保水劑對墩身混凝土性能影響研究

賈勝利

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

1 引言

目前我國高鐵總里程數(shù)位居世界第一，高鐵在便利人們出行的同時也加快地域間經(jīng)濟、文化的交流。國內(nèi)已建和在建高鐵工程大量采用高架橋形式建設(shè)，作為承接預制箱梁和高鐵運行中沖擊荷載的墩身結(jié)構(gòu)，施工過程中經(jīng)常遇到外觀質(zhì)量問題——砂線。砂線指混凝土表面的水泥漿流失，砂子裸露的現(xiàn)象。砂線不僅影響墩身的外觀，也會降低混凝土的耐久性，嚴重時可導致鋼筋保護層厚度不足，同時外界氯離子、碳酸根離子侵入墩身混凝土內(nèi)部，最終影響墩身結(jié)構(gòu)的安全性。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，砂線發(fā)生的根本原因是模板內(nèi)的混凝土出現(xiàn)泌水，并在凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生收縮，致使混凝土澆筑時與模板之間形成微細縫隙，泌水下滲帶走尚未凝結(jié)硬化的水泥漿，導致拆模之后砂外露，形成砂線。

保水劑的提出源于水下不分散混凝土的提出和應(yīng)用，上世紀70年代，相關(guān)研究人員通過調(diào)整礦物摻合料和外加劑來改善混凝土的各種性能，使混凝土在水中不分散。1978年日本學者研制出水下不分散混凝土外加劑，并應(yīng)用于實際工程中，取得良好的經(jīng)濟效果。1984年，中國石油研究院研制出丙烯系列抗分散劑，之后相繼研制出纖維素系列保水劑，該保水劑在多項大型工程中得到運用，取得良好的社會效應(yīng)和經(jīng)濟效益。目前有機保水劑主要指水溶性纖維素醚，是以天然纖維素歷時堿化、醚化反應(yīng)后所形成生成物的總稱。我國纖維素醚類的保水劑應(yīng)用研究多集中于砂漿 ，研究成果集中于早期工作性、凝結(jié)時間等，同時相關(guān)學者就保水劑提出增稠作用、假塑性、分散作用、減阻作用等作用機理。

泌水率是泌水量與混凝土拌合物用水量之比，泌水量即混凝土體積已固定但未凝結(jié)硬化前自由水向上移動時收集的自由水量，其形成的主要原因是新拌混凝土和易性較差致使水泥漿包裹集料顆粒性能下降引起的。墩身結(jié)構(gòu)在澆筑混凝土的過程中，當混凝土和易性較差時混凝土泌水率增大致使墩身結(jié)構(gòu)表面水泥漿流失嚴重，墩身混凝土凝結(jié)硬化后產(chǎn)生砂線，砂線嚴重部位伴隨著細小裂紋的產(chǎn)生，嚴重影響墩身結(jié)構(gòu)的耐久性，因此需要通過控制墩身混凝土泌水率，從而減少墩身結(jié)構(gòu)砂線的發(fā)生。本研究立足于中鐵十八局鄭萬高鐵項目，旨在解決墩身結(jié)構(gòu)砂線問題，綜合以往墩身混凝土配合比設(shè)計經(jīng)驗，提出調(diào)整膠凝體系的同時摻加保水劑，通過對比改性后混凝土的泌水率、坍落度、含氣量、抗壓強度、電通量值以及抗氯離子擴散系數(shù)發(fā)展規(guī)律，降低混凝土泌水率的同時確保混凝土后期強度及耐久性，為今后墩身混凝土結(jié)構(gòu)砂線控制提供參考。

2 試驗

2.1 試驗方案設(shè)計與目的

本研究旨在解決施工過程中因混凝土和易性較差出現(xiàn)的“砂線”難題，通過對比調(diào)整膠凝體系類型以及摻加保水劑成分改性后混凝土的泌水率、坍落度、含氣量、抗壓強度、電通量值以及抗氯離子擴散系數(shù)發(fā)展規(guī)律，得出最佳改性后混凝土配合比，為今后解決混凝土結(jié)構(gòu)“砂線”問題提供參考依據(jù)。

實驗設(shè)計要求：混凝土設(shè)計年限100年；T2H1Y1-L1D2環(huán)境（T2-碳化環(huán)境等級為2級；H1-化學環(huán)境侵蝕環(huán)境等級為1類；Y1-鹽類環(huán)境1類；L1-氯鹽環(huán)境等級為2級；D2-凍融環(huán)境為2 級）要求；56天設(shè)計強度等級為C45，混凝土坍落度值為160～200 mm、含氣量≥5.0%、混凝土堿含量 ≤3.0 kg/m3、56 天 電通量＜1200 C、抗氯離子擴散系數(shù)≤7×10-12m2/s。

2.2 原材料

水泥選料為P.O 42.5 低堿水泥；礦物摻合料為FⅡ類粉煤灰、S95級礦粉；集料為細集料細度模數(shù)2.8、含泥量0.3%，粗集料選用5～20 mm、含泥量0.8%、壓碎指標8%；減水劑選用高性能聚羧酸減水劑；引氣劑選用脂肪醇類；保水劑選用聚丙烯酰胺，陽離子型，分子量200萬；按聚丙烯酰胺 : 纖維素醚 : 采用甲基纖維素醚 : 羥丙基纖維素 : 甲級羥乙基纖維素= 3 : 1 : 1 : 1 : 1混合而成。

2.3 試驗方法

2.3.1 拌合物性能測試

拌合物性能測試主要依據(jù)以下各類標準。

（1）新拌混凝土坍落度值、含氣量測試試驗依據(jù)GB/T 50081-2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，壓力泌水率依據(jù) GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》。

（2）抗壓強度測試依據(jù)GB/T 50081-2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》。

（3）電通量值、抗氯離子擴散系數(shù)測試依據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性和耐久性試驗方法標準》。

2.3.2 墩身混凝土配和比

墩身混凝土配和比如表1所示。

表1 墩身混凝土配合比 kg/m3

3 結(jié)果與分析

3.1 不同配合比下混凝土泌水率分析

不同配合比下混凝土的泌水率是不盡相同的，其發(fā)展趨勢如圖1所示：

圖1 泌水率發(fā)展趨勢圖

（1）對比B0～B10配比泌水率變化趨勢可知B10配比的泌水量最低；

（2）對比B0、B1、B2、B3、B4不同摻量保水劑下泌水率發(fā)展趨勢可發(fā)現(xiàn)，泌水率隨著保水劑摻量的增加呈下降趨勢，B1、B2、B3、B4的泌水率相較于B0分別減少12.5%、19.81%、40.24%、69.21%；

（3）不同與B0、B1、B2、B3、B4水泥膠凝體系，B5、B6分別為粉煤灰-水泥膠凝體系在保水劑摻量為0和0.05%下泌水率變化趨勢，B5、B6泌水率相較于B0分別減少7.32%、42.99%，由此可見粉煤灰-水泥膠凝體系較水泥膠凝體系泌水率略有下降；

（4）B7、B8分別為礦粉-水泥膠凝體系保水劑摻量為0%和0.05%下泌水率變化趨勢，B7、B8泌水率分別為 B0 的102.13% 、49.69%，礦粉-水泥膠凝體系未摻加保水劑時泌水率大于水泥膠凝體系；

（5）礦粉-粉煤灰-水泥膠凝體系保水劑摻量為0、0.05% 時泌水率發(fā)展變化如B9、B10所示，分別為B0的 68.60%、29.88% ，粉煤灰-礦粉-水泥膠凝體系無論未摻加保水劑還是摻加保水劑的泌水率均低于粉煤灰-水泥膠凝體系和礦粉-水泥膠凝體系。

通過分析泌水率變化趨勢可得：

（1）水泥膠凝體系中隨著保水劑摻量的增加，泌水率呈減小趨勢，其主要原因為保水劑隸屬大分子有機材料，溶于水后形成一層薄而粘的膠狀膜結(jié)構(gòu)，水分子進入膜結(jié)構(gòu)中受到較強的約束力，同時會加強水分子間的相互作用力，溶有保水劑的混凝土由于水分子和保水劑分子間的相互擴散及相互作用，約束自由水的擴散與流動。未摻加保水劑的混凝土，水分子間的作用力減弱，水膠比增大時，由于水泥顆粒吸附水作用能力有限而產(chǎn)生泌水現(xiàn)象；

（2）粉煤灰-水泥膠凝體系的泌水率低于水泥膠凝體系，其主要原因是粉煤灰呈球形疏松多孔顆粒，其需水量大于水泥，因此粉煤灰-水泥膠凝體系的泌水率低于水泥膠凝體系；

（3）未摻加保水劑的礦粉-水泥膠凝體系的泌水率略高于水泥膠凝體系，礦粉比表面積為450 m2/ kg，大于水泥比表面積（350 m2/ kg），其顆粒形態(tài)呈片狀光滑結(jié)構(gòu)，早期與水反應(yīng)能力較弱，因此礦粉-水泥膠凝體系的泌水率略高于水泥膠凝體系；

（4）礦粉-粉煤灰-水泥膠凝體系未摻加保水劑配比的泌水率介于粉煤灰-水泥膠凝體系和礦粉-水泥膠凝體系之間，主要歸結(jié)于粉煤灰的需水量大于礦粉的需水量。

3.2 不同配合比下混凝土坍落度、含氣量分析

不同配合比坍落度值、含氣量值發(fā)展趨勢如圖2、圖 3所示，綜合圖2、圖3坍落度、含氣量值發(fā)展趨勢可得如下結(jié)論。

圖2 坍落度發(fā)展趨勢圖

圖3 含氣量發(fā)展趨勢圖

（1）水泥膠凝體系（B0～B4）中隨著保水劑摻量的增加，坍落度、含氣量值隨之下降，其中B4配比已不滿足墩身結(jié)構(gòu)混凝土坍落度值、含氣量值要求。B1、B2、B3 配合比60 min時坍落度值相較于B0分別減少 0、5.56%、8.33%。

（2）未摻加保水劑的粉煤灰-水泥膠凝體系坍落度值、含氣量值均高于B0配合比，B5、B6配合比60 min時坍落度值為B0的105.56% 、97.22%，含氣量值為B0的109.43%、103.77%。

（3） B7、B8保 水 劑 摻 量 為0、0.05%礦 粉-水泥膠凝體系60 min坍落度值、含氣量值分別為B0的100.00%、91.67%和105.56%、98.11%。

（4）粉煤灰-礦粉-水泥膠凝體系保水劑摻量0、0.05%的配合比B9、B10， 60 min時坍落度值為B0的102.78%、91.67%，其含氣量值分別為B0的107.54%、 101.89%。

本研究中采用保水劑組分中聚丙烯酰胺為陽離子型，保水劑溶于自由水中，之后包裹水泥顆粒，保水劑摻量增大，包裹量隨之增大，聚羧酸減水劑是一種負離子型表面活性劑，與帶保水劑組分中帶正電的聚丙烯酰胺離子在電荷引起作用下相互吸附，形成絮凝結(jié)構(gòu)，最終導致坍落度值降低，流動性較小。對比B0、B1、B2、B3新拌混凝土坍落值發(fā)展，B1、B2、B3分別為B0的95%、90%、85%，60 min內(nèi)損失率分別為10%、5.26%、5.56%、2.94%，保水劑的摻加雖然會降低新拌混凝土坍落度值，但從數(shù)據(jù)發(fā)展規(guī)律分析可知，保水劑對混凝土坍落度值的經(jīng)時損失影響較小，摻量未超過0.05%時均滿足現(xiàn)場實際施工要求。

3.3 強度分析

依據(jù)墩身結(jié)構(gòu)所處環(huán)境，混凝土設(shè)計等級為C45，綜合圖4 不同配合比56天強度發(fā)展走勢可知B0～B10配合比強度均滿足設(shè)計要求。標準養(yǎng)護條件下B0～B10配合比混凝土抗壓強度發(fā)展如圖4所示。

（1）對比水泥膠凝體系不同保水劑摻量下B0～B4強度發(fā)展，隨著聚丙烯酰胺摻量的增加強度呈現(xiàn)先增后減趨勢，當摻量為0.05%時強度達到最大值，之后隨著摻量的增加強度逐漸下降，且B1、B2、B3、B4強度值分別為B0的103.32%、108.71%、112.66%、107.47%；

（2）保水劑摻量為0、0.05%的粉煤灰-水泥膠凝體系B5、B6的強度值分別為B0 的111.62%、115.98%，即保水劑的摻加有利于粉煤灰-水泥膠凝體系強度的發(fā)展；

（3）礦粉-水泥膠凝體系保水劑摻量為0和0.05% 的強度發(fā)展如B7、B8所示，其強度為B0的117.43%、118.67%，由此可見礦粉-水泥膠凝體系的強度值高于粉煤灰-水泥膠凝體系；

（4）對比礦粉-粉煤灰-水泥膠凝體系保水劑摻量0、0.05%下B9、B10強度發(fā)展可知，B9、B10的強度分別為B0的119.71%、123.24%，礦粉-粉煤灰-水泥膠凝體系強度值高于礦粉-水泥膠凝體系高于粉煤灰-水泥膠凝體系；

（5）對比B0～B10不同配合比下強度發(fā)展，B10為最佳高強度配合比。

綜合以上分析可得，保水劑的摻加會增大混凝土的黏聚性，混凝土中各組分間相互膠黏性增強，成型時堆積更加緊密，一定程度上阻斷混凝土內(nèi)部的連通開口孔，使混凝土內(nèi)部形成微小密閉的均勻氣泡。同時保水劑將自由水、吸附水封閉于混凝土內(nèi)部，內(nèi)部的自由水和吸附水較難蒸發(fā)，養(yǎng)護過程中內(nèi)部水分的存在確保膠凝材料的進一步水化作用，水化產(chǎn)物能夠均勻填充于混凝土界面，保證混凝土強度的發(fā)展。

3.4 耐久性分析

墩身混結(jié)構(gòu)用混凝土設(shè)計年限為100年，基于墩身混凝土所處的環(huán)境等級，其耐久性分析指標主要從電通量值、抗氯離子擴散系數(shù)值展開分析與討論。綜合上述不同配合比下混凝土泌水率、坍落度、含氣量以及強度發(fā)展趨勢可得，粉煤灰-礦粉-水泥膠凝體系（B10）性能最優(yōu)，基于此耐久性分析討論水泥膠凝體系未摻保水劑配合比（B0）、水泥膠凝體系保水劑摻量0.05%配合比（B3）、粉煤灰-水泥膠凝體系保水劑摻量0.05%配合比（B6）、礦粉-水泥膠凝體系保水劑摻量0.05%配合比（B8）、粉煤灰-礦粉-水泥膠凝體系保水劑摻量0.05%配合比（B10）5種配合比電通量值、氯離子擴散系數(shù)發(fā)展趨勢。如圖5 所示，B0、B3、B6、B8、B10配合比 56天電通量均小于1200 C，其發(fā)展規(guī)律為B0（1034）＞ B3（976）＞ B6（804）＞B8 （786）＞ B10（713），即抗?jié)B性能、抗壓強度發(fā)展規(guī)律為B0＜ B3＜ B6＜B8＜B10，保水劑的摻加增大斷面微結(jié)構(gòu)的密實度，尤其是粉煤灰-礦粉-水泥膠凝體系（B10），礦物摻合料的相互作用和保水劑的摻加效果最優(yōu)，抗?jié)B透性能最強。墩身混凝土設(shè)計要求，抗氯離子擴散系數(shù)小于7.0×10-12m2/s，對比B0、B3、B6、B8、B10養(yǎng)護56天后氯離子擴散系數(shù)發(fā)展規(guī)律可得，氯離子擴散系數(shù)B0（7.2）＞B3（6.4）＞B6（5.3）＞B8（4.8）＞B10（4.1），與電通量發(fā)展趨勢等同，其中B0配合比的抗氯離子擴散系數(shù)已不滿足設(shè)計要求。綜合56天電通量、氯離子擴散系數(shù)發(fā)展規(guī)律可得B10為最佳配合比，其抗壓強度值最大，電通量值、氯離子擴散系數(shù)值最低，抗?jié)B透性能最強。

圖5 電通量值、氯離子擴散系數(shù)發(fā)展趨勢圖

3.5 SEM 分析

綜合上述宏觀試驗結(jié)果討論，B10為最優(yōu)配合比，基于此展開B10 的56天斷面微結(jié)構(gòu)SEM分析，通過對比B0、B10微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物排布情況，有利于揭示B10配合比高強、高耐久性的原因。圖6a為B0的 56天硬化漿體斷面微觀形貌圖，斷面微結(jié)構(gòu)中水化產(chǎn)物排列較為疏松，呈現(xiàn)出較多的“溝壑”形狀，“疏松”水化產(chǎn)物的排列和“溝壑形態(tài)”的出現(xiàn)制約強度、耐久性的發(fā)展；圖6b為B10 的56天硬化漿體斷面微觀形貌圖，斷面微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物排布較為密實，且水泥水化生成的六方片狀晶體嵌于排布的水化產(chǎn)物中，進一步提高微結(jié)構(gòu)的致密程度，因此B10配合比強度、耐久性較高。

圖6 B0、B1056天微觀形貌圖

4 工程應(yīng)用實例

上述B10配合比現(xiàn)已應(yīng)用于鄭萬鐵路墩身結(jié)構(gòu)中，墩身混凝土結(jié)構(gòu)澆筑完成后外觀如圖7所示。由圖7可見，采用B10配合比改性后的墩身混凝土砂線明顯減少，同時墩身表面的細小裂縫基本上消除，大大提高墩身混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

圖7 現(xiàn)場墩身混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用實例

5 結(jié)束語

對比B0～B10配合比泌水率發(fā)展趨勢，B10的泌水率最低，相當于B0的29.88%，依據(jù)不同配比下坍落度值、含氣量值發(fā)展趨勢，保水劑摻量大于0.05%時，坍落度值、含氣量已不滿足于墩身混凝土設(shè)計要求，因此滿足墩身混凝土工作性指標和最低泌水率要求的保水劑最佳摻量為0.05%。

抗壓強度最優(yōu)配比為B10（粉煤灰-礦粉-水泥膠凝體系），其56天標準養(yǎng)護條件下抗壓強度可達59.4 MPa，相當于B0（水泥膠凝體系）的123.24%。

56天標準養(yǎng)護條件下電通量、抗氯離子擴散系數(shù)發(fā)展趨勢為B0＞ B3 ＞B6＞B8 ＞B10，B10配合比現(xiàn)已應(yīng)用于工程中，且較為有效的減少墩身“砂線”的現(xiàn)象。