单分子层水分蒸发抑制剂在水工混凝土浇筑中的应用研究

熊 明

(江西省源河工程有限责任公司，江西 南昌 330000)

水工混凝土在浇筑过程中，其表面在高温、大风作用下水分易于蒸发，从而产生负压引起塑性开裂[1]。工程实践中一般通过择时浇筑、环境监测、喷雾养护等工程措施[2- 3]，来预防这一问题。水工混凝土在浇筑体积大、工期紧的限制因素下，上述方法实施难度较大[4]。

因此有许多学者对于如何在保证混凝土性能前提下、预防水分蒸发引起的裂缝进行了大量的研究。如赵明华[5]就通过分析大体积混凝土裂缝形成影响因素，指出塑性裂缝形成原理在于塑性状态下的新拌混凝土的强度不足以抵抗表面水分蒸发引起收缩张力。谢迁等[6]从混凝土养护剂角度探讨了不同种类养护剂的作用机理及效果，认为其能显著改善混凝土的综合性能，且省工省时、节能节水。吕喜风等[7]对比不同浓度水分蒸发抑制剂的保水能力及其随时间的变化规律，研究表明水分蒸发抑制剂能明显抑制混凝土的早期塑性开裂，抑制率随时间逐渐降低。

通过前人的研究可以发现，在混凝土中添加水分蒸发抑制剂后，不仅能改善混凝土的性能，还能为实际工程提供很好的理论指导[8- 9]。本文的主要研究对象为典型4级配水工混凝土，开展坝址区高温、大风环境单分子层水分蒸发抑制剂的抑制效果试验，对不同层间浇筑间隔时间的物理力学性能进行分析，主要指标包括水分蒸发抑制率、抗压强度、抗拉强度。

1 工程背景与试验设计

1.1 工程背景

本次研究依托于江西地区某水利工程项目，大坝主体结构为混凝土重力坝，采用典型的少胶凝材料、低水灰比、小坍落度4级配水工混凝土浇筑。坝址区气候干燥，现场混凝土浇筑温度在 30℃以上、风速3～6m/s，因水分蒸发快而对新浇混凝土的养护要求较高。施工过程中采用了棉被覆盖保温、喷雾加湿等措施进行养护，但仍出现了混凝土开裂问题，初步分析成因为高温大风环境混凝土表面水分蒸发过快。急需寻求新的方法抑制水工混凝土的水分蒸发，增强其水分保持，这对提升工程的稳定性与安全性具有重要价值[10- 12]。

1.2 试验基本参数设计

在此工程背景之下，为了探究喷洒单分子层水分蒸发抑制剂应用于水工混凝土中减少水分蒸发的可行性，设计了喷洒水分蒸发抑制剂与未喷洒2组对比试验。基于水工混凝土分层浇筑的施工特点，每组设置0、3、6h的浇筑层间时间间隔。

试验所用原材料与该大坝保持一致，配合比为水泥∶水∶砂∶骨料=1∶0.8∶4.5∶17.5，工程实际骨料配置比例为特大石∶大石∶中石∶小石=1∶1∶1.5∶1.5，结合试验试件尺寸的客观因素，骨料同意采用5～20mm小石。其中水泥为P·MH42.5中热硅酸盐大坝水泥，砂采用表观密度2700 kg/m3、细度模数2.82的人工砂，骨料表观密度按2780kg/m3左右控制。此外，将35%的水泥采用F类I级粉煤灰替换，按0.996kg/m3外加高性能减水剂，按4%～5%含气量控制引气剂掺量。

1.3 试验步骤设计

(1)模拟高温大风的实验室准备。通过钨灯控制实验室内温度在38℃左右，强力吹风机模拟风速为10m/s左右大风环境。搭建的试验室如图1所示。

图1 高温大风模拟试验室

(2)配制单分子层水分蒸发抑制剂试液。在1份抑制剂中添加4份水，搅拌均匀后置于手持喷壶中备用。

(3)制备混凝土试件。按1.2节所述的基本参数配制搅拌好混凝土后，在标准150mm立方体试件模具中浇筑试件；分层高度按75mm控制，浇筑第一层混凝土后，以 250g/m2均匀喷洒抑制剂稀释液，在设计时间间隔后浇筑第二层混凝土。

(4)测试混凝土试件的力学性能。定时观察试件表面形貌，检测水分蒸发量，测试试件的抗压强度、劈裂抗拉强度。

2 试验成果分析

2.1 混凝土表观形貌

混凝土试件浇筑完成后，定时观察其表观形貌并做记录，如图2所示。图2(a)是未喷洒单分子层水分蒸发抑制剂的试件表观形貌，图2(b)是喷洒的试件表面。可以直观看到，未喷洒单分子层水分蒸发抑制剂试件表面出现明显裂缝，而喷洒抑制剂的试件表面光滑平整。说明单分子层水分蒸发抑制剂可以有效改善混凝土表面起裂现象。

图2 混凝土试件表观形貌

2.2 水分蒸发抑制率

本次试验测试了喷洒单分子层水分蒸发的抑制剂对水分蒸发的影响，结果显示浇筑2h后水分蒸发抑制率为51.1%，4h后为33.6%，见表1。说明高温大风环境下，喷洒单分子层水分蒸发抑制剂能明显减少水分蒸发，且随着浇筑时间的延长，抑制效果逐渐降低。这一变化规律与混凝土强度随时间逐渐增长相适应[13- 15]。

表1 混凝土水分蒸发抑制率

2.3 混凝土抗压强度

对不同分层间隔时间的混凝土试件，开展了在28和180d龄期下的抗压强度测试，试验结果如图3所示。分析得出：①喷洒单分子层水分蒸发抑制剂对混凝土抗压强度没有明显的消极影响，除了分层间隔0h下28d龄期的试件抗压强度下降了1.54%外，其余试件的抗压强度有增强作用，且间隔时间越长强度增加越多；原因为水分蒸发抑制剂减少了混凝土表面的水分蒸发，进而使各分层间的结合条件更好。②抗压强度随着分层时间间隔的增加而降低，如喷洒抑制剂条件下的28d龄期试件在0、3、6h间隔下的强度分别为25.6 、24.9 、19.4 MPa，这是由于分层间隔浇筑层间接触面在水分蒸发后形成薄弱结构造成的。

图3 不同分层间隔时间和养护龄期条件下混凝土试件单轴抗压强度

2.4 混凝土抗拉强度

根据水工混凝土浇筑中层间接触面的受力特点，试件抗拉强度试验加载方向按平行于接触面进行，测得混凝土试件抗拉强度见表2。可以看出，喷洒单分子层水分蒸发抑制剂对混凝土抗拉强度的影响与抗压强度类似：①混凝土抗拉强度未受到抑制剂明显的消极影响，仅有分层间隔0h下28d和180d龄期的试件抗拉强度分别下降了2.19%与5.21%，其余喷洒单分子层水分蒸发抑制剂试件的抗拉强度均有一定增强，强度增加幅度随着间隔时间加长而增加；这是由于抑制剂通过减少混凝土表面的水分蒸发，改善了分层间的结合条件。②是否喷洒水分蒸发抑制剂条件一致情形下，分层时间间隔越长，抗拉强度越低，如喷洒抑制剂条件下的180d龄期试件在0、3、6h间隔下的强度分别为3.09 、2.98 、2.63 MPa，原因在于层间接触面的水分蒸发随着时间间隔的增加而增加，导致层间结合越软弱。

表2 试件在不同分层间隔下的抗拉强度

3 结论

本文通过室内试验对单分子层水分蒸发抑制剂在水工混凝土中的应用进行研究，得到如下结论：①单分子层水分蒸发抑制剂可以有效改善混凝土表面起裂现象；②喷洒抑制剂能明显减少水分蒸发，且随着浇筑时间的延长，抑制效果逐渐降低；③抑制剂对混凝土抗压强度、抗拉强度均没有明显的消极影响，强度下降不超过5.21%，部分试件强度有一定增加。但水工混凝土具有大体积特征，本文试验未考虑试件的尺寸效应，有待进一步研究。总的来说，单分子层水分蒸发抑制剂能有效预防水工混凝土开裂，且不显著降低其力学性能。