水工混凝土性能受高溫蒸發(fā)條件的影響實驗研究

張 影

(錦州凌豐建設工程有限公司，遼寧 錦州 121100)

一般地，大體積水工混凝土需要分塊分層澆筑，特別是低濕、大風、高溫蒸發(fā)環(huán)境下因失水過快極易產(chǎn)生開裂、干裂和硬化等問題，新舊混凝土界面形成薄弱層，對混凝土耐久性和力學性能造成不利影響[1]。因此，研究水工混凝土受高溫蒸發(fā)條件的影響作用，切實提升混凝土性能具有重要現(xiàn)實意義[2-4]。

水分蒸發(fā)抑制劑是一種能夠降低高溫干燥環(huán)境下混凝土塑性階段開裂驅(qū)動力的新型養(yǎng)護材料，具有效果優(yōu)異、噴灑量低等優(yōu)點。然而，考慮到大體積水工混凝土特點，必須結(jié)合分塊分層澆筑間隔時間合理確定水分蒸發(fā)抑制劑摻量，如呂喜風等將C4OH與C18OH相結(jié)合，提出一種適用于干旱平原區(qū)的水分蒸發(fā)抑制技術，結(jié)果顯示該抑制劑的性能穩(wěn)定，且具有較好的抗雜質(zhì)和溫度影響能力；鹿永久等采用現(xiàn)場試驗探討了電站混凝土強度與水分蒸發(fā)抑制劑之間的關系，結(jié)果顯示具有一定的強度提升作用[5-6]。目前，關于水工混凝土摻水分蒸發(fā)抑制劑的研究較少，許多問題仍需進一步探討。鑒于此，本文借鑒相關研究成果，試驗研究了水分蒸發(fā)抑制劑對高蒸發(fā)條件下水工混凝土耐久性、力學特性的影響，通過微觀試驗揭示了抑制劑作用機理，旨在為水工結(jié)構(gòu)養(yǎng)護過程中水分蒸發(fā)抑制劑的推廣應用提供一定參考。

1 試驗方法

1.1 原材料

本試驗所用原材料如下：

1)水泥為渾河P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥，總堿量0.48%，燒失量1.76%，SO3含量1.80，MgO含量4.2%，密度3.20g/cm3，比表面積300m2/kg，初、終凝時間195min和250min，3d水化熱240kJ/kg，7d水化熱295kJ/kg，28d抗折、抗壓強度8.0MPa和47.2MPa。

2)粉煤灰選用綏中電廠生產(chǎn)的F類Ⅰ級粉煤灰，細度5.1%，需水量比102%，含水率0.1%，燒失量4.2%，平均密度2.45g/cm3，SO3含量1.24%。

3)粗骨料選用5.0～31.5mm花崗巖碎石，中徑顆粒含量60%，壓碎指標5.2%，含泥量0.2%，堅固性1%，表觀密度2770kg/m3；細骨料選用機械破碎而成的人工砂，細度模數(shù)2.8，微粒含量8.7%，石粉含量13.4%，堅固性1.0%，吸水率1.5%，堅固性1%，表觀密度2750kg/m3。

4)外加劑用蘇博特PCA?-Ⅰ系列聚羧酸高性能減水劑和GYQ?-Ⅲ混凝土高效引氣劑，減水劑中氯離子含量0.01%，硫酸鈉含量0.05%，堿含量0.85%；引氣劑pH值13.56，固形物含量49.0%，硫酸鈉含量0.01%。

5)采用市場購買的方式確定塑性混凝土高效水分抑制劑，拌和用水為當?shù)厣钣盟?，pH值8.0，可溶物含量220mg/L，不溶物含量24mg/L。

1.2 試驗條件

為模擬高溫蒸發(fā)試驗條件，采用落地風扇和鎢燈直射的方式創(chuàng)造室內(nèi)高風速、高溫環(huán)境。水工混凝土試樣在高溫環(huán)境下的外表面溫度達到(35±2)℃，在高風速環(huán)境下的外表面風速達到(5±0.5)m/s。

1.3 試驗方案

本試驗設計四級配大壩混凝土，型號為C18030W12F200，基準配合比設計如表1所示。采用1∶8(噴灑3次)和1∶4(噴灑1、2、3次)兩種稀釋比，不同稀釋比和噴灑次數(shù)分組情況如下：不摻水分抑制劑的空白試驗對照組J0、噴灑1次稀釋比1∶4抑制劑的試驗組K1、噴灑2次稀釋比1∶4抑制劑的試驗組K2、噴灑3次稀釋比1∶4抑制劑的試驗組K3、噴灑2次稀釋比1∶8抑制劑的試驗組K4，噴灑時間間隔30min。每組混凝土試樣均分3層進行澆筑，設置分層澆筑時間間隔3h、6h和9h，以更好地模擬大體積混凝土澆筑。

表1 基準混凝土配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 凝結(jié)時間

試驗測定各組混凝土凝結(jié)時間如圖1所示，結(jié)果表明不同噴灑次數(shù)和稀釋比條件下凝結(jié)時間相差不大，混凝土凝結(jié)時間受水分蒸發(fā)抑制劑的影響不大。究其原因，雖然混凝土中噴水分蒸發(fā)抑制劑會減少塑性階段的蒸發(fā)量，但也會提高表層混凝土水灰比，但是由于大量粉煤灰的摻入會在一定程度上推遲初凝時間，所以大摻量粉煤灰混凝土凝結(jié)時間幾乎不受水分蒸發(fā)抑制劑的影響[7-8]。

圖1 混凝土凝結(jié)時間

2.2 水分蒸發(fā)抑制率

試驗測定各組水分蒸發(fā)抑制效果如圖2所示，結(jié)果顯示噴灑時間間隔4h時，噴灑1次、2次、3次稀釋比為1：4抑制劑的水分蒸發(fā)抑制率依次為30%、52%、55%，噴灑2次稀釋比1∶8抑制劑的水分蒸發(fā)抑制率只有21%；噴灑時間間隔2h時，噴灑1次、2次、3次稀釋比為1∶4抑制劑的水分蒸發(fā)抑制率依次為45%、71%、72%，噴灑2次稀釋比1∶8抑制劑的水分蒸發(fā)抑制率只有34%。因此，稀釋比1∶4抑制劑明顯優(yōu)于稀釋比1∶8抑制劑的水分蒸發(fā)抑制效果，并且噴灑2次、3次的抑制效果相差不大；噴灑次數(shù)相同情況下，噴灑時間間隔2h明顯優(yōu)于4h的抑制效果，噴灑時間間隔越短則水分蒸發(fā)抑制效果越優(yōu)，這也會在一定程度上增大工程成本。

圖2 水分蒸發(fā)抑制率

2.3 力學性能

試驗測定28d齡期各組混凝土試樣抗拉、抗壓強度如圖3所示，結(jié)果顯示噴灑情況相同時，混凝土抗拉、抗壓強度均隨著分層間隔時間的縮短而增大，這是由于施工過程中若延長分層澆筑時間間隔，因為水分蒸發(fā)過渡就會導致新、舊澆筑層之間形成薄弱面，對混凝土力學性能造成不利影響；分層澆筑時間相同時，噴灑稀釋比1∶4抑制劑的混凝土抗拉、抗壓強度，較試驗對照組均有所增加，而噴灑稀釋比1∶8抑制劑的混凝土抗壓強度，較試驗對照組有所下降，分層澆筑10h的抗拉強度也會下降，這是由于噴灑濃度適宜的抑制劑有利于增強層間結(jié)合力，對改善混凝土力學性能具有顯著作用[9]。然而，若稀釋比例過稀或噴灑次數(shù)過多，則有可能會改變混凝土表面水灰比以及新、舊層間結(jié)合面的力學特性[10]。因此，分層澆筑時間間隔、水分蒸發(fā)抑制劑稀釋比例以及噴灑次數(shù)均不宜過大。

圖3 水工混凝土力學性能

2.4 耐久性能

試驗測定28d齡期各組混凝土試樣抗凍、抗?jié)B性能如圖4所示，結(jié)果表明水工混凝土噴灑水分蒸發(fā)抑制劑后的滲水高度，相較于試驗對照組有不同程度的減小，但大幅度提升了其抗凍等級，說明水分蒸發(fā)抑制劑的噴灑能夠有效改善混凝土抗?jié)B、抗凍性能，其中噴灑2次1∶4抑制劑的抗?jié)B性最優(yōu)，噴灑1次、2次、3次1∶4抑制劑的抗凍性最優(yōu)，特別是分層澆筑時間間隔越長則提升混凝土抗凍性能越明顯。究其原因，水工混凝土表面噴灑水分蒸發(fā)抑制劑后會形成一層保護膜，在高溫條件下混凝土中的水分不易蒸發(fā)，從而更好地促進水化反應，大大降低了混凝土干縮裂縫數(shù)量，明顯改善了結(jié)構(gòu)密實度和抗凍抗?jié)B性能[11]?？傮w而言，噴灑稀釋比1∶4抑制劑優(yōu)于1∶8抑制劑的混凝土耐久性改善效果。

圖3 水工混凝土力學性能

2.5 微觀結(jié)構(gòu)

結(jié)合各組混凝土力學性能測試結(jié)果，間隔2h噴灑2次稀釋比1∶4水分蒸發(fā)抑制劑的混凝土綜合性能最優(yōu)，可以有效減少高溫條件下水工混凝土自干燥收縮裂縫，抑制表面起皮和結(jié)殼現(xiàn)象。為了更加直觀地掌握混凝土噴灑水分抑制劑前后的微觀形貌，利用Quanta FEG450型掃描電鏡觀測試樣表面微觀特征。結(jié)果顯示，試驗對照組混凝土內(nèi)部以氫氧化鈣、鈣礬石等片狀和不規(guī)則真棒狀晶體為主，骨料表面被這些晶體所包裹，內(nèi)部形成許多孔隙；水分抑制劑噴灑后，混凝土內(nèi)部多塊狀或圓狀晶體，這些體積較小的晶體填充在骨料周圍形成比較致密的結(jié)構(gòu)[12-14]。深入分析可知，水分蒸發(fā)抑制劑噴灑后大大降低了混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)量，更好地促進水泥水化反應，該過程有效降低了水分蒸發(fā)所形成的孔隙裂隙。所以，水分蒸發(fā)抑制劑的噴灑有效提升了水工混凝土整體性能。

3 結(jié) 論

為有效控制水工混凝土在高蒸發(fā)條件下的自干燥收縮作用，切實改善其整體性能，試驗探討了不同噴灑方式和稀釋比情況下水分蒸發(fā)抑制劑的影響，主要結(jié)論如下：

1)噴灑方式和稀釋比例直接影響著水分蒸發(fā)抑制劑的抑制效率，其中間隔2h噴灑2次、稀釋比1：4抑制劑的效果最優(yōu)。摻入適量的水分蒸發(fā)抑制劑會在一定程度上改善水工混凝土的耐久性能和力學性能，但不會改變其凝結(jié)時間。若噴灑次數(shù)過多或稀釋比例過大，則會改變表面水灰比，致使混凝土性能有所下降。

2)經(jīng)掃描電鏡觀測，水分蒸發(fā)抑制劑的摻入會促進混凝土的水化，大大減少孔隙裂隙數(shù)量，促使晶體結(jié)構(gòu)更加致密圓潤。采用水分蒸發(fā)抑制劑可以延長水工混凝土夏季高溫澆筑時間，節(jié)約工程投資，具有顯著的安全性和技術經(jīng)濟性效益，對于大體積水工混凝土特別是高溫條件下澆筑施工具有較好的適用性與可行性。