夏季水工混凝土性能提升试验研究

郝玉同，刘 伟

(1.枣庄市水利开发有限公司，山东 枣庄 277102；2.枣庄市水利勘测设计院，山东 枣庄 277102)

在夏季高温蒸发环境对大体积水工混凝土主要分层、分块进行浇筑，硬化、干裂以及开裂现象由于混凝土失水过快极易产生[1]。这种现象使得混凝土浇筑层间形成新旧薄弱面，降低水工混凝土的使用寿命[2]。因此水工混凝土在高温环境的性能提升试验具有重要的工程意义[3]。当前新型养护材料中水分蒸发抑制剂可以降低混凝土塑性阶段在极端高温干燥条件下的开裂驱动力，具有较低喷洒量、效果优异等特点[4]。但在大体积混凝土使用过程中，还需要结合分层、分块浇筑间隔时间来对水分蒸发抑制剂的使用进行确定。近些年来，国内一些水利工程混凝土浇筑时采用水分蒸发抑制剂作为养护材料，实例应用表明[5- 10]，水分蒸发抑制剂可以较好地抑制水工混凝土分层、分块浇筑时的水分流失，有效提高混凝土的耐久性和力学特性。但国内开展的研究成果对于水分蒸发抑制剂的稀释比和喷洒方式研究还较少，而一些研究成果也表明[11- 15]，稀释比和喷洒方式对于水分蒸发抑制剂的实施效果影响十分明显，为提高水分蒸发抑制剂使用效率，提升大体积水工混凝土在夏季高温蒸发环境的性能，本文采用室内试验方式针对水分蒸发抑制剂不同稀释比和喷洒方式进行试验模拟，通过试验数据分析水分蒸发抑制剂最优效果的稀释比和喷洒方式。研究成果对于大体积水工混凝土浇筑质量提升具有重要的推广和借鉴价值。

1 试验方法

1.1 试验材料选取

水泥选用标号为P.M42.5，其中MgO和SO3的含量分别为4%和1.85%，烧失量均值为0.65%，总碱量为0.52%，表面积平均比为285m2/kg，密度均值为3.15g/cm3，水化热在3和7d可达到245和292kJ/kg，初凝和终凝时间分别为185和260min，抗压和抗折强度在28d养护期可分别达到47.2和8.9MPa。

选用I级F类粉煤灰作为外加剂材料，密度均值为2.42g/cm3，含水率均值为0.15%，细度值为5.2%，需水比和烧失量分别为92%和4.35%，SO3的含量为1.45%。

粒径为6～38mm的粗骨料为混凝土试验材料之一，密度均值为2769g/cm3，粗骨料的含泥量3%，粒径的占比为65%，竖固和压碎比分别为1%和5.6%，人工砂为细骨料，表层密度均值为2745kg/cm3，微粒占比为8.5%，细度模数为2.84，石粉含量为15.5%，吸水率和坚固性分别为1.3%和1.2%。

采用高效塑性混凝土水分蒸发抑制剂作为本次试验的水分蒸发抑制剂的材料。高性能减水剂为外加剂，具体含量见表1。其中生活用水为试验用水，可溶物和不溶物的含量分别为226和28mg/L，pH值为7.9。

表1 水分蒸发抑制剂的外加剂主要含量配比 单位：%

1.2 试验方案设定

大体积试验水工混凝土90d的设计强度εp≥9×10-5，其基础配比值见表2。

表2 试验大体积混凝土基础配比 单位：kg/m3

分别采用1∶4和1∶8 2种配比作为水分蒸发抑制剂的稀释比，其具体试验方案见表3。

表3 试验方案设置

各试验方案水分蒸发抑制剂的喷洒间隔时间为30min。混凝土在每组试验条件下分层浇筑层数均为2层，分组浇筑间隔按照模拟大体积水工混凝土浇筑过程分别设置为3、5和10h。

1.3 试验环境

采用钨灯直射和落地风扇模拟高温蒸发和高风速环境，混凝土表层上方10cm温度在高温环境下可达到(38±2)℃，混凝土表层上方风速在高风速环境下的可达到(5±0.5)m/s。

2 试验结果分析

2.1 不同试验方案下水分蒸发抑制率影响

针对大体积水工混凝土不同浇筑间隔时间对水分进行观测，通过试验观测不同试验组号的水分蒸发抑制率，试验结果见表4。

表4 水工混凝土不同浇筑时间的水分蒸发抑制率试验结果 单位：%

由表3—4可知，稀释比为1∶4的水分蒸发抑制剂间隔4h分别喷洒1、2、3次，水工混凝土层间的水分蒸发抑制率分别达到31.23%、49.85%以及50.25%，而间隔4h喷洒2次稀释比为1∶8和1∶9的水分蒸发抑制剂抑制率仅为21.35%和19.35%，因此水分蒸发抑制剂在稀释比为1∶4时要好于稀释比为1∶8和1∶9的水分蒸发抑制剂抑制效果，且喷洒次数对水分蒸发抑制率影响程度不大。喷洒间隔时间为2h且喷洒次数相同时大体积水工混凝土的层间水分蒸发抑制效果最佳。

2.2 不同试验方案混凝土凝结时间影响

鉴于水分蒸发抑制剂会对大体积水工混凝土凝结时间有所影响，对不同试验方案的水工混凝土凝结时间进行分析，结果见表5。

表5 水工混凝土不同水分蒸发抑制剂试验方案的凝结时间影响试验结果 单位：h

由表5可知，混凝土凝结时间受水分蒸发抑制剂不同稀释比和喷洒次数影响较小，各试验方案的混凝土凝结时间差异程度较低，这主要因为大体积水工混凝土塑性阶段水分蒸发量虽然受到水分蒸发抑制剂喷洒影响有所减少，而同时混凝土表层的水灰比会受到水分蒸发抑制剂影响在一定程度上有所增加，但由于大量的粉煤灰掺入到试验混凝土中，使得混凝土初凝时间受掺入的粉煤灰影响而有所延迟，因此大量的粉煤灰掺入到混凝土中使得水分蒸发抑制剂对水工混凝土的凝结时间基本不产生影响。

2.3 不同试验方案力学及强度性能影响

在不同试验方案水分蒸发抑制率和混凝土凝结时间试验分析的基础上，对水分蒸发抑制剂不同试验方案的混凝土抗压和抗拉强度进行分析，试验结果分别见表6—7。

表6 水工混凝土喷洒水分蒸发抑制剂各试验方案不同浇筑间隔时间抗压强度试验结果 单位：MPa

表7 水工混凝土喷洒水分蒸发抑制剂各试验方案不同浇筑间隔时间抗拉强度试验结果 单位：MPa

由表6—7可知，混凝土分层抗压和抗拉强度在相同稀释比的水分蒸发抑制剂喷洒试验条件下随着混凝土分层浇筑间隔的缩短而有所加大，这主要是因为大体积混凝土在分层浇筑时，新浇筑层和旧浇筑层因延长浇筑间隔时间其层间薄弱会因为水分蒸发过多而形成，对混凝土的强度特性而有所影响，水分蒸发抑制剂在稀释比为1∶4时相比于空白试验对照组其混凝土在相同分层浇筑时间的抗压和抗拉强度都有所增加，而混凝土试件在水分蒸发抑制剂稀释比为1∶8和1∶9时的抗压和抗拉强度相比于空白试验对照组均有所减小，这主要是因为水分蒸发抑制剂浓度喷洒较为适宜使得其对混凝土层间结构一定程度有所改善，从而提升抗压尤其是抗拉强度。但采用过多或过稀比例水分蒸发抑制剂进行喷洒，混凝土表面水灰比可能会有所变化，从而使得力学特性在新浇筑层和旧浇筑层之间有所影响。因此，喷洒次数、稀释比以及分层浇筑间隔时间对于水分蒸发抑制剂而言均不宜过大。

2.4 不同试验方案抗渗性能影响

针对不同水分蒸发抑制剂试验方案对比水工混凝土分层浇筑不同时间间隔的平均渗水高度，从而分析不同试验方案对大体积水工混凝土的抗渗性能影响，试验结果见表8。

表8 水工混凝土分层不同浇筑间隔平均渗水高度试验结果 单位：mm

从水工混凝土分层不同浇筑间隔平均渗水高度试验结果可看出，混凝土的平均渗水高度在喷洒水分蒸发抑制剂后均有不同程度降低，从而表明大体积水工混凝土分层浇筑后抗渗性能可以得到提升，其中喷洒次数为2次，喷洒稀释比为1∶4的水分蒸发抑制剂抗渗性能最好，分层浇筑间隔时间越长抗渗效果越高。这主要是因为在高温蒸发环境混凝土表面因为喷洒水分蒸发抑制剂后形成一层保护膜，使得混凝土中的水分在高温环境蒸发较难，水化反应在混凝土中较为充分，大大减少干缩裂缝数量使得混凝土更加密实，因而提升抗渗性能。整体而言，水分蒸发抑制剂在稀释比为1∶4时混凝土耐久性能要好于稀释比为1∶8时的耐久性能。

2.5 微观结果

采用显微镜观测方式对空白对照试验组和稀释比为1∶4、喷洒间隔时间为2h的混凝土试件进行微观观测，观测如图1所示。

图1 显微镜下的混凝土试件微观结构

由图1可知，间隔2h进行稀释比为1∶4的水分蒸发剂喷洒后的混凝土试件表面相比于对照试验组其起皮和结壳现象的得到有效抑制，高温环境混凝土内部产生的自干燥收缩裂缝有效减少。从对比的内部微观结构可看出，不规则针棒状和氢氧化钙片状晶体主要出现在对照试验组混凝土的内部，内部孔隙处主要由骨料周围晶体所包裹。混凝土内部由于喷洒水分蒸发抑制剂后出现较多的圆块状晶体，骨料周围主要填充体积较小的圆块状晶体，形成紧密的内部结构，这主要因为喷洒水分蒸发抑制剂后混凝土内部水分大量减少，水化热在混凝土中充分反应，同时孔隙裂隙数量因水分蒸发而减少，因此混凝土综合性能在喷洒水分蒸发抑制剂后有效提升。

3 结论

(1)稀释比例过大或者喷洒次数过多的水分蒸发抑制剂，反而会加大混凝土表面的水灰比，降低其性能，因此在大体积混凝土高温蒸发环境分层浇筑喷洒水分蒸发抑制剂，一定严格控制稀释比和喷洒次数，以免降低混凝土的性能，影响工程质量，建议控制稀释比为1∶4，每隔2h喷洒1～2次。

(2)通过混凝土内部微观结构可发现，水工混凝土内部在掺入水分蒸发抑制剂后其水化反应更加充分，混凝土内部体积较小的圆状或者块状晶体更加紧密，从而增强高温蒸发环境的混凝土性能。

(3)夏季高温环境可通过使用水分蒸发抑制剂延长水工混凝土浇筑时间，节省工期，技术经济和安全方面优势较为明显。