水工混凝土限制水膠比研究

肖延亮，袁 瓊，周 鐘

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

水膠比是水工混凝土設計時的重要參數之一，大量研究證明：在一定范圍內，隨著混凝土水膠比的降低，混凝土的抗壓強度等力學性能隨之增加，混凝土的滲透系數隨之降低，混凝土抗凍性能也隨之增強。為了提高混凝土耐久性，保證混凝土使用年限，《水工混凝土施工規范》(DL/T5144-2015)規定[1]：混凝土的水膠比應根據混凝土性能的設計要求通過試驗確定，并不應超過表1所示的最大允許值。出于保證水工混凝土耐久性的目的，《水工混凝土施工規范》對混凝土的最大水膠比進行了限制，考慮了水工建筑物在不同氣候環境、不同使用部位對最大水膠比的選擇，然而水工混凝土設計水膠比是否越小越好，本文將結合試驗及相關參考文獻進行研究。

表1 水膠比最大允許值

1 水膠比對水工混凝土性能影響

本文從水膠比對混凝土力學性能、抗滲性能、抗凍性能以及凍融循環后混凝土力學性能的影響四個方面進行論述，探討水工混凝土限制水膠比的選擇。

1.1 對力學性能的影響

試驗采用嘉華中熱42.5水泥、盤南Ⅰ級粉煤灰、花崗巖人工骨料。水膠比對混凝土抗壓強度與劈拉強度影響的試驗結果見表2與圖1～2。從試驗結果可知，混凝土抗壓強度、劈拉強度隨齡期的增長而增加，混凝土的抗壓強度與劈拉強度與齡期成常用對數關系，相關性較高；混凝土180 d抗壓強度、劈拉強度與混凝土膠水比呈線性關系。混凝土水膠比與抗壓強度、劈拉強度的相關關系符合一般規律。

表2 水膠比對混凝土力學性能影響試驗結果

圖1 不同水膠比混凝土力學性能隨齡期增長的試驗結果

圖2 水膠比與混凝土180 d力學性能的關系

1.2 對抗凍性能的影響

抗凍性能是混凝土的重要耐久性指標，水膠比與混凝土抗凍性能密切相關，通過試驗研究提出合理的水膠比控制指標，為水電工程耐久性設計提供依據。混凝土試驗水膠比選擇為0.35、0.45、0.55，本次研究時比較了涂刷表面保護材料與不涂刷表面保護材料之間的差異，試驗結果見表3與圖3～5。從試驗成果可知：

(1)混凝土相對動彈模與凍融次數存在多項式關系，相關關系計算結果見表3。從擬合結果可知，曲線的相關關系較好。按照《水工混凝土試驗規程》(DL/T5150-2001)中關于混凝土試件凍融破壞的標準，相對動彈模下降40%時，則判定混凝土凍融破壞。不同水膠比混凝土抗凍指標計算結果見表3。

(2)當不涂刷表面材料、且水膠比為0.45時，混凝土相對動彈模下降到60%時經歷的凍融循環次數最高，即混凝土抗凍性能最好；而水膠比在0.35與0.55時的抗凍性能均比0.45時差。在一定范圍內，隨著混凝土水膠比的降低，可以減少混凝土中有害孔的數量，對提高混凝土的抗凍性能有利；但當水膠比過低時，水膠比的降低對混凝土的抗凍性能反而不利。當水膠比低到一定程度時，混凝土拌合物膠黏，混凝土的引氣效果可能不佳或氣泡參數可能較差，對混凝土抗凍性能不利。另外，當水膠比較低時，混凝土單位體積的膠凝材料大，混凝土在水化過程中出現原生微裂縫的幾率大幅增加，在凍融過程中，微裂縫的擴展會降低混凝土的抗凍性能。

(3)涂刷表面保護材料對混凝土抗凍性能有較大幅度的提高，水膠比越小，提高幅度越大。由于表面保護層隔絕了外部水進入混凝土，使混凝土在凍融后期內部水飽和程度降低，緩沖了孔隙水結晶對混凝土的損傷，也證明了低水膠比水化時產生微裂縫，而此時涂保護層起到了保護作用。

表3 混凝土相對動彈模與凍融循環次數的關系

(4)從混凝土質量損失看，水膠比0.35時的質量損失大于水膠比0.45和0.55時的值，說明低水膠比混凝土在凍融后更容易出現表面剝落破壞。

(a)相對動彈模 (b)質量損失

圖4 凍融對抗凍試件性能影響試驗結果(水膠比0.45時)

圖5 凍融對抗凍試件性能影響試驗結果(水膠比0.55時)

1.3 對凍融后混凝土力學性能的影響

水工混凝土處于一定的使用環境中，隨著使用年限的增加，最終體現為結構混凝土力學性能的改變。在經過凍融后，本文將通過試驗對混凝土抗壓強度變化規律進行論證。試驗采用水膠比分別在0.35、0.45、0.55時的180 d齡期混凝土試件，試驗成果見表4與圖6。從試驗成果可知：

(1)水膠比越小，混凝土抗壓強度、劈拉強度損失速率越快；經400次凍融循環后，水膠比0.35時混凝土的抗壓強度比水膠比0.55時的混凝土高7.5 MPa、水膠比0.35時混凝土的劈拉強度僅比0.55時的混凝土高0.17 MPa。

表4 不同凍融循環次數后混凝土強度

圖6 凍融對混凝土力學性能影響試驗結果

(2)混凝土凍融后抗壓強度、劈拉強度與凍融循環次數的相關關系可用指數函數擬合，且相關性較高，不同水膠比混凝土凍融后抗壓強度與凍融次數相關關系式見圖6。

1.4 對抗滲性能的影響

水泥完全水化所需的水量折算成水灰比大致為0.23，然而水工混凝土實際采用的水灰(膠)比遠高于0.23。混凝土用水量超過水泥水化極限用水量的1～3倍，大量拌和水是水化反應所不需要的，多余的水分在混凝土水化過程中會形成孔隙，成為庫水的滲透通道。

一般情況下，骨料的抗滲性較高，水泥砂漿的抗滲性是影響混凝土抗滲性能好壞的主要因素。吳中偉教授曾將混凝土中的孔隙劃分為四級[2]：孔徑在20 nm以下為無害孔級；孔徑在200～50 nm為少害孔級；孔徑在500～200 nm為有害孔級；孔徑在200 nm以上為多害孔級。孔徑小于50 nm的孔數量可能反映凝膠數量，而凝膠數量越多則混凝土的抗滲性越好。隨著混凝土水膠比的增加，混凝土中的孔隙率會增加，且無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，混凝土的抗滲性能會隨著混凝土水膠比的增加而降低。有研究表明(見圖7)[3]，水灰比從0.5增加到0.7時，滲透系數將會增加100多倍甚至更多。水工混凝土設計中，有抗滲性能要求的混凝土需選擇較低的水膠比。

圖7 混凝土抗滲系數與水灰比的關系

1.5 對水工混凝土水膠比的限制

水工混凝土配合比設計時對水膠比的選擇須兼顧混凝土的各項性能。隨著水膠比的降低，混凝土的抗壓強度、劈拉強度相應增加，然而是不是混凝土強度越高，其結構耐久性就越好呢？對于抗滲性能而言，確實如此，然而對于抗凍性能而言，則不盡然。本次研究表明，當水膠比0.45時，相對動彈模和質量損失的指標最優，而對于凍后力學性能，凍融循環為400次時，水膠比0.35與0.45時混凝土抗壓強度相差2.4 MPa，劈拉強度相差0.11 MPa；水膠比0.45與0.55時混凝土抗壓強度相差5.1 MPa，劈拉強度相差0.06 MPa。混凝土的水膠比越低，凍融后抗壓強度、劈拉強度的下降速度就越快。可能是由于水膠比越低，特別是低于0.40以后，混凝土的膠凝材料用量會大幅增加，混凝土的早期反應速度也會大幅提升，使得混凝土內部的微裂隙增多。當混凝土處于凍融環境時，微裂隙會加速混凝土的劣化速度，因此，對于水電工程的混凝土進行耐久性設計時，不僅要限制混凝土的最大水膠比，還需設置最小水膠比。通過分析，筆者建議混凝土水膠比宜控制在0.40～0.50之間，且不宜低于0.35。

2 結論與建議

本文通過水膠比對水工混凝土力學性能、抗凍性能、凍后力學性能、抗滲性能影響試驗研究，對水工混凝土限制水膠比及提高混凝土耐久性的措施建議如下。

(1)建議水工混凝土水膠比宜控制在0.40～0.50間；當水膠比超出此范圍時，須通過試驗論證；水工大體積混凝土水膠比不宜低于0.35。

(2)當混凝土水膠比較高時，可通過摻入礦物摻合料，提高混凝土的密實度，并通過摻加優質引氣劑，引入一定量的微氣泡，降低混凝土毛細孔的連通性；通過涂刷表面保護材料，從而提高混凝土的抗滲性。

(3)水膠比在0.40～0.50之間時，可通過采用摻入優質引氣劑，達到控制混凝土適宜的引氣量來獲取較高的抗凍性能；可通過涂刷表面保護層以降低凍融過程中混凝土的水飽和程度，實現提高抗凍耐久性；還可在混凝土表面增加隔熱材料來提高混凝土抗凍耐久性。