基于統(tǒng)計分析的疏水化合孔栓物混凝土吸水率指標的研究

周敏， 楊海成， 范志宏

(1.廣東省南粵交通東雷高速公路管理中心, 廣東 湛江 524000；2.中交四航工程研究院有限公司 水工構(gòu)造物耐久性技術交通行業(yè)重點實驗室)

1 引言

疏水化合孔栓物是一種新型的內(nèi)摻型混凝土防水抗腐添加劑，無論混凝土是否受到水頭壓力，理論上都能夠有效地抑制水在混凝土內(nèi)部的吸收和滲透，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，目前已在虎門二橋、范和港跨海大橋、東華大橋等國內(nèi)外工程中得到推廣應用。混凝土吸水率是體現(xiàn)“疏水化合孔栓物”對混凝土性能改善效果的關鍵指標。目前中國混凝土方面的技術標準尚無具體的吸水率控制指標，通常參照國內(nèi)外工程經(jīng)驗，參考BS 1881:Part122混凝土吸水率測試方法，以室內(nèi)條件下混凝土7 d的吸水率不大于1%作為控制指標。另外，國內(nèi)外有關吸水率的測試方法包括英國標準BS 1881:Part122、JC 474-2008《砂漿、混凝土防水劑》、JTS 153-2015《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設計標準》等，上述標準中關于吸水率的測試流程有所不同，包括樣品制備、樣品制備部位、烘干浸泡時間等方面均有較大區(qū)別，JC 474-2008《砂漿、混凝土防水劑》、JTS 153-2015《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設計標準》更側(cè)重表征表層混凝土的吸水率，英國標準BS 1881:Part122可較好地表征混凝土整體的吸水率性能，國內(nèi)外工程應用時也通常參照該標準。

盡管工程中以室內(nèi)條件下混凝土吸水率作為控制指標，但對于現(xiàn)澆實體構(gòu)件，考慮施工過程中混凝土拌和、運輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護等方面環(huán)節(jié)存在的波動，可能會對實體構(gòu)件混凝土性能產(chǎn)生一定的影響，為確定摻“疏水化合孔栓物”的現(xiàn)澆實體構(gòu)件混凝土吸水率的合理取值，該文依托湛江東海島至雷州高速公路通明海特大橋項目，基于大量室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，統(tǒng)計分析不同種類“疏水化合孔栓物”混凝土吸水率的均值與標準差，以期為實體構(gòu)件混凝土設計指標、驗收指標的確定提供技術參考。

2 試驗方案及測試方法

2.1 試驗方案

(1) 室內(nèi)試驗

利用現(xiàn)場兩個標段的原材料，選取通明海特大橋承臺墩身C40混凝土作為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場材料的特點，選取水膠比為0.35、總膠凝材料用量為430 kg/m3、雙摻粉煤灰與磨細礦渣粉，通過調(diào)整水泥用量為210～240 kg/m3，每個標段設計5組C40海工高性能混凝土配合比。同時選取目前國內(nèi)外主要疏水化合孔栓物外加劑廠家的材料，分別以S1、S2“疏水化合孔栓物”表示。在此基礎上，利用現(xiàn)場原材料，委托第三方檢測機構(gòu)同步開展上述驗證試驗。

(2) 現(xiàn)場模型試驗

通過對上述配合比優(yōu)選，每個標段確定1組施工配合比，用于開展現(xiàn)場模型試驗。模型試驗采用現(xiàn)場拌和站拌和、澆筑、振搗工藝，分別澆筑3根直徑1.2 m、高度約3.5 m的試驗墩柱，分別為空白混凝土試驗墩柱(無“疏水化合孔栓物”外加劑)、摻S1、S2疏水化合孔栓物的混凝土試驗墩柱，并按照現(xiàn)場實際養(yǎng)護工藝對構(gòu)件進行養(yǎng)護。墩柱養(yǎng)護3、10及24 d后現(xiàn)場鉆取直徑為7.5 cm、高度不小于12 cm的芯樣，并切割去除混凝土表層，進而加工制備直徑為7.5 cm、高為7.5 cm的測試芯樣，參照BS 1881：Part122:1983方法測試混凝土7、14及28 d齡期的吸水率。

在澆筑構(gòu)件的同時，每個配合比現(xiàn)場成型3組15 cm×15 cm×15 cm立方體試件，室內(nèi)標準養(yǎng)護不同齡期后，參照BS 1881：Part122:1983方法測試7、14及28 d養(yǎng)護齡期時混凝土的吸水率?；谠囼灉y試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析實體構(gòu)件混凝土吸水率的平均值及標準差。

2.2 測試方法

參照BS 1881：Part122:1983方法測試混凝土吸水率，主要測試流程：成型15 cm×15 cm×15 cm混凝土立方體試件，標準養(yǎng)護測試齡期前4 d時，鉆芯切割成φ7.5 cm×7.5 cm的芯樣；芯樣在溫度(105±5) ℃的烘箱中干燥(72±2) h，冷卻(24±0.5) h后開始吸水試驗；試驗前稱取樣品初始重量，稱重后將樣品放入水中，頂面距離水面(25±5) mm，浸泡時間為30、60及120 min后，取出測試，計算混凝土吸水率。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)試驗統(tǒng)計分析

基于室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計方法對S1及S2疏水孔栓物混凝土吸水率進行分析，圖1為采用S1、S2的混凝土統(tǒng)計圖。由圖1可知：① 通過對60個樣本統(tǒng)計分析，得到采用S1的混凝土7 d吸水率平均值為0.9%，標準差為0.11%，且有49個樣本處于0.8%～1.0%區(qū)間；② 通過對42個采用S2的混凝土7 d吸水率數(shù)據(jù)樣本統(tǒng)計分析，得到采用S2的混凝土7 d吸水率平均值為0.6%，標準差為0.11%，且有36個樣本處于0.4%～0.7%。

圖1 混凝土7 d吸水率室內(nèi)試驗統(tǒng)計圖

3.2 現(xiàn)場試驗統(tǒng)計分析

3.2.1 現(xiàn)場7 d試驗結(jié)果分析

對現(xiàn)場混凝土拌和站生產(chǎn)的混凝土不同齡期吸水率進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖2。由圖2可知：① 空白混凝土7 d的吸水率平均值為2.48%，標準差為0.37%；② 采用S1的混凝土7 d的吸水率平均值為1.4%，標準差為0.12%，且符合標準正態(tài)分布；③ 采用S2的混凝土7 d的吸水率平均值為0.9%，標準差為0.07%；④ 在混凝土配合比、養(yǎng)護條件完全一致的前提下，相比室內(nèi)試驗攪拌機(每次拌和40 L混凝土)拌和混凝土，采用現(xiàn)場拌和站生產(chǎn)的混凝土7 d吸水率顯著大于室內(nèi)試驗采用攪拌機拌和的混凝土；比如采用室內(nèi)攪拌機拌和的S1、S2混凝土7 d吸水率的平均值分別為0.9%、0.6%，但采用現(xiàn)場拌和站生產(chǎn)的S1及S2混凝土吸水率提高為1.4%、0.9%，吸水率分別提高的原因，可能是由于在室內(nèi)攪拌機拌和條件下，混凝土原材料的計量精度、拌和均勻性、振搗密實性等方面均優(yōu)于現(xiàn)場拌和；⑤ 相比空白混凝土，采用S1、S2疏水化合孔栓物可顯著降低海工混凝土7 d的吸水率，其中S1疏水化合孔栓物混凝土對7 d吸水率的降低效果更為顯著。

圖2 現(xiàn)場混凝土7 d吸水率統(tǒng)計圖

3.2.2 現(xiàn)場14 d試驗結(jié)果分析

圖3為混凝土14 d現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。由圖3可知：① 當養(yǎng)護14 d時，空白混凝土的吸水率平均值為1.8%，標準差為0.37%;② 采用S1的混凝土吸水率平均值為0.88%，標準差為0.06%；③ 采用S2的混凝土吸水率平均值為0.74%，標準差為0.06%；④ 采用S1、S2疏水化合孔栓物可顯著降低海工混凝土14 d的吸水率。

3.2.3 現(xiàn)場28 d試驗結(jié)果分析

圖4為混凝土28 d現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。由圖4可知：① 在養(yǎng)護28 d時，空白混凝土的吸水率平均值為1.5%，標準差為0.28%；② 采用S1的混凝土吸水率平均值為0.65%，標準差為0.11%；③ 采用S2的混凝土吸水率平均值為0.69%，標準差為0.14%；④ 采用S1、S2疏水化合孔栓物可顯著降低海工混凝土28 d的吸水率。

3.3 現(xiàn)場構(gòu)件混凝土與標準養(yǎng)護混凝土吸水率對比分析

圖5為利用現(xiàn)場實體構(gòu)件取芯與標準養(yǎng)護試件測試的吸水率對比。

圖3 現(xiàn)場混凝土14 d吸水率統(tǒng)計圖

由圖5可知：采用實體構(gòu)件測試的混凝土吸水率總體要小于混凝土留樣試件的吸水率，其構(gòu)件吸水率/試件吸水率比值的平均值為0.89。

3.4 混凝土吸水率隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律

圖6為現(xiàn)場實體構(gòu)件混凝土吸水率隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律。

由圖6可知：混凝土吸水率隨養(yǎng)護齡期的延長而不斷降低，混凝土吸水率與養(yǎng)護齡期之間符合指數(shù)關系：y吸水率=AeBx，其中A、B的取值與混凝土性能有關。

4 結(jié)論

(1) 疏水化合孔栓物可有效降低海工高性能混凝土不同齡期的吸水率，利用疏水化合孔栓物可制備整體防水抗腐蝕混凝土，可有效避免傳統(tǒng)表面涂裝材料易于破損、老化等耐久性問題，為解決嚴酷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提供了新的技術途徑。

圖4 現(xiàn)場混凝土28 d吸水率統(tǒng)計圖

圖5 實體構(gòu)件吸水率與試件吸水率比的統(tǒng)計圖

(2) 在室內(nèi)攪拌機拌和、標準養(yǎng)護條件下，對60個S1混凝土樣本進行統(tǒng)計，采用S1的混凝土7 d吸水率平均值為0.9%，標準差為0.11%，且有49個樣本處于0.8%～1.0%區(qū)間；對42個S2混凝土樣本進行統(tǒng)計，采用S2的混凝土7 d吸水率平均值為0.6%，標準差為0.11%，且有36個樣本處于0.4%～0.7%。

圖6 實體構(gòu)件混凝土吸水率隨養(yǎng)護齡期的變化

(3) 在混凝土配合比、養(yǎng)護條件完全一致的前提下，相比室內(nèi)攪拌機拌和混凝土，采用現(xiàn)場拌和站生產(chǎn)的混凝土7 d吸水率顯著大于室內(nèi)攪拌機拌和的混凝土，提高了50%以上。在混凝土配合比設計時，混凝土吸水率設計指標應預留足夠的富余量。

(4) 華南沿海夏季環(huán)境下，利用現(xiàn)場拌和站生產(chǎn)的混凝土，現(xiàn)澆實體構(gòu)件的混凝土吸水率小于標準養(yǎng)護試件測試的吸水率，其構(gòu)件吸水率/試件吸水率比值的平均值為0.89?？刹捎矛F(xiàn)場留樣混凝土作為評定實體結(jié)構(gòu)混凝土吸水率指標，避免了實體結(jié)構(gòu)取芯測試對結(jié)構(gòu)外觀、長期性能的影響。

(5) 混凝土的吸水率隨養(yǎng)護齡期的延長而不斷降低，混凝土吸水率與養(yǎng)護齡期之間符合指數(shù)關系。