夏季水工混凝土性能提升試驗(yàn)研究

郝玉同，劉 偉

(1.棗莊市水利開發(fā)有限公司，山東 棗莊 277102；2.棗莊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 棗莊 277102)

在夏季高溫蒸發(fā)環(huán)境對(duì)大體積水工混凝土主要分層、分塊進(jìn)行澆筑，硬化、干裂以及開裂現(xiàn)象由于混凝土失水過(guò)快極易產(chǎn)生[1]。這種現(xiàn)象使得混凝土澆筑層間形成新舊薄弱面，降低水工混凝土的使用壽命[2]。因此水工混凝土在高溫環(huán)境的性能提升試驗(yàn)具有重要的工程意義[3]。當(dāng)前新型養(yǎng)護(hù)材料中水分蒸發(fā)抑制劑可以降低混凝土塑性階段在極端高溫干燥條件下的開裂驅(qū)動(dòng)力，具有較低噴灑量、效果優(yōu)異等特點(diǎn)[4]。但在大體積混凝土使用過(guò)程中，還需要結(jié)合分層、分塊澆筑間隔時(shí)間來(lái)對(duì)水分蒸發(fā)抑制劑的使用進(jìn)行確定。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些水利工程混凝土澆筑時(shí)采用水分蒸發(fā)抑制劑作為養(yǎng)護(hù)材料，實(shí)例應(yīng)用表明[5- 10]，水分蒸發(fā)抑制劑可以較好地抑制水工混凝土分層、分塊澆筑時(shí)的水分流失，有效提高混凝土的耐久性和力學(xué)特性。但國(guó)內(nèi)開展的研究成果對(duì)于水分蒸發(fā)抑制劑的稀釋比和噴灑方式研究還較少，而一些研究成果也表明[11- 15]，稀釋比和噴灑方式對(duì)于水分蒸發(fā)抑制劑的實(shí)施效果影響十分明顯，為提高水分蒸發(fā)抑制劑使用效率，提升大體積水工混凝土在夏季高溫蒸發(fā)環(huán)境的性能，本文采用室內(nèi)試驗(yàn)方式針對(duì)水分蒸發(fā)抑制劑不同稀釋比和噴灑方式進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析水分蒸發(fā)抑制劑最優(yōu)效果的稀釋比和噴灑方式。研究成果對(duì)于大體積水工混凝土澆筑質(zhì)量提升具有重要的推廣和借鑒價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料選取

水泥選用標(biāo)號(hào)為P.M42.5，其中MgO和SO3的含量分別為4%和1.85%，燒失量均值為0.65%，總堿量為0.52%，表面積平均比為285m2/kg，密度均值為3.15g/cm3，水化熱在3和7d可達(dá)到245和292kJ/kg，初凝和終凝時(shí)間分別為185和260min，抗壓和抗折強(qiáng)度在28d養(yǎng)護(hù)期可分別達(dá)到47.2和8.9MPa。

選用I級(jí)F類粉煤灰作為外加劑材料，密度均值為2.42g/cm3，含水率均值為0.15%，細(xì)度值為5.2%，需水比和燒失量分別為92%和4.35%，SO3的含量為1.45%。

粒徑為6～38mm的粗骨料為混凝土試驗(yàn)材料之一，密度均值為2769g/cm3，粗骨料的含泥量3%，粒徑的占比為65%，豎固和壓碎比分別為1%和5.6%，人工砂為細(xì)骨料，表層密度均值為2745kg/cm3，微粒占比為8.5%，細(xì)度模數(shù)為2.84，石粉含量為15.5%，吸水率和堅(jiān)固性分別為1.3%和1.2%。

采用高效塑性混凝土水分蒸發(fā)抑制劑作為本次試驗(yàn)的水分蒸發(fā)抑制劑的材料。高性能減水劑為外加劑，具體含量見(jiàn)表1。其中生活用水為試驗(yàn)用水，可溶物和不溶物的含量分別為226和28mg/L，pH值為7.9。

表1 水分蒸發(fā)抑制劑的外加劑主要含量配比 單位：%

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)定

大體積試驗(yàn)水工混凝土90d的設(shè)計(jì)強(qiáng)度εp≥9×10-5，其基礎(chǔ)配比值見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)大體積混凝土基礎(chǔ)配比 單位：kg/m3

分別采用1∶4和1∶8 2種配比作為水分蒸發(fā)抑制劑的稀釋比，其具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案設(shè)置

各試驗(yàn)方案水分蒸發(fā)抑制劑的噴灑間隔時(shí)間為30min?；炷猎诿拷M試驗(yàn)條件下分層澆筑層數(shù)均為2層，分組澆筑間隔按照模擬大體積水工混凝土澆筑過(guò)程分別設(shè)置為3、5和10h。

1.3 試驗(yàn)環(huán)境

采用鎢燈直射和落地風(fēng)扇模擬高溫蒸發(fā)和高風(fēng)速環(huán)境，混凝土表層上方10cm溫度在高溫環(huán)境下可達(dá)到(38±2)℃，混凝土表層上方風(fēng)速在高風(fēng)速環(huán)境下的可達(dá)到(5±0.5)m/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同試驗(yàn)方案下水分蒸發(fā)抑制率影響

針對(duì)大體積水工混凝土不同澆筑間隔時(shí)間對(duì)水分進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)不同試驗(yàn)組號(hào)的水分蒸發(fā)抑制率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水工混凝土不同澆筑時(shí)間的水分蒸發(fā)抑制率試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

由表3—4可知，稀釋比為1∶4的水分蒸發(fā)抑制劑間隔4h分別噴灑1、2、3次，水工混凝土層間的水分蒸發(fā)抑制率分別達(dá)到31.23%、49.85%以及50.25%，而間隔4h噴灑2次稀釋比為1∶8和1∶9的水分蒸發(fā)抑制劑抑制率僅為21.35%和19.35%，因此水分蒸發(fā)抑制劑在稀釋比為1∶4時(shí)要好于稀釋比為1∶8和1∶9的水分蒸發(fā)抑制劑抑制效果，且噴灑次數(shù)對(duì)水分蒸發(fā)抑制率影響程度不大。噴灑間隔時(shí)間為2h且噴灑次數(shù)相同時(shí)大體積水工混凝土的層間水分蒸發(fā)抑制效果最佳。

2.2 不同試驗(yàn)方案混凝土凝結(jié)時(shí)間影響

鑒于水分蒸發(fā)抑制劑會(huì)對(duì)大體積水工混凝土凝結(jié)時(shí)間有所影響，對(duì)不同試驗(yàn)方案的水工混凝土凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 水工混凝土不同水分蒸發(fā)抑制劑試驗(yàn)方案的凝結(jié)時(shí)間影響試驗(yàn)結(jié)果 單位：h

由表5可知，混凝土凝結(jié)時(shí)間受水分蒸發(fā)抑制劑不同稀釋比和噴灑次數(shù)影響較小，各試驗(yàn)方案的混凝土凝結(jié)時(shí)間差異程度較低，這主要因?yàn)榇篌w積水工混凝土塑性階段水分蒸發(fā)量雖然受到水分蒸發(fā)抑制劑噴灑影響有所減少，而同時(shí)混凝土表層的水灰比會(huì)受到水分蒸發(fā)抑制劑影響在一定程度上有所增加，但由于大量的粉煤灰摻入到試驗(yàn)混凝土中，使得混凝土初凝時(shí)間受摻入的粉煤灰影響而有所延遲，因此大量的粉煤灰摻入到混凝土中使得水分蒸發(fā)抑制劑對(duì)水工混凝土的凝結(jié)時(shí)間基本不產(chǎn)生影響。

2.3 不同試驗(yàn)方案力學(xué)及強(qiáng)度性能影響

在不同試驗(yàn)方案水分蒸發(fā)抑制率和混凝土凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)水分蒸發(fā)抑制劑不同試驗(yàn)方案的混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表6—7。

表6 水工混凝土噴灑水分蒸發(fā)抑制劑各試驗(yàn)方案不同澆筑間隔時(shí)間抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

表7 水工混凝土噴灑水分蒸發(fā)抑制劑各試驗(yàn)方案不同澆筑間隔時(shí)間抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

由表6—7可知，混凝土分層抗壓和抗拉強(qiáng)度在相同稀釋比的水分蒸發(fā)抑制劑噴灑試驗(yàn)條件下隨著混凝土分層澆筑間隔的縮短而有所加大，這主要是因?yàn)榇篌w積混凝土在分層澆筑時(shí)，新澆筑層和舊澆筑層因延長(zhǎng)澆筑間隔時(shí)間其層間薄弱會(huì)因?yàn)樗终舭l(fā)過(guò)多而形成，對(duì)混凝土的強(qiáng)度特性而有所影響，水分蒸發(fā)抑制劑在稀釋比為1∶4時(shí)相比于空白試驗(yàn)對(duì)照組其混凝土在相同分層澆筑時(shí)間的抗壓和抗拉強(qiáng)度都有所增加，而混凝土試件在水分蒸發(fā)抑制劑稀釋比為1∶8和1∶9時(shí)的抗壓和抗拉強(qiáng)度相比于空白試驗(yàn)對(duì)照組均有所減小，這主要是因?yàn)樗终舭l(fā)抑制劑濃度噴灑較為適宜使得其對(duì)混凝土層間結(jié)構(gòu)一定程度有所改善，從而提升抗壓尤其是抗拉強(qiáng)度。但采用過(guò)多或過(guò)稀比例水分蒸發(fā)抑制劑進(jìn)行噴灑，混凝土表面水灰比可能會(huì)有所變化，從而使得力學(xué)特性在新澆筑層和舊澆筑層之間有所影響。因此，噴灑次數(shù)、稀釋比以及分層澆筑間隔時(shí)間對(duì)于水分蒸發(fā)抑制劑而言均不宜過(guò)大。

2.4 不同試驗(yàn)方案抗?jié)B性能影響

針對(duì)不同水分蒸發(fā)抑制劑試驗(yàn)方案對(duì)比水工混凝土分層澆筑不同時(shí)間間隔的平均滲水高度，從而分析不同試驗(yàn)方案對(duì)大體積水工混凝土的抗?jié)B性能影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 水工混凝土分層不同澆筑間隔平均滲水高度試驗(yàn)結(jié)果 單位：mm

從水工混凝土分層不同澆筑間隔平均滲水高度試驗(yàn)結(jié)果可看出，混凝土的平均滲水高度在噴灑水分蒸發(fā)抑制劑后均有不同程度降低，從而表明大體積水工混凝土分層澆筑后抗?jié)B性能可以得到提升，其中噴灑次數(shù)為2次，噴灑稀釋比為1∶4的水分蒸發(fā)抑制劑抗?jié)B性能最好，分層澆筑間隔時(shí)間越長(zhǎng)抗?jié)B效果越高。這主要是因?yàn)樵诟邷卣舭l(fā)環(huán)境混凝土表面因?yàn)閲姙⑺终舭l(fā)抑制劑后形成一層保護(hù)膜，使得混凝土中的水分在高溫環(huán)境蒸發(fā)較難，水化反應(yīng)在混凝土中較為充分，大大減少干縮裂縫數(shù)量使得混凝土更加密實(shí)，因而提升抗?jié)B性能。整體而言，水分蒸發(fā)抑制劑在稀釋比為1∶4時(shí)混凝土耐久性能要好于稀釋比為1∶8時(shí)的耐久性能。

2.5 微觀結(jié)果

采用顯微鏡觀測(cè)方式對(duì)空白對(duì)照試驗(yàn)組和稀釋比為1∶4、噴灑間隔時(shí)間為2h的混凝土試件進(jìn)行微觀觀測(cè)，觀測(cè)如圖1所示。

圖1 顯微鏡下的混凝土試件微觀結(jié)構(gòu)

由圖1可知，間隔2h進(jìn)行稀釋比為1∶4的水分蒸發(fā)劑噴灑后的混凝土試件表面相比于對(duì)照試驗(yàn)組其起皮和結(jié)殼現(xiàn)象的得到有效抑制，高溫環(huán)境混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的自干燥收縮裂縫有效減少。從對(duì)比的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)可看出，不規(guī)則針棒狀和氫氧化鈣片狀晶體主要出現(xiàn)在對(duì)照試驗(yàn)組混凝土的內(nèi)部，內(nèi)部孔隙處主要由骨料周圍晶體所包裹?；炷羶?nèi)部由于噴灑水分蒸發(fā)抑制劑后出現(xiàn)較多的圓塊狀晶體，骨料周圍主要填充體積較小的圓塊狀晶體，形成緊密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這主要因?yàn)閲姙⑺终舭l(fā)抑制劑后混凝土內(nèi)部水分大量減少，水化熱在混凝土中充分反應(yīng)，同時(shí)孔隙裂隙數(shù)量因水分蒸發(fā)而減少，因此混凝土綜合性能在噴灑水分蒸發(fā)抑制劑后有效提升。

3 結(jié)論

(1)稀釋比例過(guò)大或者噴灑次數(shù)過(guò)多的水分蒸發(fā)抑制劑，反而會(huì)加大混凝土表面的水灰比，降低其性能，因此在大體積混凝土高溫蒸發(fā)環(huán)境分層澆筑噴灑水分蒸發(fā)抑制劑，一定嚴(yán)格控制稀釋比和噴灑次數(shù)，以免降低混凝土的性能，影響工程質(zhì)量，建議控制稀釋比為1∶4，每隔2h噴灑1～2次。

(2)通過(guò)混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)，水工混凝土內(nèi)部在摻入水分蒸發(fā)抑制劑后其水化反應(yīng)更加充分，混凝土內(nèi)部體積較小的圓狀或者塊狀晶體更加緊密，從而增強(qiáng)高溫蒸發(fā)環(huán)境的混凝土性能。

(3)夏季高溫環(huán)境可通過(guò)使用水分蒸發(fā)抑制劑延長(zhǎng)水工混凝土澆筑時(shí)間，節(jié)省工期，技術(shù)經(jīng)濟(jì)和安全方面優(yōu)勢(shì)較為明顯。