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 ，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實驗室，江蘇 南京 211103）

0 引言

隨著我國西部大開發戰略的實施， 西部鐵路與公路建設將進入新一輪建設高潮。 我國西部山區眾多，在山區的鐵路和公路建設中，高地熱現象在特長隧道中普遍存在。 高溫環境下混凝土強度發展會受到影響， 對隧道結構的安全性和耐久性造成極大威脅， 嚴重者還可能會破壞隧道的正常運營環境。 高溫條件下同樣會造成混凝土水分的散失，水分蒸發導致混凝土內可用水減少，水泥水化受到抑制，同時水分快速蒸發也會導致混凝土產生裂縫，進而影響耐久性能。

混凝土抗侵蝕抑制劑作為一種疏水材料主要通過密實、疏水兩方面的作用提升混凝土抗侵蝕能力，應用在混凝土中可以增加混凝土密實度，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部水分的散失，因此考率可以作為保水材料應用于高溫環境混凝土中。試驗主要研究了內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度發展的影響。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料與配合比

試驗中采用噴射混凝土對比不同材料對高溫環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， 為淡黃色液體，pH 值約為9。本次試驗中使用湖北某公司生產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

試驗使用海螺公司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%。 水泥和礦粉化學組成如表2 所示。 試驗中使用的砂為中砂，細度模數為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的SBT－N 液體無堿速凝劑。

表3 混凝土試驗配合比 kg/m3

1.2 試驗方法

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 內完成混凝土成型，防止混凝土快速凝結影響混凝土試件的質量。每組混凝土成型水分蒸發測試試件、抗壓強度試件和粘結強度試件，其中每組試件成型完成后分別進行標準養護和50 ℃熱養護，直至規定齡期并進行測試。進行水分蒸發測試步驟如下所示：

（1）水分蒸發采用 100 mm×100 mm×100 mm 試件進行；

（2）混凝土成型完成后測試試件初始質量，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量；

（4）混凝土在50 ℃養護24 h 后拆除模具，繼續將試件放入烘箱中。

2 結果及分析

2.1 失水率測試結果

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，混凝土失水質量快速增加，在15 h 后，混凝土的失水率緩慢增加，基本保持穩定。 對比可以發現，在摻入不同保水材料后混凝土的失水率顯著低于基準組。 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 為單位時間內混凝土平均失水質量，在摻入不同保水材料后，混凝土失水質量的峰值有所降低，說明保水材料抑制了水分的蒸發。 同時對于使用羥丙基甲基纖維素醚和疏水材料的混凝土，其失水質量達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，水分蒸發峰值出現的時間并未改變，表明使用納米二氧化硅只是單純增加混凝土密實度，從而延緩水分蒸發速率，并未改變水分傳輸的行為。

圖2 混凝土50 ℃條件下單位時間失水質量

2.2 混凝土抗壓強度

對不同養護方式條件下的混凝土進行抗壓強度測試，測試結果如圖3 所示。 在使用不同種類保水劑后，對混凝土1 d 強度并無顯著影響。但在使用硅溶膠之后混凝土強度有所增加， 在1 d 齡期時其抗壓強度達到16.1 MPa， 相對于基準組提升了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加速水泥水化和CSH 凝膠結構的形成，同時摻入納米二氧化硅后能增加混凝土密實度，從而強度提升。 對于混凝土7 d 和28 d 強度，空白組強度分別為35.6 MPa 和40.5 MPa。 但在使用羥丙基甲基纖維素醚后，混凝土強度反而降低為31.3 MPa 和35.5 MPa， 造成強度降低的原因一是當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，相對弱化了復合基體，從而使砂漿的抗壓強度下降；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， 實際的水灰比要比不摻者大許多，所以砂漿抗壓強度會明顯降低[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準養護條件下對混凝土強度并沒有負面作用。 但在使用硅溶膠后，混凝土7 d 和28 d 強度相對于空白組分別增加了11.6%和9.1%。

圖3 混凝土不同養護方式條件下的抗壓強度

混凝土在50 ℃熱養護條件下的抗壓強度變化如圖3（b）所示，對比可以發現，在熱養護條件下混凝土1 d 齡期抗壓強度顯著大于同配合比標準養護試件強度，這是由于高溫條件下，水泥水化速率增加，從而強度發展迅速。對于1 d 齡期，四組混凝土抗壓強度分別為 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度與空白組相接近，這也與標準養護條件下混凝土強度發展規律相一致。但對于使用硅溶膠的混凝土， 其強度僅僅增加了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作用減弱，從而導致混凝土強度增加不明顯。 7 d 齡期時，使用保水材料后混凝土抗壓強度均大于空白組。 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，從而混凝土強度增加。 強度增加結果與失水率測試結果相一致。 28 d 齡期時，四組混凝土抗壓強度分別為27.1 MPa、29.3 MPa、32.4 MPa 和31.1 MPa，隨著齡期的增加，混凝土內水分不斷散失，在7 d 齡期后混凝土內幾乎無水分可用于水泥的水化， 從而導致混凝土強度基本保持不變。

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

圖4 混凝土不同養護方式下抗壓強度比

2.3 混凝土粘結強度

對混凝土粘結強度進行了測試，測試結果如圖5 所示。標準養護條件下，使用不同種類保水材料，對混凝土粘結強度均有不同程度的提升。在1 d 齡期時， 基準、CZ、CQ 和 CG 各組混凝土粘結強度為0.66 MPa、0.70 MPa、0.77 MPa 和 0.85 MPa，在使用硅溶膠之后，混凝土粘結強度提升最為明顯。 在7 d和28 d 齡期時， 使用抗侵蝕抑制劑對混凝土粘結強度提升作用最為明顯， 混凝土7 d 和28 d 粘結強度分別為1.99 MPa 和2.68 MPa， 相對于基準組分別提升了53.1%和65.6%。 在此齡期內，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 混凝土不同養護方式條件下的粘結強度

對于50 ℃熱養護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，混凝土粘結強度顯著提升，在相同條件下，使用不同保水材料后混凝土粘結強度分別提升了12.9%、38.8%和9.3%。 同時可以發現，在使用保水材料后，高溫下水分蒸發量減少，內部水泥水化可用水較多，混凝土力學性能增加。 因此高溫下水泥水化加速在7 d齡期時， 混凝土粘結強度相對于1 d 強度顯著增加。而基準組的粘結強度在1 d 齡期后變化并不明顯。 在 7 d 齡期時，CZ、CQ 和 CG 各組混凝土粘結強度為 1.95 MPa、2.07 MPa 和 1.54 MPa， 硅溶膠僅僅增加混凝土密實度，對于混凝土粘結強度增加不顯著，而使用羥丙基甲基纖維素醚和抗侵蝕抑制劑后粘結強度增加明顯。在28 d 齡期時，不同組混凝土粘結強度相對于7 d 粘結強度變化并不顯著，這是由于高溫下水泥水化加速，因此強度在7 d 齡期后不再發生顯著變化。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強度提升效果最為顯著。

3 結論

試驗對比了不同保水材料對混凝土保水特征的影響，同時針對使用環境，對比了混凝土抗壓強度和粘結強度在標準養護和50 ℃養護條件下的性能變化，根據試驗結果，得到以下結論：

（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度，從而延緩水分蒸發速率， 并未改變水分傳輸的行為。 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準養護條件下對混凝土強度并沒有負面作用。 高溫下使用保水材料的混凝土，混凝土水分蒸發量降低，可參與水化的水量增加，水泥水化程度加深，混凝土強度增加。使用抗侵蝕抑制劑后，混凝土熱養護下抗壓強度為32.4 MPa，相對于基準組增加了19.9%。

（3）侵蝕抑制劑對混凝土粘結強度提升作用最為明顯。 使用侵蝕抑制劑混凝土7 d 和28 d 粘結強度分別為1.99 MPa 和2.68 MPa， 相當于基準組分別提升了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量，并且提升混凝土的抗壓強度和粘結強度。 可以作為保水材料用于高溫環境下混凝土結構中，從而提升混凝土的力學性能。