔隙率分別為14.52%和11.86%。可以發現,隨著YA疏水劑的加入,CY-4試件的孔隙率明顯更低,并且YA的摻入抑制了孔徑大于100 nm的孔隙發育。

圖6 不同混凝土試件的孔隙結構Fig.6 Pore structure of different concrete specimens

樣品的孔徑分布(PSD)可以用MIP的微分曲線來表征,微分曲線的峰值為最可幾孔徑,代表該孔徑的孔隙數量最大。由圖6(b)可以發現,在未摻入YA時,C0試件最可幾孔徑在1 000 nm左右,孔徑分布呈多峰分布。當疏水劑摻量為4%時,CY-4試件的最可幾孔徑為50 nm。峰值后,孔隙含量隨著孔徑的增大而減小,孔徑分布呈明顯的雙峰分布。由此可見,疏水劑的摻入可以降低有害孔(孔徑大于100 nm)的孔體積,增加少害孔(孔徑小于100 nm)的含量。

基于Hodot的孔隙分類方法,將孔隙分為微孔(<10 nm)、過渡孔(10～100 nm)、中孔(100～1 000 nm)和大孔(>1 000 nm),其中微孔主要是水泥之間的空隙,對混凝土性能的影響不大。混凝土的抗凍能力主要受孔徑分布影響,大于100 nm的孔隙特別是大孔可為水及其它溶液提供侵入路徑,也為儲存水分提供了空間。而C0的主要孔隙為大孔,這也是其抗凍性能較差的主要原因。YA的摻入改變了混凝土微觀孔徑的分布,抑制了中孔和大孔的發育,優化了孔隙網絡結構,使得漿體更加密實,進而提高了混凝土的強度和抗凍性能。

3 結 論

在工程實際中,常常通過降低水膠比來提高混凝土試件的密實度,降低孔隙率,但大量研究表明利用水膠比調節孔隙率的作用是有限的。通過摻入新型疏水劑,混凝土內部的孔隙率顯著降低,過渡孔(少害孔)含量顯著增加,并伴隨著大孔(有害孔)含量的減少。結合力學性能分析和吸水試驗結果可以發現,新型疏水劑不僅提高了混凝土的疏水性,而且減少了有害孔的含量,從而提高了混凝土的力學性能、抗凍性能和吸水性能。主要結論如下:

(1) YA改善了混凝土的力學性能,特別是混凝土的早期強度。YA的摻入顯著提高了混凝土的抗凍性能,混凝土的抗凍能力隨YA摻量的增加而增加。另外,在凍融作用下,疏水混凝土的表面剝蝕程度遠小于普通混凝土。

(2) 疏水混凝土達到飽和吸水階段所需的時間較長,YA的摻入明顯降低了混凝土的孔隙含量,改善其孔隙網絡,減少了混凝土的吸水率。

(3) YA的摻入能夠顯著降低混凝土孔隙率,增加了過渡孔(無害孔)的含量,減少了大孔(有害孔)的含量,而降低中孔和大孔的含量是提高混凝土抗凍性能的關鍵。