夏季高蒸發(fā)環(huán)境下水工混凝土性能提升研究

李元浪

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)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(jìn)行分層、分塊，在高蒸發(fā)環(huán)境下(高溫、大風(fēng)、低濕氣候)，容易導(dǎo)致混凝土因失水過快產(chǎn)生硬化、開裂和干裂現(xiàn)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(xué)性能和耐久性。因此，開展高蒸發(fā)環(huán)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(fā)抑制劑作為一種新型養(yǎng)護(hù)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(qū)動力，具有噴灑量低、效果優(yōu)異等特點(diǎn)。但是由于水工混凝土一般體積較大，使用水分蒸發(fā)抑制劑還應(yīng)該結(jié)合分層、分塊澆筑間隔時間來確定。鹿永久等[4]通過現(xiàn)場試驗，研究了水分蒸發(fā)抑制劑對烏東德水電站混凝土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)水分蒸發(fā)抑制劑不僅不會降低混凝土強(qiáng)度，甚至還有一定程度的提升。呂喜風(fēng)等[5-7]針對南疆干旱平原區(qū)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(fā)抑制技術(shù)，結(jié)果表明該抑制劑抗溫度和雜質(zhì)影響的能力較強(qiáng)，且抑制水分蒸發(fā)的性能十分穩(wěn)定。

當(dāng)前，關(guān)于水分蒸發(fā)抑制劑在水工混凝土的應(yīng)用仍比較少見，存在許多不足。本文結(jié)合前人研究經(jīng)驗，對高蒸發(fā)環(huán)境下?lián)饺胨终舭l(fā)抑制劑的混凝土水分蒸發(fā)抑制效率、力學(xué)特性和耐久性影響進(jìn)行試驗研究，同時進(jìn)行微觀試驗，從微觀角度解釋水分蒸發(fā)抑制劑的作用機(jī)理，以期能為水分蒸發(fā)抑制劑在大體積水工混凝土中的養(yǎng)護(hù)應(yīng)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(qiáng)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(xì)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(biāo)5.5%；細(xì)骨料為人工砂，平均表觀密度為2 760 kg/m3，微粒含量9.2%，細(xì)度模數(shù)2.84，石粉含量為15.1%，吸水率為1.2%，堅固性為1%。

水分蒸發(fā)抑制劑：使用江西某公司生產(chǎn)的塑性混凝土高效水分蒸發(fā)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(shí)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(shè)計強(qiáng)度為C18035W14F200(εp≥90×10-6，90 d)，其基準(zhǔn)配合比情況見表1。水分蒸發(fā)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(fā)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(fā)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(jìn)行分層澆筑，分層數(shù)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(shè)置為3、5和10 h。

表1 大壩混凝土基礎(chǔ)配比 /kg·(m3)-1

1.3 試驗環(huán)境

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

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水分蒸發(fā)抑制率

試驗得到的不同試驗組水分蒸發(fā)抑制效果結(jié)果見圖1。從圖1中可以看到，當(dāng)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(fā)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(fā)抑制率僅為23.2%；當(dāng)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(fā)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(fā)抑制率僅為33.9%。因此，以1∶4稀釋的水分蒸發(fā)抑制劑的抑制效果明顯優(yōu)于以1∶8稀釋的水分蒸發(fā)抑制劑，且噴灑2和3次時的水分蒸發(fā)抑制率相差不大；相同噴灑次數(shù)下，噴灑間隔時間為2 h的水分蒸發(fā)抑制效果明顯優(yōu)于噴灑間隔時間為4 h的水分蒸發(fā)抑制效果，噴灑間隔時間越短，水分蒸發(fā)抑制效果越好，當(dāng)然也會造成工程成本的增加。

圖1 水分蒸發(fā)抑制率

2.2 凝結(jié)時間

試驗得到的不同試驗組混凝土的凝結(jié)時間見圖2。從圖2中可以看到，不同稀釋比和噴灑次數(shù)下的混凝土凝結(jié)時間相差不大，即水分蒸發(fā)抑制劑對于混凝土凝結(jié)時間基本沒有影響。這是因為雖然噴灑水分蒸發(fā)抑制劑會減少混凝土塑性階段的水分蒸發(fā)量，同時噴灑水分蒸發(fā)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(dǎo)致混凝土初凝時間有所推遲，因而水分蒸發(fā)抑制劑對于大摻量粉煤灰水工混凝土的凝結(jié)時間基本沒有影響。

圖2 凝結(jié)時間

2.3 強(qiáng)度力學(xué)性能

不同試驗組混凝土28 d齡期下的強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)結(jié)果見圖3。

圖3 強(qiáng)度力學(xué)性能

從圖3中可以看到，相同水分蒸發(fā)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(dǎo)致新澆筑層與舊澆筑層之間因為水分蒸發(fā)過多形成層間薄弱面，從而影響混凝土的強(qiáng)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(fā)抑制劑噴灑的混凝土試件抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有不同程度的增加，而采用1∶8稀釋水分蒸發(fā)抑制劑噴灑的混凝土試件抗壓強(qiáng)度較對照試驗組有不同程度降低(分層澆筑10 h時，抗拉強(qiáng)度也有降低)，這是因為噴灑合適濃度的水分蒸發(fā)抑制劑可以在一定程度改善混凝土的層間結(jié)合，從而提升抗壓尤其是抗拉強(qiáng)度特性。但是若噴灑次數(shù)過多或者稀釋比例過稀，有可能會導(dǎo)致混凝土表面水灰比發(fā)生變化，從而對新舊層間結(jié)合面的力學(xué)特性產(chǎn)生影響。因此，水分蒸發(fā)抑制劑的噴灑次數(shù)、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(jìn)行了抗?jié)B和抗凍試驗，結(jié)果見圖4。

圖4 耐久性能試驗結(jié)果

從圖4中可以看到，相較于對照試驗組，噴灑水分蒸發(fā)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(fā)抑制劑可以提升混凝土的抗?jié)B(1∶4噴灑2次抗?jié)B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(fā)抑制劑后，在混凝土表面形成一層保護(hù)膜，使得混凝土中的水分在高溫環(huán)境下不易蒸發(fā)，混凝土中的水化反應(yīng)比較充分，混凝土更加密實(shí)且干縮裂縫數(shù)量大大減少，因而抗?jié)B和抗凍性能提升。從整體上來看，噴灑1∶4稀釋水分蒸發(fā)抑制劑對于混凝土耐久性的提升效果要優(yōu)于1∶8稀釋水分蒸發(fā)抑制劑。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)

通過對不同試驗組混凝土物理力學(xué)性能測試可以發(fā)現(xiàn)，采用1∶4水分蒸發(fā)抑制劑、間隔2 h噴灑2次時，混凝土的綜合性能達(dá)到最佳狀態(tài)，可以有效抑制混凝土表面結(jié)殼和起皮現(xiàn)象，減少混凝土因高溫環(huán)境產(chǎn)生的自干燥收縮裂縫。為了對噴灑前后混凝土內(nèi)部情況有直觀了解，對其進(jìn)行了SEM測試，結(jié)果見圖5。從圖5中可以看到，對照試驗組混凝土內(nèi)部主要以不規(guī)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(nèi)部孔隙；而噴灑水分抑制劑之后，混凝土內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。這主要得益于噴灑水分蒸發(fā)抑制劑以后，混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)量大大減少，可以保證混凝土充分的水化反應(yīng)，同時也可以減少因水分蒸發(fā)留下的孔隙裂隙。因此，噴灑水分蒸發(fā)抑制劑后的混凝土綜合性能得到有效提升。

圖5 SEM測試結(jié)果

3 結(jié) 語

為了減小夏季高蒸發(fā)環(huán)境下水工混凝土施工自干燥收縮現(xiàn)象，提升混凝土的綜合性能，進(jìn)行了不同稀釋比和噴灑方式的水分蒸發(fā)抑制劑摻入試驗，得到如下結(jié)論：

1)水分蒸發(fā)抑制劑稀釋比例和噴灑方式對混凝土水分蒸發(fā)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(fā)抑制效果較佳。

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

3)SEM測試結(jié)果表明，摻入水分蒸發(fā)抑制劑后，混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)更加充分，晶體結(jié)構(gòu)更加圓潤和致密，孔隙裂隙數(shù)量大大減少。

4)通過使用水分蒸發(fā)抑制劑，可以延長夏季高溫環(huán)境下混凝土的澆筑時間，節(jié)省工期，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)和安全性方面表現(xiàn)出較大優(yōu)勢，可在高溫環(huán)境下大體積水工混凝土澆筑施工中予以合理應(yīng)用。