混凝土抗侵蝕抑制劑在高溫條件下對噴射混凝土性能的影響

劉光嚴(yán) ，穆松 ，蔡景順 ，馬麒 ，周瑩 ，郭政

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103 2.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103）

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施， 西部鐵路與公路建設(shè)將進(jìn)入新一輪建設(shè)高潮。 我國西部山區(qū)眾多，在山區(qū)的鐵路和公路建設(shè)中，高地?zé)岈F(xiàn)象在特長隧道中普遍存在。 高溫環(huán)境下混凝土強(qiáng)度發(fā)展會受到影響， 對隧道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性造成極大威脅， 嚴(yán)重者還可能會破壞隧道的正常運(yùn)營環(huán)境。 高溫條件下同樣會造成混凝土水分的散失，水分蒸發(fā)導(dǎo)致混凝土內(nèi)可用水減少，水泥水化受到抑制，同時水分快速蒸發(fā)也會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而影響耐久性能。

混凝土抗侵蝕抑制劑作為一種疏水材料主要通過密實(shí)、疏水兩方面的作用提升混凝土抗侵蝕能力，應(yīng)用在混凝土中可以增加混凝土密實(shí)度，降低混凝土吸水率[1-3]。考慮抗侵蝕抑制劑的疏水特性，在抑制水及有害離子滲透的同時也能阻止混凝土內(nèi)部水分的散失，因此考率可以作為保水材料應(yīng)用于高溫環(huán)境混凝土中。試驗(yàn)主要研究了內(nèi)摻型疏水材料對混凝土在高溫下保水性能的作用和對混凝土強(qiáng)度發(fā)展的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料與配合比

試驗(yàn)中采用噴射混凝土對比不同材料對高溫環(huán)境下混凝土保水性能的影響， 對比了羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）、抗侵蝕抑制劑和納米二氧化硅的作用效果。 其中羥丙基甲基纖維素醚是一種混凝土常用增稠劑，通過增加混凝土黏度，提升混凝土保水率。 抗侵蝕抑制劑由江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)， 為淡黃色液體，pH 值約為9。本次試驗(yàn)中使用湖北某公司生產(chǎn)硅溶膠作為納米二氧化硅，主要性能如表1 所示。

表1 硅溶膠性能指標(biāo)

試驗(yàn)使用海螺公司P·O 42.5 水泥， 水泥比表面積為 357 m2/kg，表觀密度為 3 020 kg/m3，28 d 抗壓強(qiáng)度為51.2 MPa。礦粉為S95 礦粉，密度為2 970 kg/m3，比表面積為380 m2/kg，燒失量為0.98%。 水泥和礦粉化學(xué)組成如表2 所示。 試驗(yàn)中使用的砂為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，堆積密度為2 860 kg/m3。 使用的粗集料為玄武巖，粒徑范圍在5～16 mm，表觀密度2 860 kg/m3，孔隙率47%，泥塊含量0.3%。

表2 水泥礦粉化學(xué)組成 %

混凝土配合比如表3 所示。 其中CR 為對照組；CZ 為使用羥丙基甲基纖維素醚作為保水材料；CQ 和CG 分別為摻入侵蝕抑制劑和納米二氧化硅作為保水材料。本次試驗(yàn)中使用的減水劑為高性能聚羧酸減水劑，固含量為10%，速凝劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的SBT－N 液體無堿速凝劑。

表3 混凝土試驗(yàn)配合比 kg/m3

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土成型時，先將混凝土粉料和骨料混合均勻，然后加入水、減水劑和保水材料。 攪拌2 min后，將混凝土從攪拌鍋中倒出，加入速凝劑并立即人工拌和，隨后將混凝土裝入模具中。 成型過程中保證加入速凝劑后3 min 內(nèi)完成混凝土成型，防止混凝土快速凝結(jié)影響混凝土試件的質(zhì)量。每組混凝土成型水分蒸發(fā)測試試件、抗壓強(qiáng)度試件和粘結(jié)強(qiáng)度試件，其中每組試件成型完成后分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和50 ℃熱養(yǎng)護(hù)，直至規(guī)定齡期并進(jìn)行測試。進(jìn)行水分蒸發(fā)測試步驟如下所示：

（1）水分蒸發(fā)采用 100 mm×100 mm×100 mm 試件進(jìn)行；

（2）混凝土成型完成后測試試件初始質(zhì)量，并連同模具放入烘箱中（50 ℃）；

（3）分別在成型后不同時間測試混凝土質(zhì)量；

（4）混凝土在50 ℃養(yǎng)護(hù)24 h 后拆除模具，繼續(xù)將試件放入烘箱中。

2 結(jié)果及分析

2.1 失水率測試結(jié)果

測試混凝土在澆筑24 h 后的失水率如圖1 所示。由圖1 可知，對于不同組的混凝土，其失水率變化趨勢保持一致，即在前15 h 內(nèi)，混凝土失水質(zhì)量快速增加，在15 h 后，混凝土的失水率緩慢增加，基本保持穩(wěn)定。 對比可以發(fā)現(xiàn)，在摻入不同保水材料后混凝土的失水率顯著低于基準(zhǔn)組。 24 h 后空白組混凝土失水率為1.71%，在摻入增稠劑、疏水材料以及硅溶膠后混凝土的失水率分別降低至1.61%、1.53%和1.44%， 相對于空白組分別增加了5.8%、10.5%和15.8%，其中使用硅溶膠后混凝土失水質(zhì)量降低最為明顯。

圖1 混凝土50 ℃條件下的失水率

圖2 為單位時間內(nèi)混凝土平均失水質(zhì)量，在摻入不同保水材料后，混凝土失水質(zhì)量的峰值有所降低，說明保水材料抑制了水分的蒸發(fā)。 同時對于使用羥丙基甲基纖維素醚和疏水材料的混凝土，其失水質(zhì)量達(dá)到最大值的時間相對于空白組有所延遲，這表明使用這兩種材料可以改變混凝土的水分傳輸過程，延緩水分的傳輸，而在使用硅溶膠之后，水分蒸發(fā)峰值出現(xiàn)的時間并未改變，表明使用納米二氧化硅只是單純增加混凝土密實(shí)度，從而延緩水分蒸發(fā)速率，并未改變水分傳輸?shù)男袨椤?/p>

圖2 混凝土50 ℃條件下單位時間失水質(zhì)量

2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度

對不同養(yǎng)護(hù)方式條件下的混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，測試結(jié)果如圖3 所示。 在使用不同種類保水劑后，對混凝土1 d 強(qiáng)度并無顯著影響。但在使用硅溶膠之后混凝土強(qiáng)度有所增加， 在1 d 齡期時其抗壓強(qiáng)度達(dá)到16.1 MPa， 相對于基準(zhǔn)組提升了20%。這是由于硅溶膠作為一種納米材料，摻入混凝土中能作為成核點(diǎn)加速水泥水化和CSH 凝膠結(jié)構(gòu)的形成，同時摻入納米二氧化硅后能增加混凝土密實(shí)度，從而強(qiáng)度提升。 對于混凝土7 d 和28 d 強(qiáng)度，空白組強(qiáng)度分別為35.6 MPa 和40.5 MPa。 但在使用羥丙基甲基纖維素醚后，混凝土強(qiáng)度反而降低為31.3 MPa 和35.5 MPa， 造成強(qiáng)度降低的原因一是當(dāng)砂漿中加入羥丙基甲基纖維素醚后，增加了砂漿孔隙中的柔性聚合物，這些柔性聚合物和孔隙在試塊受壓時，起不到剛性支撐作用，相對弱化了復(fù)合基體，從而使砂漿的抗壓強(qiáng)度下降；二是由于羥丙基甲基纖維素醚的保水作用，使砂漿試塊成型后，水分仍大部分保留在砂漿中， 實(shí)際的水灰比要比不摻者大許多，所以砂漿抗壓強(qiáng)度會明顯降低[4]。 對于使用侵蝕抑制劑的混凝土， 其7 d 和28 d 強(qiáng)度分別為34.5 MPa和39.6 MPa，與空白組相近，表明使用抗侵蝕抑制劑在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下對混凝土強(qiáng)度并沒有負(fù)面作用。 但在使用硅溶膠后，混凝土7 d 和28 d 強(qiáng)度相對于空白組分別增加了11.6%和9.1%。

圖3 混凝土不同養(yǎng)護(hù)方式條件下的抗壓強(qiáng)度

混凝土在50 ℃熱養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度變化如圖3（b）所示，對比可以發(fā)現(xiàn)，在熱養(yǎng)護(hù)條件下混凝土1 d 齡期抗壓強(qiáng)度顯著大于同配合比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度，這是由于高溫條件下，水泥水化速率增加，從而強(qiáng)度發(fā)展迅速。對于1 d 齡期，四組混凝土抗壓強(qiáng)度分別為 24.0 MPa、24.1 MPa、24.6 MPa和26.1 MPa。 使用羥丙基甲基纖維素醚和抗侵蝕抑制劑混凝土強(qiáng)度與空白組相接近，這也與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律相一致。但對于使用硅溶膠的混凝土， 其強(qiáng)度僅僅增加了2.1 MPa，這是由于高溫下水泥水化作用加快，納米二氧化硅的成核效應(yīng)作用減弱，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度增加不明顯。 7 d 齡期時，使用保水材料后混凝土抗壓強(qiáng)度均大于空白組。 對于使用羥丙基甲基纖維素醚、抗侵蝕抑制劑和硅溶膠的混凝土，抗壓強(qiáng)度分別增加了8.1%、23.2%和15.4%。對于使用保水材料的混凝土，混凝土水分蒸發(fā)量降低， 可參與水化的水量增加，水泥水化程度加深，從而混凝土強(qiáng)度增加。 強(qiáng)度增加結(jié)果與失水率測試結(jié)果相一致。 28 d 齡期時，四組混凝土抗壓強(qiáng)度分別為27.1 MPa、29.3 MPa、32.4 MPa 和31.1 MPa，隨著齡期的增加，混凝土內(nèi)水分不斷散失，在7 d 齡期后混凝土內(nèi)幾乎無水分可用于水泥的水化， 從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度基本保持不變。

考慮到在高溫條件下混凝土的強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，對比了不同組混凝土在1 d、7 d 和28 d 齡期時熱養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度比，如圖4 所示。 可以發(fā)現(xiàn)，在1 d 齡期時，由于高溫加速水泥水化，混凝土抗壓強(qiáng)度比均大于1， 各組混凝土抗壓強(qiáng)度比在1.6～1.9。 對比 7 d 齡期和 28 d 齡期時的抗壓強(qiáng)度比可以發(fā)現(xiàn)，使用抗侵蝕抑制劑后混凝土抗壓強(qiáng)度比最大，分別為0.87 和0.82。 表明在使用抗侵蝕抑制劑后，能促進(jìn)混凝土在高溫下的強(qiáng)度發(fā)展，較好地減弱高溫對混凝土強(qiáng)度發(fā)展的影響。對于使用納米二氧化硅的混凝土， 其在7 d 齡期和28 d 齡期時的抗壓強(qiáng)度比分別為0.71 和0.70， 略大于基準(zhǔn)混凝土。表明通過使用納米二氧化硅對混凝土保水效果和強(qiáng)度的改善，更多是通過納米材料自身的密實(shí)作用和促進(jìn)水化作用，降低混凝土孔隙率，從而降低水分蒸發(fā)量、提升抗壓強(qiáng)度。

圖4 混凝土不同養(yǎng)護(hù)方式下抗壓強(qiáng)度比

2.3 混凝土粘結(jié)強(qiáng)度

對混凝土粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖5 所示。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，使用不同種類保水材料，對混凝土粘結(jié)強(qiáng)度均有不同程度的提升。在1 d 齡期時， 基準(zhǔn)、CZ、CQ 和 CG 各組混凝土粘結(jié)強(qiáng)度為0.66 MPa、0.70 MPa、0.77 MPa 和 0.85 MPa，在使用硅溶膠之后，混凝土粘結(jié)強(qiáng)度提升最為明顯。 在7 d和28 d 齡期時， 使用抗侵蝕抑制劑對混凝土粘結(jié)強(qiáng)度提升作用最為明顯， 混凝土7 d 和28 d 粘結(jié)強(qiáng)度分別為1.99 MPa 和2.68 MPa， 相對于基準(zhǔn)組分別提升了53.1%和65.6%。 在此齡期內(nèi)，使用硅溶膠提升效果次之，使用羥丙基甲基纖維素醚的提升效果最不明顯。

圖5 混凝土不同養(yǎng)護(hù)方式條件下的粘結(jié)強(qiáng)度

對于50 ℃熱養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土試件， 由于高溫下水泥水化加速，在1 d 齡期時，混凝土粘結(jié)強(qiáng)度顯著提升，在相同條件下，使用不同保水材料后混凝土粘結(jié)強(qiáng)度分別提升了12.9%、38.8%和9.3%。 同時可以發(fā)現(xiàn)，在使用保水材料后，高溫下水分蒸發(fā)量減少，內(nèi)部水泥水化可用水較多，混凝土力學(xué)性能增加。 因此高溫下水泥水化加速在7 d齡期時， 混凝土粘結(jié)強(qiáng)度相對于1 d 強(qiáng)度顯著增加。而基準(zhǔn)組的粘結(jié)強(qiáng)度在1 d 齡期后變化并不明顯。 在 7 d 齡期時，CZ、CQ 和 CG 各組混凝土粘結(jié)強(qiáng)度為 1.95 MPa、2.07 MPa 和 1.54 MPa， 硅溶膠僅僅增加混凝土密實(shí)度，對于混凝土粘結(jié)強(qiáng)度增加不顯著，而使用羥丙基甲基纖維素醚和抗侵蝕抑制劑后粘結(jié)強(qiáng)度增加明顯。在28 d 齡期時，不同組混凝土粘結(jié)強(qiáng)度相對于7 d 粘結(jié)強(qiáng)度變化并不顯著，這是由于高溫下水泥水化加速，因此強(qiáng)度在7 d 齡期后不再發(fā)生顯著變化。在28 d 齡期時，無論是在常溫還是在高溫下，均是使用抗侵蝕抑制劑對混凝土粘結(jié)強(qiáng)度提升效果最為顯著。

3 結(jié)論

試驗(yàn)對比了不同保水材料對混凝土保水特征的影響，同時針對使用環(huán)境，對比了混凝土抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和50 ℃養(yǎng)護(hù)條件下的性能變化，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）使用羥丙基甲基纖維素醚和抗侵蝕抑制劑可改變混凝土的水分傳輸過程， 延緩水分的傳輸，而在使用硅溶膠之后只是單純增加混凝土密實(shí)度，從而延緩水分蒸發(fā)速率， 并未改變水分傳輸?shù)男袨椤?在摻入甲基纖維素醚、抗侵蝕抑制劑以及納米二氧化硅后混凝土的失水率相對于空白組分別增加了5.8%、10.5%和15.8%。

（2）常溫下使用侵蝕抑制劑在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下對混凝土強(qiáng)度并沒有負(fù)面作用。 高溫下使用保水材料的混凝土，混凝土水分蒸發(fā)量降低，可參與水化的水量增加，水泥水化程度加深，混凝土強(qiáng)度增加。使用抗侵蝕抑制劑后，混凝土熱養(yǎng)護(hù)下抗壓強(qiáng)度為32.4 MPa，相對于基準(zhǔn)組增加了19.9%。

（3）侵蝕抑制劑對混凝土粘結(jié)強(qiáng)度提升作用最為明顯。 使用侵蝕抑制劑混凝土7 d 和28 d 粘結(jié)強(qiáng)度分別為1.99 MPa 和2.68 MPa， 相當(dāng)于基準(zhǔn)組分別提升了53.1%和65.6%，使用硅溶膠提升效果次之，使用增稠劑的提升效果最不明顯。

（4）混凝土抗侵蝕抑制劑作為一種疏水材料，摻入混凝土中后， 能明顯降低混凝土在高溫下的水分蒸發(fā)量，并且提升混凝土的抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度。 可以作為保水材料用于高溫環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)中，從而提升混凝土的力學(xué)性能。