基于统计分析的疏水化合孔栓物混凝土吸水率指标的研究

周敏， 杨海成， 范志宏

(1.广东省南粤交通东雷高速公路管理中心, 广东 湛江 524000；2.中交四航工程研究院有限公司 水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室)

1 引言

疏水化合孔栓物是一种新型的内掺型混凝土防水抗腐添加剂，无论混凝土是否受到水头压力，理论上都能够有效地抑制水在混凝土内部的吸收和渗透，提高混凝土结构的耐久性，目前已在虎门二桥、范和港跨海大桥、东华大桥等国内外工程中得到推广应用。混凝土吸水率是体现“疏水化合孔栓物”对混凝土性能改善效果的关键指标。目前中国混凝土方面的技术标准尚无具体的吸水率控制指标，通常参照国内外工程经验，参考BS 1881:Part122混凝土吸水率测试方法，以室内条件下混凝土7 d的吸水率不大于1%作为控制指标。另外，国内外有关吸水率的测试方法包括英国标准BS 1881:Part122、JC 474-2008《砂浆、混凝土防水剂》、JTS 153-2015《水运工程结构耐久性设计标准》等，上述标准中关于吸水率的测试流程有所不同，包括样品制备、样品制备部位、烘干浸泡时间等方面均有较大区别，JC 474-2008《砂浆、混凝土防水剂》、JTS 153-2015《水运工程结构耐久性设计标准》更侧重表征表层混凝土的吸水率，英国标准BS 1881:Part122可较好地表征混凝土整体的吸水率性能，国内外工程应用时也通常参照该标准。

尽管工程中以室内条件下混凝土吸水率作为控制指标，但对于现浇实体构件，考虑施工过程中混凝土拌和、运输、浇筑、振捣、养护等方面环节存在的波动，可能会对实体构件混凝土性能产生一定的影响，为确定掺“疏水化合孔栓物”的现浇实体构件混凝土吸水率的合理取值，该文依托湛江东海岛至雷州高速公路通明海特大桥项目，基于大量室内试验和现场试验，统计分析不同种类“疏水化合孔栓物”混凝土吸水率的均值与标准差，以期为实体构件混凝土设计指标、验收指标的确定提供技术参考。

2 试验方案及测试方法

2.1 试验方案

(1) 室内试验

利用现场两个标段的原材料，选取通明海特大桥承台墩身C40混凝土作为研究对象，根据现场材料的特点，选取水胶比为0.35、总胶凝材料用量为430 kg/m3、双掺粉煤灰与磨细矿渣粉，通过调整水泥用量为210～240 kg/m3，每个标段设计5组C40海工高性能混凝土配合比。同时选取目前国内外主要疏水化合孔栓物外加剂厂家的材料，分别以S1、S2“疏水化合孔栓物”表示。在此基础上，利用现场原材料，委托第三方检测机构同步开展上述验证试验。

(2) 现场模型试验

通过对上述配合比优选，每个标段确定1组施工配合比，用于开展现场模型试验。模型试验采用现场拌和站拌和、浇筑、振捣工艺，分别浇筑3根直径1.2 m、高度约3.5 m的试验墩柱，分别为空白混凝土试验墩柱(无“疏水化合孔栓物”外加剂)、掺S1、S2疏水化合孔栓物的混凝土试验墩柱，并按照现场实际养护工艺对构件进行养护。墩柱养护3、10及24 d后现场钻取直径为7.5 cm、高度不小于12 cm的芯样，并切割去除混凝土表层，进而加工制备直径为7.5 cm、高为7.5 cm的测试芯样，参照BS 1881：Part122:1983方法测试混凝土7、14及28 d龄期的吸水率。

在浇筑构件的同时，每个配合比现场成型3组15 cm×15 cm×15 cm立方体试件，室内标准养护不同龄期后，参照BS 1881：Part122:1983方法测试7、14及28 d养护龄期时混凝土的吸水率。基于试验测试数据，统计分析实体构件混凝土吸水率的平均值及标准差。

2.2 测试方法

参照BS 1881：Part122:1983方法测试混凝土吸水率，主要测试流程：成型15 cm×15 cm×15 cm混凝土立方体试件，标准养护测试龄期前4 d时，钻芯切割成φ7.5 cm×7.5 cm的芯样；芯样在温度(105±5) ℃的烘箱中干燥(72±2) h，冷却(24±0.5) h后开始吸水试验；试验前称取样品初始重量，称重后将样品放入水中，顶面距离水面(25±5) mm，浸泡时间为30、60及120 min后，取出测试，计算混凝土吸水率。

3 试验结果分析

3.1 室内试验统计分析

基于室内试验数据，采用统计方法对S1及S2疏水孔栓物混凝土吸水率进行分析，图1为采用S1、S2的混凝土统计图。由图1可知：① 通过对60个样本统计分析，得到采用S1的混凝土7 d吸水率平均值为0.9%，标准差为0.11%，且有49个样本处于0.8%～1.0%区间；② 通过对42个采用S2的混凝土7 d吸水率数据样本统计分析，得到采用S2的混凝土7 d吸水率平均值为0.6%，标准差为0.11%，且有36个样本处于0.4%～0.7%。

图1 混凝土7 d吸水率室内试验统计图

3.2 现场试验统计分析

3.2.1 现场7 d试验结果分析

对现场混凝土拌和站生产的混凝土不同龄期吸水率进行了统计分析，结果见图2。由图2可知：① 空白混凝土7 d的吸水率平均值为2.48%，标准差为0.37%；② 采用S1的混凝土7 d的吸水率平均值为1.4%，标准差为0.12%，且符合标准正态分布；③ 采用S2的混凝土7 d的吸水率平均值为0.9%，标准差为0.07%；④ 在混凝土配合比、养护条件完全一致的前提下，相比室内试验搅拌机(每次拌和40 L混凝土)拌和混凝土，采用现场拌和站生产的混凝土7 d吸水率显著大于室内试验采用搅拌机拌和的混凝土；比如采用室内搅拌机拌和的S1、S2混凝土7 d吸水率的平均值分别为0.9%、0.6%，但采用现场拌和站生产的S1及S2混凝土吸水率提高为1.4%、0.9%，吸水率分别提高的原因，可能是由于在室内搅拌机拌和条件下，混凝土原材料的计量精度、拌和均匀性、振捣密实性等方面均优于现场拌和；⑤ 相比空白混凝土，采用S1、S2疏水化合孔栓物可显著降低海工混凝土7 d的吸水率，其中S1疏水化合孔栓物混凝土对7 d吸水率的降低效果更为显著。

图2 现场混凝土7 d吸水率统计图

3.2.2 现场14 d试验结果分析

图3为混凝土14 d现场试验数据。由图3可知：① 当养护14 d时，空白混凝土的吸水率平均值为1.8%，标准差为0.37%;② 采用S1的混凝土吸水率平均值为0.88%，标准差为0.06%；③ 采用S2的混凝土吸水率平均值为0.74%，标准差为0.06%；④ 采用S1、S2疏水化合孔栓物可显著降低海工混凝土14 d的吸水率。

3.2.3 现场28 d试验结果分析

图4为混凝土28 d现场试验数据。由图4可知：① 在养护28 d时，空白混凝土的吸水率平均值为1.5%，标准差为0.28%；② 采用S1的混凝土吸水率平均值为0.65%，标准差为0.11%；③ 采用S2的混凝土吸水率平均值为0.69%，标准差为0.14%；④ 采用S1、S2疏水化合孔栓物可显著降低海工混凝土28 d的吸水率。

3.3 现场构件混凝土与标准养护混凝土吸水率对比分析

图5为利用现场实体构件取芯与标准养护试件测试的吸水率对比。

图3 现场混凝土14 d吸水率统计图

由图5可知：采用实体构件测试的混凝土吸水率总体要小于混凝土留样试件的吸水率，其构件吸水率/试件吸水率比值的平均值为0.89。

3.4 混凝土吸水率随养护龄期的变化规律

图6为现场实体构件混凝土吸水率随养护龄期的变化规律。

由图6可知：混凝土吸水率随养护龄期的延长而不断降低，混凝土吸水率与养护龄期之间符合指数关系：y吸水率=AeBx，其中A、B的取值与混凝土性能有关。

4 结论

(1) 疏水化合孔栓物可有效降低海工高性能混凝土不同龄期的吸水率，利用疏水化合孔栓物可制备整体防水抗腐蚀混凝土，可有效避免传统表面涂装材料易于破损、老化等耐久性问题，为解决严酷环境下混凝土结构耐久性提供了新的技术途径。

图4 现场混凝土28 d吸水率统计图

图5 实体构件吸水率与试件吸水率比的统计图

(2) 在室内搅拌机拌和、标准养护条件下，对60个S1混凝土样本进行统计，采用S1的混凝土7 d吸水率平均值为0.9%，标准差为0.11%，且有49个样本处于0.8%～1.0%区间；对42个S2混凝土样本进行统计，采用S2的混凝土7 d吸水率平均值为0.6%，标准差为0.11%，且有36个样本处于0.4%～0.7%。

图6 实体构件混凝土吸水率随养护龄期的变化

(3) 在混凝土配合比、养护条件完全一致的前提下，相比室内搅拌机拌和混凝土，采用现场拌和站生产的混凝土7 d吸水率显著大于室内搅拌机拌和的混凝土，提高了50%以上。在混凝土配合比设计时，混凝土吸水率设计指标应预留足够的富余量。

(4) 华南沿海夏季环境下，利用现场拌和站生产的混凝土，现浇实体构件的混凝土吸水率小于标准养护试件测试的吸水率，其构件吸水率/试件吸水率比值的平均值为0.89。可采用现场留样混凝土作为评定实体结构混凝土吸水率指标，避免了实体结构取芯测试对结构外观、长期性能的影响。

(5) 混凝土的吸水率随养护龄期的延长而不断降低，混凝土吸水率与养护龄期之间符合指数关系。