水工混凝土抗?jié)B性能的影響因素探討

肖延亮，李光偉，張 洋

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

混凝土的耐久性，與水和其它有害液體、氣體向其內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)量和范圍等有關(guān)，所以抗?jié)B性被認(rèn)為是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為，滲透性是導(dǎo)致混凝土品質(zhì)惡化的主要因素，大多數(shù)造成混凝土劣化的物理的、化學(xué)的侵蝕都是有害介質(zhì)通過(guò)水的侵入而發(fā)生的［1］?；炷翝B透性越低，抵抗水和侵蝕性介質(zhì)侵入的能力就越強(qiáng)，其耐久性就越好，所以低滲透性是混凝土耐久性的第一道防線［2］。水利水電工程，通過(guò)修筑攔河大壩抬高河流的水位，從而達(dá)到發(fā)電、灌溉、防洪等目的。要求大壩具有較高的水密性，防止水工結(jié)構(gòu)漏水是工程建設(shè)所要達(dá)到的目標(biāo)。然而水工混凝土上游面承受較高的水頭，而下游面承受的水頭則較小，在水力梯度作用下，水會(huì)沿著滲透通道遷移，一方面會(huì)造成水量的損失，另一方面會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生侵蝕作用，使結(jié)構(gòu)的耐久性降低。

2 水工混凝土抗?jié)B性能的影響因素

水泥完全水化所需的水量折算成水灰比大致為0.23，而水工混凝土幾乎不可能采用如此小的水灰比。由于水灰比過(guò)小，混凝土的自收縮很大，混凝土容易開(kāi)裂，且混凝土拌和物和易性較難滿足施工性能要求，因此水工混凝土實(shí)際采用的水灰(膠)比遠(yuǎn)高于0.23。混凝土用水量超過(guò)混凝土水化極限用水量的1～3倍，大量的水是水化反應(yīng)所不需要的，多余的水分在混凝土水化過(guò)程中會(huì)形成孔隙，成為庫(kù)水的滲透通道。本文將從混凝土本體與施工質(zhì)量?jī)煞矫嬲撌鲇绊懰せ炷量節(jié)B性能的因素。

2.1 混凝土本體抗?jié)B性能的影響因素

2.1.1 混凝土密實(shí)度

提高混凝土密實(shí)度可以提高混凝土抗?jié)B性。在混凝土生產(chǎn)、施工的各個(gè)環(huán)節(jié)要采取正確、有效的措施來(lái)提高混凝土的密實(shí)度。

當(dāng)砂率為最佳砂率時(shí)，可使混凝土在較低用水量時(shí)獲得最佳的施工和易性。混凝土最佳砂率可通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)配合比調(diào)整試驗(yàn)獲得。如果混凝土使用砂率過(guò)小，則不能在粗骨料的周圍形成足夠的砂漿層起到潤(rùn)滑和填充作用，也會(huì)降低混凝土的施工和易性，混凝土不易振搗密實(shí);混凝土粘聚性、保水性變差，容易使混凝土在澆筑過(guò)程中出現(xiàn)較大的泌水，從而導(dǎo)致混凝土抗?jié)B性降低。如果砂率過(guò)大，會(huì)使骨料的總表面積及空隙率增大，要使混凝土達(dá)到相同的坍落度，需增加混凝土的單位體積用水量，從而提高混凝土的膠凝材料的用量，增加了混凝土因溫升過(guò)高而產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。如不改變用水量，則混凝土的流動(dòng)性降低，造成施工振搗不密實(shí)，影響抗?jié)B性。由于水工混凝土常常采用較大粒徑的粗骨料，容易出現(xiàn)骨料與砂漿的分離現(xiàn)象，如不做好平倉(cāng)工作，會(huì)造成混凝土拌和物分布不均勻，影響水工混凝土的澆筑密實(shí)度，從而影響混凝土的抗?jié)B性能。

粉煤灰是水工混凝土最常用的摻合料，一般摻量在30%左右。由于粉煤灰的早期水化程度較低，因此摻粉煤灰混凝土的早期抗?jié)B性能比不摻粉煤灰混凝土略低。粉煤灰的以下三種效應(yīng)均能使混凝土孔隙減少:①形態(tài)效應(yīng)，粉煤灰混凝土的鋁硅酸鹽玻璃微珠，可填充水泥漿體孔隙，提高混凝土的抗?jié)B性;②活性效應(yīng)，粉煤灰中活性成分SiO2、Al2O3在后期與水泥的水化物反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，降低了混凝土的孔隙率，改善了孔結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的抗?jié)B性;③微集料反應(yīng)，粉煤灰中的微細(xì)顆粒分布于水泥顆粒之間，有利于水泥的水化反應(yīng)，增加了混凝土的密實(shí)性，提高混凝土的抗?jié)B性。水工混凝土的設(shè)計(jì)齡期一般采用90d或180d，因此摻粉煤灰水工混凝土設(shè)計(jì)齡期時(shí)的抗?jié)B性比不摻粉煤灰混凝土優(yōu)。

2.1.2 水膠比

一般情況下，骨料的抗?jié)B性較高，水泥砂漿的抗?jié)B性是影響混凝土抗?jié)B性能的主要因素。吳中偉教授曾將混凝土中的孔隙劃分為四級(jí)［2］:孔徑在20nm以下為無(wú)害孔級(jí);孔徑在20～50nm為少害孔級(jí);孔徑在50～200nm為有害孔級(jí);孔徑在200nm以上為多害孔級(jí)?？讖叫∮?0nm的孔數(shù)量可能反映凝膠數(shù)量的多少，而凝膠數(shù)量越多則混凝土的強(qiáng)度越高，抗?jié)B性越好。隨著混凝土水膠比的增加，混凝土中的孔隙率會(huì)增加，且無(wú)害孔和少害孔的比例降低，而有害孔和多害孔的比例增加?；炷恋目?jié)B性能會(huì)隨著混凝土水膠比的增加而降低。有研究表明(如圖1所示)［3］，水灰比從0.5增加到0.7，滲透系數(shù)增加100多倍甚至更多;水灰比從0.65降至0.55，滲透系數(shù)降至原來(lái)的1/3。在水工混凝土設(shè)計(jì)中，有耐久性要求的混凝土常常對(duì)最大水膠比作出限制。在滿足施工要求且控制膠材用量的情況下，應(yīng)盡量選擇較低的水膠比，高效減水劑的使用是達(dá)到這一目的的好辦法。

圖1 混凝土抗?jié)B系數(shù)與水灰比的關(guān)系

2.1.3 骨料粒徑

在水膠比相同情況下，骨料的最大粒徑越大，混凝土的滲透系數(shù)越高，抗?jié)B性能越低。水在一定的水力梯度作用下，會(huì)沿著混凝土中水泥漿體的連通孔隙滲透，在滲透過(guò)程中遇到粗骨料，由于通常情況下骨料的滲透性極低，水會(huì)繞著骨料與水泥漿體的界面運(yùn)動(dòng)。其一，骨料粒徑越大，混凝土滲透的平均路徑越短，混凝土的抗?jié)B性能越低;其次，濕篩混凝土的界面結(jié)合比全級(jí)配混凝土好，可使二級(jí)配混凝土抗?jié)B性能比四級(jí)配混凝土優(yōu)，由于水的密度低于水泥漿體，在混凝土振搗施工時(shí)，水會(huì)在浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)，水在上浮過(guò)程中遇到粗骨料時(shí)，會(huì)在骨料下方形成水隙而影響界面粘結(jié)性能，骨料粒徑越大，界面的粘結(jié)性能越低。如表1的抗?jié)B試驗(yàn)，全級(jí)配采用φ450mm×450mm的圓柱體試件，濕篩混凝土采用φ150mm×150mm的圓柱體試件，試驗(yàn)研究成果表明，在相同水壓力作用下，全級(jí)配滲透系數(shù)比濕篩二級(jí)配混凝土的高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表1 混凝土滲透系數(shù)影響試驗(yàn)結(jié)果

2.1.4 含氣量

研究表明［4］，引氣劑的摻入，能夠在混凝土中引入適量的細(xì)小、均勻且獨(dú)立而不相通的氣泡，有效隔斷了混凝土中的毛細(xì)孔通道，防止水分滲透，從而增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性能。氣泡的形態(tài)和大小對(duì)混凝土抗?jié)B性能有較大影響。如果引入的含氣量過(guò)高，反而會(huì)導(dǎo)致混凝土抗?jié)B性能的下降，當(dāng)混凝土含氣量達(dá)到6%～8%時(shí)，混凝土抗?jié)B性能出現(xiàn)急劇下降。這主要是因?yàn)橐脒^(guò)多的氣孔，難以完全封閉，它們相互之間會(huì)形成連通孔隙。采用聚羧酸配制有抗凍要求的混凝土?xí)r，混凝土含氣量較難控制，且容易引入直徑較大的有害氣泡，會(huì)使混凝土中孔隙連通，對(duì)混凝土的抗?jié)B不利。室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，引氣劑摻量稍微提高，混凝土含氣量急劇增加，混凝土?xí)?MPa水壓力下1h左右即被擊穿。因此，如何控制混凝土中的含氣量和氣泡大小是混凝土引氣技術(shù)的關(guān)鍵。

2.2 施工質(zhì)量

2.2.1 濕養(yǎng)護(hù)齡期

合理的養(yǎng)護(hù)可使混凝土的強(qiáng)度更高、抗?jié)B性更好。早期養(yǎng)護(hù)條件的不同，對(duì)混凝土后期的抗?jié)B透性能影響顯著，說(shuō)明在不同的養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的水化硬化過(guò)程發(fā)生了不同的變化［5］。根據(jù) Mehta的研究，只有100nm以上的連通孔才對(duì)混凝土的抗?jié)B性有害。在混凝土早期水化階段，如果養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，水分迅速蒸發(fā)，可由外向內(nèi)引發(fā)混凝土內(nèi)部的水分遷移，這種遷移作用和持續(xù)的遷移過(guò)程，勢(shì)必在硬化混凝土中形成了大量100nm以上的連通孔甚至出現(xiàn)微裂縫，必然會(huì)降低混凝土的抗?jié)B性能;而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)或及時(shí)水養(yǎng)護(hù)的混凝土，由于水泥可以持續(xù)得到水化所需要的水，水化物不斷消耗孔隙中的水而降低混凝土的孔隙率，增加密實(shí)性，從而提高混凝土的抗?jié)B透能力。

另有研究成果表明，按抗?jié)B要求設(shè)計(jì)的混凝土，如果沒(méi)有及時(shí)充分的養(yǎng)護(hù)，抗?jié)B等級(jí)僅達(dá)到P3;而按不抗?jié)B設(shè)計(jì)的混凝土，如果加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)，其抗?jié)B等級(jí)可達(dá)到P14。可見(jiàn)，及時(shí)充分的濕養(yǎng)護(hù)，對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響明顯。

2.2.2 裂縫控制

裂縫的產(chǎn)生，不但會(huì)使結(jié)構(gòu)的承載力下降，還將大大提高建筑物的透水性。由于裂縫的滲透能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混凝土孔隙，裂縫產(chǎn)生可能影響水工建筑物的正常蓄水。因此，設(shè)計(jì)合理的水工混凝土配合比，在水工混凝土施工過(guò)程中，做好混凝土表面的保護(hù)，降低混凝土因內(nèi)外溫差過(guò)大而產(chǎn)生裂縫;采用適當(dāng)?shù)臏乜卮胧ㄟ^(guò)控制混凝土的最高溫升和溫降幅度，降低混凝土因溫度應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生裂縫;進(jìn)行較好的濕養(yǎng)護(hù)，防止混凝土因干縮過(guò)大而出現(xiàn)裂縫;通過(guò)以上措施，可以降低裂縫出現(xiàn)的幾率。如出現(xiàn)裂縫，需采取適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)措施;如處理不當(dāng)，會(huì)成為水滲漏的路徑，影響水利水電工程正常蓄水。

2.2.3 層面結(jié)合

受混凝土運(yùn)輸能力和施工強(qiáng)度的限制，水工混凝土每倉(cāng)澆筑需分幾層才能完成。為保證澆筑塊內(nèi)的各澆筑層能夠形成一個(gè)整體，應(yīng)在下層混凝土未初凝之前覆蓋上層混凝土;否則，已初凝的混凝土表面將產(chǎn)生乳皮，在振搗中無(wú)法消失，上、下層混凝土間形成薄弱結(jié)合面，則抗?jié)B性能將會(huì)明顯降低［6］。

為了防止混凝土因溫度應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫，對(duì)水工大體積混凝土采用分縫分塊澆筑。3m澆筑層厚是目前水工混凝土常采用的層厚，層與層之間存在一定的澆筑間歇時(shí)間，間歇時(shí)間的長(zhǎng)短需進(jìn)行專門的論證?；炷撩總}(cāng)澆筑完畢或因其他原因不能繼續(xù)澆筑時(shí)，則應(yīng)立即封倉(cāng)停止?jié)仓?，待混凝土?qiáng)度達(dá)2.5MPa后，可用壓力水、風(fēng)砂槍等將表面混凝土刷成毛面，清洗干凈，繼續(xù)澆筑。然而由于各種原因，上下層混凝土的澆筑時(shí)間間隔超過(guò)了規(guī)定的間歇時(shí)間，需用水泥砂漿對(duì)層面進(jìn)行處理，改善層面的抗?jié)B性能;否則，混凝土的澆筑層面將成為混凝土的滲漏通道。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)本文對(duì)水工混凝土抗?jié)B性能影響因素的論述，可以得出以下提高水工混凝土抗?jié)B性能的措施:

(1)采用科學(xué)合理的配合比，提高混凝土拌和物和易性，提高混凝土的密實(shí)性;

(2)在保證膠材用量不增加的前提下，降低混凝土的水膠比，改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu);

(3)根據(jù)工程特點(diǎn)，選用合適的骨料粒徑;

(4)引入一定量的微氣泡，降低混凝土毛細(xì)孔的連通性，從而提高混凝土的抗?jié)B性;

(5)做好混凝土的濕養(yǎng)護(hù)，特別是早期的濕養(yǎng)護(hù);

(6)采用適當(dāng)?shù)臏乜卮胧?，防止裂縫產(chǎn)生;

(7)采用合適的澆筑工藝，提高混凝土層面結(jié)合性能。

［1］肖延亮.高早強(qiáng)微膨脹自密實(shí)高強(qiáng)混凝土的配制及其性能研究［D］.武漢:武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2004.

［2］吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1999.

［3］陳文峰，劉芳玲.影響混凝土抗?jié)B性能主要因素分析［J］.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(4):109－111.

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［5］葛兆慶，周岳年，等.早期養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能的影響分析［J］.施工技術(shù)，2010(4):91－93.

［6］孟凡濱.淺析水工混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)［J］.科技資訊，2009(25):92.