水工混凝土限制水胶比研究

肖延亮，袁 琼，周 钟

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

水胶比是水工混凝土设计时的重要参数之一，大量研究证明：在一定范围内，随着混凝土水胶比的降低，混凝土的抗压强度等力学性能随之增加，混凝土的渗透系数随之降低，混凝土抗冻性能也随之增强。为了提高混凝土耐久性，保证混凝土使用年限，《水工混凝土施工规范》(DL/T5144-2015)规定[1]：混凝土的水胶比应根据混凝土性能的设计要求通过试验确定，并不应超过表1所示的最大允许值。出于保证水工混凝土耐久性的目的，《水工混凝土施工规范》对混凝土的最大水胶比进行了限制，考虑了水工建筑物在不同气候环境、不同使用部位对最大水胶比的选择，然而水工混凝土设计水胶比是否越小越好，本文将结合试验及相关参考文献进行研究。

表1 水胶比最大允许值

1 水胶比对水工混凝土性能影响

本文从水胶比对混凝土力学性能、抗渗性能、抗冻性能以及冻融循环后混凝土力学性能的影响四个方面进行论述，探讨水工混凝土限制水胶比的选择。

1.1 对力学性能的影响

试验采用嘉华中热42.5水泥、盘南Ⅰ级粉煤灰、花岗岩人工骨料。水胶比对混凝土抗压强度与劈拉强度影响的试验结果见表2与图1～2。从试验结果可知，混凝土抗压强度、劈拉强度随龄期的增长而增加，混凝土的抗压强度与劈拉强度与龄期成常用对数关系，相关性较高；混凝土180 d抗压强度、劈拉强度与混凝土胶水比呈线性关系。混凝土水胶比与抗压强度、劈拉强度的相关关系符合一般规律。

表2 水胶比对混凝土力学性能影响试验结果

图1 不同水胶比混凝土力学性能随龄期增长的试验结果

图2 水胶比与混凝土180 d力学性能的关系

1.2 对抗冻性能的影响

抗冻性能是混凝土的重要耐久性指标，水胶比与混凝土抗冻性能密切相关，通过试验研究提出合理的水胶比控制指标，为水电工程耐久性设计提供依据。混凝土试验水胶比选择为0.35、0.45、0.55，本次研究时比较了涂刷表面保护材料与不涂刷表面保护材料之间的差异，试验结果见表3与图3～5。从试验成果可知：

(1)混凝土相对动弹模与冻融次数存在多项式关系，相关关系计算结果见表3。从拟合结果可知，曲线的相关关系较好。按照《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)中关于混凝土试件冻融破坏的标准，相对动弹模下降40%时，则判定混凝土冻融破坏。不同水胶比混凝土抗冻指标计算结果见表3。

(2)当不涂刷表面材料、且水胶比为0.45时，混凝土相对动弹模下降到60%时经历的冻融循环次数最高，即混凝土抗冻性能最好；而水胶比在0.35与0.55时的抗冻性能均比0.45时差。在一定范围内，随着混凝土水胶比的降低，可以减少混凝土中有害孔的数量，对提高混凝土的抗冻性能有利；但当水胶比过低时，水胶比的降低对混凝土的抗冻性能反而不利。当水胶比低到一定程度时，混凝土拌合物胶黏，混凝土的引气效果可能不佳或气泡参数可能较差，对混凝土抗冻性能不利。另外，当水胶比较低时，混凝土单位体积的胶凝材料大，混凝土在水化过程中出现原生微裂缝的几率大幅增加，在冻融过程中，微裂缝的扩展会降低混凝土的抗冻性能。

(3)涂刷表面保护材料对混凝土抗冻性能有较大幅度的提高，水胶比越小，提高幅度越大。由于表面保护层隔绝了外部水进入混凝土，使混凝土在冻融后期内部水饱和程度降低，缓冲了孔隙水结晶对混凝土的损伤，也证明了低水胶比水化时产生微裂缝，而此时涂保护层起到了保护作用。

表3 混凝土相对动弹模与冻融循环次数的关系

(4)从混凝土质量损失看，水胶比0.35时的质量损失大于水胶比0.45和0.55时的值，说明低水胶比混凝土在冻融后更容易出现表面剥落破坏。

(a)相对动弹模 (b)质量损失

图4 冻融对抗冻试件性能影响试验结果(水胶比0.45时)

图5 冻融对抗冻试件性能影响试验结果(水胶比0.55时)

1.3 对冻融后混凝土力学性能的影响

水工混凝土处于一定的使用环境中，随着使用年限的增加，最终体现为结构混凝土力学性能的改变。在经过冻融后，本文将通过试验对混凝土抗压强度变化规律进行论证。试验采用水胶比分别在0.35、0.45、0.55时的180 d龄期混凝土试件，试验成果见表4与图6。从试验成果可知：

(1)水胶比越小，混凝土抗压强度、劈拉强度损失速率越快；经400次冻融循环后，水胶比0.35时混凝土的抗压强度比水胶比0.55时的混凝土高7.5 MPa、水胶比0.35时混凝土的劈拉强度仅比0.55时的混凝土高0.17 MPa。

表4 不同冻融循环次数后混凝土强度

图6 冻融对混凝土力学性能影响试验结果

(2)混凝土冻融后抗压强度、劈拉强度与冻融循环次数的相关关系可用指数函数拟合，且相关性较高，不同水胶比混凝土冻融后抗压强度与冻融次数相关关系式见图6。

1.4 对抗渗性能的影响

水泥完全水化所需的水量折算成水灰比大致为0.23，然而水工混凝土实际采用的水灰(胶)比远高于0.23。混凝土用水量超过水泥水化极限用水量的1～3倍，大量拌和水是水化反应所不需要的，多余的水分在混凝土水化过程中会形成孔隙，成为库水的渗透通道。

一般情况下，骨料的抗渗性较高，水泥砂浆的抗渗性是影响混凝土抗渗性能好坏的主要因素。吴中伟教授曾将混凝土中的孔隙划分为四级[2]：孔径在20 nm以下为无害孔级；孔径在200～50 nm为少害孔级；孔径在500～200 nm为有害孔级；孔径在200 nm以上为多害孔级。孔径小于50 nm的孔数量可能反映凝胶数量，而凝胶数量越多则混凝土的抗渗性越好。随着混凝土水胶比的增加，混凝土中的孔隙率会增加，且无害孔和少害孔的比例降低，有害孔和多害孔的比例增加，因此，混凝土的抗渗性能会随着混凝土水胶比的增加而降低。有研究表明(见图7)[3]，水灰比从0.5增加到0.7时，渗透系数将会增加100多倍甚至更多。水工混凝土设计中，有抗渗性能要求的混凝土需选择较低的水胶比。

图7 混凝土抗渗系数与水灰比的关系

1.5 对水工混凝土水胶比的限制

水工混凝土配合比设计时对水胶比的选择须兼顾混凝土的各项性能。随着水胶比的降低，混凝土的抗压强度、劈拉强度相应增加，然而是不是混凝土强度越高，其结构耐久性就越好呢？对于抗渗性能而言，确实如此，然而对于抗冻性能而言，则不尽然。本次研究表明，当水胶比0.45时，相对动弹模和质量损失的指标最优，而对于冻后力学性能，冻融循环为400次时，水胶比0.35与0.45时混凝土抗压强度相差2.4 MPa，劈拉强度相差0.11 MPa；水胶比0.45与0.55时混凝土抗压强度相差5.1 MPa，劈拉强度相差0.06 MPa。混凝土的水胶比越低，冻融后抗压强度、劈拉强度的下降速度就越快。可能是由于水胶比越低，特别是低于0.40以后，混凝土的胶凝材料用量会大幅增加，混凝土的早期反应速度也会大幅提升，使得混凝土内部的微裂隙增多。当混凝土处于冻融环境时，微裂隙会加速混凝土的劣化速度，因此，对于水电工程的混凝土进行耐久性设计时，不仅要限制混凝土的最大水胶比，还需设置最小水胶比。通过分析，笔者建议混凝土水胶比宜控制在0.40～0.50之间，且不宜低于0.35。

2 结论与建议

本文通过水胶比对水工混凝土力学性能、抗冻性能、冻后力学性能、抗渗性能影响试验研究，对水工混凝土限制水胶比及提高混凝土耐久性的措施建议如下。

(1)建议水工混凝土水胶比宜控制在0.40～0.50间；当水胶比超出此范围时，须通过试验论证；水工大体积混凝土水胶比不宜低于0.35。

(2)当混凝土水胶比较高时，可通过掺入矿物掺合料，提高混凝土的密实度，并通过掺加优质引气剂，引入一定量的微气泡，降低混凝土毛细孔的连通性；通过涂刷表面保护材料，从而提高混凝土的抗渗性。

(3)水胶比在0.40～0.50之间时，可通过采用掺入优质引气剂，达到控制混凝土适宜的引气量来获取较高的抗冻性能；可通过涂刷表面保护层以降低冻融过程中混凝土的水饱和程度，实现提高抗冻耐久性；还可在混凝土表面增加隔热材料来提高混凝土抗冻耐久性。