真空脫水工藝下的混凝土性能

歐陽(yáng)幼玲，傅勇明，錢(qián)文勛，陳迅捷，陳思興

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 2.福建省福州港口發(fā)展中心，福建 福州 350007)

無(wú)論是在以氯鹽侵蝕為主的海洋環(huán)境還是以碳化為主的內(nèi)陸環(huán)境中，混凝土保護(hù)層是決定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵部分，提高混凝土保護(hù)層抗?jié)B透性是延長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的有效措施之一[1]。Mehta[2]認(rèn)為，在混凝土組成良好且經(jīng)過(guò)適當(dāng)振搗密實(shí)和養(yǎng)護(hù)的情況下，只要內(nèi)部的孔隙和裂縫未形成相互連通直達(dá)混凝土表面的通道，就可以認(rèn)為該混凝土結(jié)構(gòu)是水密性的。目前，我國(guó)有關(guān)耐久性規(guī)范中采用的混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕附加措施，主要是在混凝土表面涂刷防腐涂層及浸漬硅烷，以提高混凝土的抗?jié)B透性能。然而這些附加措施對(duì)鋼筋混凝土的保護(hù)年限也僅僅是不低于15 年[3]，同時(shí)因老化等原因，防腐涂層容易起皮、脫落，增加了維護(hù)成本[4-5]。

混凝土真空脫水工藝是利用真空泵產(chǎn)生的壓力差，對(duì)澆注成型后的新鮮混凝土施加擠壓抽吸作用，脫出部分拌合水和氣泡，使混凝土密實(shí)的一項(xiàng)工藝技術(shù)。經(jīng)真空脫水后，混凝土的剩余水膠比由表面向內(nèi)部逐漸變化，表面最低，距離表面越遠(yuǎn)越接近初始水膠比。因此，在有效脫水范圍內(nèi)，混凝土的強(qiáng)度也隨著水膠比的變化而不同。尤其是表面層混凝土的水膠比可以下降很多，形成高致密無(wú)缺陷混凝土層[6]。長(zhǎng)期以來(lái)，真空脫水工藝主要在公路工程建設(shè)中推廣應(yīng)用[7-9]，且針對(duì)較大水膠比的混凝土，旨在提高混凝土路面的強(qiáng)度和耐磨性、縮短施工養(yǎng)護(hù)周期。田正林等[10]通過(guò)真空脫水工藝提高了再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透能力；張燕遲等[11]論證了利用真空脫水工藝可以提高水工混凝土抗裂性能；國(guó)內(nèi)某船閘工程通過(guò)采用真空脫水工藝，顯著提高了混凝土閘墻的表觀質(zhì)量和抗裂性能[12-13]。

因此，從混凝土施工工藝角度，通過(guò)真空脫水工藝來(lái)提高混凝土保護(hù)層的抗?jié)B透性能并避免表面裂縫的產(chǎn)生，從而提高鋼筋混凝土的耐久性，或成為一種切實(shí)可行的技術(shù)手段。本文主要研究真空脫水混凝土的強(qiáng)度性能、干縮變形性能和抗?jié)B透性能，并對(duì)真空脫水工藝對(duì)混凝土性能的改善機(jī)理進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)原材料及方案設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積366 m2/kg；細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)2.77，為Ⅱ級(jí)配區(qū)的中粗砂；粗骨料為5～40 mm的二級(jí)配玄武巖人工骨料；外加劑為上海特密斯公司生產(chǎn)的聚羧酸型高效減水劑，減水率為25.4%；江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑，減水率為18.0%；蘭州宏能電力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的氨基系減水劑，減水率為19.2%。水泥的化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 水泥的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of cement 單位：%

1.2 試驗(yàn)方法

真空脫水混凝土試驗(yàn)方法依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352—2020）中“真空脫水混凝土試件的成型與養(yǎng)護(hù)方法”及“混凝土拌合物真空脫水率試驗(yàn)”進(jìn)行?；炷恋恼婵彰撍捎蒙衔ǎ婵瘴鼔|由透水模板襯墊上覆加聚乙烯塑料密封層組成。透水模板襯墊為南京水利科學(xué)研究院自行開(kāi)發(fā)研制，由耐堿性能優(yōu)良的高分子聚合物紡織纖維材料和高分子聚合物排水網(wǎng)格復(fù)合而成。分子聚合物紡織纖維材料均勻密布略大于水分子直徑的微孔，使混凝土中多余的水分在真空作用下能輕易透過(guò)微孔進(jìn)入排水網(wǎng)格，繼而排出混凝土模板?；炷琳婵瘴畽C(jī)為常州大正建筑機(jī)械廠生產(chǎn)，最大真空度0.1 MPa。試驗(yàn)抽吸真空度為0.06～0.08 MPa，真空處理時(shí)間10～15 min。本文成型試件有100和150 mm兩種厚度尺寸，對(duì)于厚度較大的混凝土試件采用較大真空度和較長(zhǎng)真空處理時(shí)間。脫水完畢，混凝土再次振動(dòng)密實(shí)并進(jìn)行表面抹光。

混凝土性能試驗(yàn)方法依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352—2020）進(jìn)行?；炷量捉Y(jié)構(gòu)采用Quantachrome公司生產(chǎn)的poromaster GT-60壓汞儀進(jìn)行測(cè)定；其中， 低壓范圍1.5～350.0 kPa，高壓范圍140 kPa～420 MPa，可測(cè)量直徑范圍為 0.003 5～400 μm。

1.3 真空脫水混凝土配合比

真空脫水混凝土的最佳配合比與普通混凝土有所不同，其設(shè)計(jì)除要滿足普通混凝土的基本要求外，還要求新澆混凝土拌合物有足夠的可壓縮量、脫水過(guò)程拌合物的阻力最小，能在短時(shí)間內(nèi)獲得最佳脫水量[6,14]。因此，要求混凝土拌合物在壓差作用下易于壓實(shí)、排水，并有較好的和易性。故真空脫水混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)膠材的用量（單位用水量）、砂率、水膠比與和易性等方面較普通混凝土有所區(qū)別。

本文對(duì)真空脫水混凝土配合比的優(yōu)化采用了正交試驗(yàn)。試驗(yàn)因子選擇有水膠比、砂率、單位用水量及高效減水劑，各因子再分別確定3個(gè)試驗(yàn)水平，設(shè)計(jì)了L9（34）4因子3水平共9組配合比（表2），以明確各因子不同水平對(duì)真空脫水率及真空脫水前后混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響，確定真空脫水條件下混凝土基礎(chǔ)配合比參數(shù)。

表2 真空脫水混凝土配合比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal test design and results of vacuum dewaterd concrete mix

極差的大小反映了因子水平改變時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大小。各因子水平對(duì)真空脫水率及真空脫水前后混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響程度見(jiàn)表3。

由表3可知，混凝土的真空脫水率主要受水膠比的影響，且隨著水膠比的增大而增加。其次為砂率和單位用水量，過(guò)低或過(guò)高的砂率對(duì)真空脫水率均不利，存在一個(gè)最佳砂率。真空脫水率隨著單位用水量的增加而有所減少。外加劑種類(lèi)對(duì)真空脫水率的影響較小。

對(duì)于28 d抗壓強(qiáng)度，表3的結(jié)果表明：（1）對(duì)非真空混凝土而言，水膠比是主要影響因素，其次為砂率；在試驗(yàn)砂率范圍內(nèi)，28 d抗壓強(qiáng)度隨水膠比和砂率的增大而減?。粏挝挥盟亢屯饧觿┓N類(lèi)的影響相對(duì)較小。（2）對(duì)真空脫水混凝土而言，水膠比仍然是強(qiáng)度的主要影響因素，其次為砂率和單位用水量；且28 d抗壓強(qiáng)度隨水膠比和單位用水量的增加而減??；砂率存在一個(gè)最佳值。

表3 各因子對(duì)真空脫水混凝土性能影響的極差分析Tab.3 Range analysis in influence of each factor on the performance of vacuum dehydrated concrete

由混凝土配合比正交試驗(yàn)的結(jié)果可知，采用真空脫水工藝的混凝土，配合比參數(shù)的合理選擇顯得尤為重要。在試驗(yàn)所選的水平范圍內(nèi)，真空和非真空混凝土的性能均隨水膠比和單位用水量的增加而減少，而真空混凝土的最佳砂率比非真空混凝土增加約20%以上。

故本文真空混凝土性能研究選取了0.32、0.40和0.48共3種水膠比，單位用水量為150 kg/m3，對(duì)應(yīng)于各水膠比的適宜砂率分別為0.42、0.46和0.50，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表4。

表4 不同水膠比下真空脫水混凝土配合比及拌合物性能Tab.4 Mix ratio and properties of vacuum dewatered concrete with different water-binder ratios

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 真空脫水混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗沖磨強(qiáng)度

不同水膠比真空混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗沖磨強(qiáng)度性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，當(dāng)水膠比由0.32增加到0.40和0.48，經(jīng)真空脫水后，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了9%、12%和20%，混凝土72 h抗沖磨強(qiáng)度分別提高了87%、65%和49%。即采用真空脫水后，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的提高值隨著水膠比的增大而增加，而混凝土72 h抗沖磨強(qiáng)度的提高值隨著水膠比的增大而減小。

圖1 不同水膠比下真空脫水混凝土的強(qiáng)度性能Fig.1 Strength properties of vacuum dewatered concrete with different water-binder ratios

真空脫水過(guò)程中，混凝土中的真空度隨著傳遞深度的增加而減小。因此混凝土經(jīng)真空脫水后，混凝土的剩余水膠比由表及里逐漸增加，尤其是表面層混凝土的水膠比可以下降很多，形成高致密無(wú)缺陷混凝土層（圖2）?？箟簭?qiáng)度反映的是混凝土的整體性能，抗沖磨強(qiáng)度主要反映了混凝土的表層性能。因此對(duì)于低水膠比的混凝土，盡管初始水膠比相對(duì)較低、脫水率也較低，但其抗沖磨強(qiáng)度仍然較初始高水膠比的混凝土顯著提高?？梢?jiàn)，混凝土初始水膠比越小，真空脫水工藝越有利于其抗沖磨性能的發(fā)揮。

圖2 使用真空脫水工藝后混凝土的表觀效果Fig.2 Apparent effect of concrete with vacuum dehydration process

2.2 真空脫水混凝土干縮變形性能

對(duì)不同強(qiáng)度的真空混凝土的干縮變形進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3中試件編號(hào)中的“Z”代表“真空脫水”。從圖3可以看出，無(wú)論是真空還是非真空混凝土，隨著水膠比的增加、強(qiáng)度的降低，混凝土的干縮變形減小。真空混凝土與非真空混凝土相比，干縮變形減小。當(dāng)水膠比為0.32、0.40和0.48時(shí)，真空混凝土的180 d干縮變形比非真空混凝土分別減小2.6%、7.4%和9.3%。由于混凝土的真空脫水率隨水膠比的增加而增加，隨著水膠比的增加和混凝土強(qiáng)度的降低，真空混凝土的干縮變形降幅較非真空混凝土的更為明顯。但由于低水膠比使得混凝土的自收縮突顯出來(lái)[15]，因此，總體上真空脫水工藝對(duì)低水膠比混凝土干縮變形的降低效果相對(duì)較差。

圖3 不同強(qiáng)度真空脫水混凝土的干縮變形性能Fig.3 Shrinkage deformation properties of vacuum dewatered concrete with different strengths

2.3 真空脫水混凝土耐久性能

針對(duì)水膠比為0.40的PC-2試件進(jìn)行了混凝土抗?jié)B性能和抗氯離子滲透性能試驗(yàn)?；炷量?jié)B試驗(yàn)的加壓面為試件底面（對(duì)于真空混凝土為非脫水面）。試驗(yàn)時(shí)，加壓至試驗(yàn)水壓，恒壓24 h后測(cè)量混凝土滲水高度。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，隨時(shí)注意觀察試件表面情況。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 真空與非真空脫水混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Permeability resistance results of vacuum and non-vacuum dewatered concretes

從表5可知，在0.6 MPa的水壓下， 真空混凝土比非真空混凝土的水滲透深度高1倍以上，當(dāng)水壓力增大至0.9 MPa時(shí)，真空混凝土比非真空混凝土的水滲透深度仍然要高。當(dāng)水壓力從0.9 MPa增加至1.2 MPa后，真空混凝土的水滲透深度比非真空混凝土的反而降低了17 %。但兩種混凝土試件的水滲透深度均小于20 mm，說(shuō)明混凝土抗?jié)B性能優(yōu)良。

混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)采用RCM法，真空脫水和非真空脫水的混凝土的抗氯離子滲透系數(shù)分別為5.70和9.21。可見(jiàn)，真空脫水混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯降低。由于真空脫水工藝增加了混凝土表面的密實(shí)性，混凝土抗氯離子滲透性能顯著提高。

2.4 真空脫水混凝土的孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)壓汞試驗(yàn)所得各組混凝土試樣的微分孔徑分布曲線見(jiàn)圖4。圖中D為孔直徑，V為孔體積，-dV/d(lgD)表示孔體積對(duì)孔直徑的對(duì)數(shù)的微分。試件編號(hào)中，“Z”代表真空脫水，“S”代表真空脫水試件表層，“M”代表真空脫水試件中間層，“B”代表真空脫水試件底層。 真空與非真空脫水混凝土的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表6。

圖4 真空與非真空條件下混凝土的微分孔徑分布曲線Fig.4 Differential pore size distribution curves of vacuum and non-vacuum dewatered concretes

表6 真空與非真空脫水混凝土的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.6 Pore structure parameters of vacuum and non-vacuum dewatered concretes

本壓汞試驗(yàn)獲得的只是10 nm 以上孔徑的分布，小于10 nm的微孔和凝膠孔未能在壓汞法測(cè)得的孔徑分布曲線上得到反映。因此，試驗(yàn)所得總孔隙率相對(duì)較低，且孔徑小于20 nm的無(wú)害孔級(jí)所占孔隙體積百分比偏小。根據(jù)孔徑分級(jí)方法[16-17]，試驗(yàn)所得各組混凝土試樣的孔級(jí)分布結(jié)果見(jiàn)圖5。

從表6和圖4、圖5中可以看出，隨著水膠比的減小，混凝土的孔隙率降低，孔徑大于200 nm的有害孔減少。真空脫水后，初始設(shè)計(jì)水膠比相對(duì)較高的混凝土，主要減少了大于200 nm的有害孔級(jí)，增加了20～50 nm這一少害孔級(jí)的體積含量；而初始較低水膠比的混凝土，主要減少了50～200 nm這一多害孔級(jí)，增加了20～50 nm這一少害孔級(jí)的體積含量。真空脫水明顯降低了混凝土總孔隙率，混凝土的最可幾孔徑減小，且表層混凝土最可幾孔徑減小最為明顯，中間層其次，底層較弱，臨界孔徑和平均孔徑均明顯減小。

圖5 真空與非真空條件下混凝土的孔級(jí)分布Fig.5 Pore size distribution of vacuum and nonvacuum dewatered concretes

2.5 真空脫水混凝土性能改善機(jī)理分析

采用真空脫水工藝后，混凝土總孔隙率明顯降低，混凝土的最可幾孔徑、臨界孔徑和平均孔徑均明顯減小，混凝土孔結(jié)構(gòu)獲得優(yōu)化和細(xì)化，從而混凝土抗壓強(qiáng)度，特別是抗沖磨強(qiáng)度性能得到明顯提高。

真空脫水，一方面減少了混凝土中的可蒸發(fā)水量，同時(shí)細(xì)化了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，臨界孔徑明顯減小，增加了干燥條件下水分遷移的難度，因此有效降低了混凝土的干燥收縮；另一方面，由于真空脫水主要增加了20～50 nm這一孔級(jí)的體積含量，毛細(xì)孔張力明顯增加，從而加劇了因失去毛細(xì)孔水而造成的干縮。對(duì)于低初始水膠比的混凝土而言，由于膠材用量多，真空脫水率低，其孔結(jié)構(gòu)又較高初始水膠比混凝土的相對(duì)細(xì)化，因此，真空脫水對(duì)減少低初始水膠比混凝土的干縮效果相對(duì)較差，不如高初始水膠比混凝土明顯。

真空脫水減小了混凝土中大毛細(xì)孔的體積含量，增加了微毛細(xì)孔的體積含量，混凝土的毛細(xì)孔張力和毛細(xì)孔阻力均增加。當(dāng)混凝土接觸水后，水的滲透力來(lái)自水壓差和毛細(xì)孔張力兩個(gè)方面。孔徑越細(xì)，毛細(xì)管張力越強(qiáng)，水吸入越深。同時(shí)，孔徑越細(xì)，毛細(xì)管阻力也越強(qiáng)，在水壓差的作用下，水越不易滲入。由于真空混凝土孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化，毛細(xì)孔張力和阻力同時(shí)增加，因此，真空混凝土表層滲透深度相對(duì)要高，隨著水壓力和滲透深度的增加，真空混凝土的滲透高度明顯下降。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）真空脫水混凝土的配合比應(yīng)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)取較低的初始水膠比、較少的單位用水量和比非真空混凝土增加約20%以上的適宜砂率。

（2）采用真空脫水工藝處理的混凝土，其28 d抗壓強(qiáng)度的提高值隨著水膠比的增大而增加，72 h抗沖磨強(qiáng)度的提高值隨著水膠比的增大而減小。真空脫水工藝對(duì)提高低水膠比混凝土抗沖磨性能的效果尤為顯著。

（3）真空脫水工藝處理的混凝土與非真空處理的相比，其干縮變形減小，但真空脫水工藝對(duì)減小低初始水膠比混凝土的干縮效果相對(duì)較差，不如高初始水膠比混凝土明顯。

（4）真空脫水工藝處理的混凝土在抗?jié)B試驗(yàn)起始階段的滲透深度相對(duì)非真空處理的高。隨著水壓力和滲透深度的增加，真空脫水工藝處理的混凝土的滲透高度明顯低于非真空處理的。由于真空脫水工藝增加了混凝土表面的密實(shí)性，故混凝土抗氯離子滲透性能顯著提高。

（5）真空脫水工藝主要增加了混凝土中20～50 nm這一孔級(jí)的體積含量，混凝土總孔隙率明顯降低，最可幾孔徑減小，臨界孔徑和平均孔徑均明顯減小，混凝土孔結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化和細(xì)化，從而改善了真空混凝土的性能。