保水剂对墩身混凝土性能影响研究

　　摘 要：墩身混凝土施工、养护过程中时常出现“砂线”问题，文章提出调整胶凝体系的同时掺加保水剂，通过对比改性后混凝土的泌水率、坍落度、含气量、抗压强度、电通量值以及抗氯离子扩散系数得出如下结论：①粉煤灰-矿粉水泥胶凝体系保水剂掺量 0.05% (B10)泌水率最低，相当于水泥胶凝体系(B0)的29.88%，当保水剂掺量大于 0.05% 时，坍落度值、含气量已不满足于墩身混凝土设计要求;②强度最优配比为 B10，其 56天强度可到达 59.4 MPa，相当于 B0 的 123.24%;③对比保水剂掺量 0.05% 时，水泥胶凝体系(B3)、粉煤灰-水泥胶凝体系(B6)、矿粉-水泥胶凝体系(B8)、粉煤灰-矿粉-水泥胶凝体系(B10)在 56天标准养护条件下电通量、抗氯离子扩散系数发展规律，得出不同胶凝体系发展趋势为 B3>B6>B8>B10。

　　关键词：高速铁路;墩身混凝土;砂线;保水剂;泌水率;电通量值;抗氯离子扩散系数

　　1 引言

　　目前我国高铁总里程数位居世界第一，高铁在便利人们出行的同时也加快地域间经济、文化的交流。国内已建和在建高铁工程大量采用高架桥形式建设，作为承接预制箱梁和高铁运行中冲击荷载的墩身结构，施工过程中经常遇到外观质量问题——砂线。

　　砂线指混凝土表面的水泥浆流失，砂子裸露的现象。砂线不仅影响墩身的外观，也会降低混凝土的耐久性，严重时可导致钢筋保护层厚度不足，同时外界氯离子、碳酸根离子侵入墩身混凝土内部，最终影响墩身结构的安全性。根据以往施工经验，砂线发生的根本原因是模板内的混凝土出现泌水，并在凝结硬化过程中产生收缩，致使混凝土浇筑时与模板之间形成微细缝隙，泌水下渗带走尚未凝结硬化的水泥浆，导致拆模之后砂外露，形成砂线。保水剂的提出源于水下不分散混凝土的提出和应用，上世纪 70 年代，相关研究人员通过调整矿物掺合料和外加剂来改善混凝土的各种性能，使混凝土在水中不分散。1978 年日本学者研制出水下不分散混凝土外加剂，并应用于实际工程中，取得良好的经济效果。

　　1984年，中国石油研究院研制出丙烯系列抗分散剂，之后相继研制出纤维素系列保水剂，该保水剂在多项大型工程中得到运用，取得良好的社会效应和经济效益。目前有机保水剂主要指水溶性纤维素醚，是以天然纤维素历时碱化、醚化反应后所形成生成物的总称。我国纤维素醚类的保水剂应用研究多集中于砂浆 ，研究成果集中于早期工作性、凝结时间等，同时相关学者就保水剂提出增稠作用、假塑性、分散作用、减阻作用等作用机理。

　　泌水率是泌水量与混凝土拌合物用水量之比，泌水量即混凝土体积已固定但未凝结硬化前自由水向上移动时收集的自由水量，其形成的主要原因是新拌混凝土和易性较差致使水泥浆包裹集料颗粒性能下降引起的。墩身结构在浇筑混凝土的过程中，当混凝土和易性较差时混凝土泌水率增大致使墩身结构表面水泥浆流失严重，墩身混凝土凝结硬化后产生砂线，砂线严重部位伴随着细小裂纹的产生，严重影响墩身结构的耐久性，因此需要通过控制墩身混凝土泌水率，从而减少墩身结构砂线的发生。本研究立足于中铁十八局郑万高铁项目，旨在解决墩身结构砂线问题，综合以往墩身混凝土配合比设计经验，提出调整胶凝体系的同时掺加保水剂，通过对比改性后混凝土的泌水率、坍落度、含气量、抗压强度、电通量值以及抗氯离子扩散系数发展规律，降低混凝土泌水率的同时确保混凝土后期强度及耐久性，为今后墩身混凝土结构砂线控制提供参考。

　　2 试验

　　2.1 试验方案设计与目的

　　本研究旨在解决施工过程中因混凝土和易性较差出现的“砂线”难题，通过对比调整胶凝体系类型以及掺加保水剂成分改性后混凝土的泌水率、坍落度、含气量、抗压强度、电通量值以及抗氯离子扩散系数发展规律，得出最佳改性后混凝土配合比，为今后解决混凝土结构“砂线”问题提供参考依据。实验设计要求：混凝土设计年限 100 年;T2H1Y1-L1D2 环境(T2- 碳化环境等级为 2 级;H1- 化学环境侵蚀环境等级为 1 类;Y1- 盐类环境 1 类;L1-氯盐环境等级为 2 级;D2- 冻融环境为2 级)要求;56 天设计强度等级为 C45，混凝土坍落度值为 160 ～ 200 mm、含气量≥ 5.0%、混凝土碱含量 ≤ 3.0 kg/m3、56 天 电通量< 1 200 C、抗氯离子扩散系数≤ 7×10-12 m2/s。

　　2.2 原材料

　　水泥选料为 P.O 42.5 低碱水泥;矿物掺合料为 F Ⅱ类粉煤灰、S95 级矿粉;集料为细集料细度模数 2.8、含泥量 0.3%，粗集料选用 5 ～ 20 mm、含泥量 0.8%、压碎指标 8% ;减水剂选用高性能聚羧酸减水剂;引气剂选用脂肪醇类;保水剂选用聚丙烯酰胺，阳离子型，分子量 200 万;按聚丙烯酰胺:纤维素醚:采用甲基纤维素醚:羟丙基纤维素:甲级羟乙基纤维素 = 3 : 1 : 1 : 1 : 1 混合而成。

　　2.3 试验方法

　　2.3.1 拌合物性能测试拌合物性能测试主要依据以下各类标准。

　　(1)新拌混凝土坍落度值、含气量测试试验依据GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》，压力泌水率依据 GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。(2)抗压强度测试依据 GB/T 50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》。(3)电通量值、抗氯离子扩散系数测试依据 GB/T50082-2009《普通混凝土长期性和耐久性试验方法标准》。

　　2.3.2 墩身混凝土配和比墩身混凝土配和比

　　3 结果与分析

　　3.1 不同配合比下混凝土泌水率分析不同配合比下混凝土的泌水率是不尽相同的：(1)对比 B0 ～ B10 配比泌水率变化趋势可知 B10配比的泌水量最低;(2)对比 B0、B1、B2、B3、B4 不同掺量保水剂下泌水率发展趋势可发现，泌水率随着保水剂掺量的增加呈下降趋势，B1、B2、B3、B4 的泌水率相较于 B0分别减少 12.5%、19.81%、40.24%、69.21%;(3)不同与 B0、B1、B2、B3、B4 水泥胶凝体系，B5、B6 分别为粉煤灰 - 水泥胶凝体系在保水剂掺量为 0和 0.05% 下泌水率变化趋势，B5、B6 泌水率相较于 B0分别减少 7.32%、42.99%，由此可见粉煤灰 - 水泥胶凝体系较水泥胶凝体系泌水率略有下降;(4)B7、B8 分别为矿粉 - 水泥胶凝体系保水剂掺量为 0% 和 0.05% 下泌水率变化趋势，B7、B8 泌水率分别为 B0 的 102.13% 、49.69%，矿粉 - 水泥胶凝体系未掺加保水剂时泌水率大于水泥胶凝体系;(5)矿粉 - 粉煤灰 - 水泥胶凝体系保水剂掺量为0、0.05% 时泌水率发展变化如 B9、B10 所示，分别为B0 的 68.60%、29.88% ，粉煤灰 - 矿粉 - 水泥胶凝体系无论未掺加保水剂还是掺加保水剂的泌水率均低于粉煤灰 - 水泥胶凝体系和矿粉 - 水泥胶凝体系。通过分析泌水率变化趋势可得：

　　(1)水泥胶凝体系中随着保水剂掺量的增加，泌水率呈减小趋势，其主要原因为保水剂隶属大分子有机材料，溶于水后形成一层薄而粘的胶状膜结构，水分子进入膜结构中受到较强的约束力，同时会加强水分子间的相互作用力，溶有保水剂的混凝土由于水分子和保水剂分子间的相互扩散及相互作用，约束自由水的扩散与流动。未掺加保水剂的混凝土，水分子间的作用力减弱，水胶比增大时，由于水泥颗粒吸附水作用能力有限而产生泌水现象;(2)粉煤灰 - 水泥胶凝体系的泌水率低于水泥胶凝体系，其主要原因是粉煤灰呈球形疏松多孔颗粒，其需水量大于水泥，因此粉煤灰 - 水泥胶凝体系的泌水率低于水泥胶凝体系;(3)未掺加保水剂的矿粉 - 水泥胶凝体系的泌水率略高于水泥胶凝体系，矿粉比表面积为 450 m2 / kg，大于水泥比表面积(350 m2 / kg)，其颗粒形态呈片状光滑结构，早期与水反应能力较弱，因此矿粉 - 水泥胶凝体系的泌水率略高于水泥胶凝体系;(4)矿粉 - 粉煤灰 - 水泥胶凝体系未掺加保水剂配比的泌水率介于粉煤灰 - 水泥胶凝体系和矿粉 - 水泥胶凝体系之间，主要归结于粉煤灰的需水量大于矿粉的需水量。

　　3.2 不同配合比下混凝土坍落度、含气量分析不同配合比坍落度值、含气量值发展趋势，综合 坍落度、含气量值发展趋势可得如下结论。

　　(1)水泥胶凝体系(B0 ～ B4)中随着保水剂掺量的增加，坍落度、含气量值随之下降，其中 B4 配比已不满足墩身结构混凝土坍落度值、含气量值要求。B1、B2、B3 配合比 60 min 时坍落度值相较于 B0 分别减少 0、5.56%、8.33%。

　　(2)未掺加保水剂的粉煤灰 - 水泥胶凝体系坍落度值、含气量值均高于 B0 配合比，B5、B6 配合比 60 min时坍落度值为 B0 的 105.56% 、97.22%，含气量值为 B0的 109.43%、103.77%。

　　(3) B7、B8 保水剂掺量为 0、0.05% 矿 粉 - 水泥胶凝体系 60 min 坍落度值、含气量值分别为 B0 的100.00%、91.67% 和 105.56%、98.11%。

　　(4)粉煤灰 - 矿粉 - 水泥胶凝体系保水剂掺量 0、0.05% 的配合比 B9、B10， 60 min 时坍落度值为 B0 的102.78%、91.67%，其含气量值分别为 B0 的 107.54%、101.89%。本研究中采用保水剂组分中聚丙烯酰胺为阳离子型，保水剂溶于自由水中，之后包裹水泥颗粒，保水剂掺量增大，包裹量随之增大，聚羧酸减水剂是一种负离子型表面活性剂，与带保水剂组分中带正电的聚丙烯酰胺离子在电荷引起作用下相互吸附，形成絮凝结构，最终导致坍落度值降低，流动性较小。对比 B0、B1、B2、B3 新拌混凝土坍落值发展，B1、B2、B3 分别为 B0 的95%、90%、85%，60 min 内损失率分别为 10%、5.26%、5.56%、2.94%，保水剂的掺加虽然会降低新拌混凝土坍落度值，但从数据发展规律分析可知，保水剂对混凝土坍落度值的经时损失影响较小，掺量未超过 0.05% 时均满足现场实际施工要求。

　　3.3 强度分析

　　依据墩身结构所处环境，混凝土设计等级为 C45， 不同配合比 56 天强度发展走势可知 B0 ～ B10配合比强度均满足设计要求。

　　(1)对比水泥胶凝体系不同保水剂掺量下 B0 ～ B4强度发展，随着聚丙烯酰胺掺量的增加强度呈现先增后减趋势，当掺量为 0.05% 时强度达到最大值，之后随着掺量的增加强度逐渐下降，且 B1、B2、B3、B4 强度值分别为 B0 的 103.32%、108.71%、112.66%、107.47%;(2)保水剂掺量为 0、0.05% 的粉煤灰 - 水泥胶凝体系 B5、B6 的强度值分别为 B0 的 111.62%、115.98%，即保水剂的掺加有利于粉煤灰 - 水泥胶凝体系强度的发展;(3)矿粉 - 水泥胶凝体系保水剂掺量为 0 和 0.05%的强度发展如 B7、B8 所示，其强度为 B0 的 117.43%、118.67%，由此可见矿粉 - 水泥胶凝体系的强度值高于粉煤灰 - 水泥胶凝体系;(4)对比矿粉 - 粉煤灰 - 水泥胶凝体系保水剂掺量0、0.05% 下 B9、B10 强度发展可知，B9、B10 的强度分别为 B0 的 119.71%、123.24%，矿粉 - 粉煤灰 - 水泥胶凝体系强度值高于矿粉 - 水泥胶凝体系高于粉煤灰 -水泥胶凝体系;(5)对比 B0 ～ B10 不同配合比下强度发展，B10为最佳高强度配合比。综合以上分析可得，保水剂的掺加会增大混凝土的黏聚性，混凝土中各组分间相互胶黏性增强，成型时堆积更加紧密，一定程度上阻断混凝土内部的连通开口孔，使混凝土内部形成微小密闭的均匀气泡。同时保水剂将自由水、吸附水封闭于混凝土内部，内部的自由水和吸附水较难蒸发，养护过程中内部水分的存在确保胶凝材料的进一步水化作用，水化产物能够均匀填充于混凝土界面，保证混凝土强度的发展。

　　3.4 耐久性分析

　　墩身混结构用混凝土设计年限为 100 年，基于墩身混凝土所处的环境等级，其耐久性分析指标主要从电通量值、抗氯离子扩散系数值展开分析与讨论。综合上述不同配合比下混凝土泌水率、坍落度、含气量以及强度发展趋势可得，粉煤灰 - 矿粉 - 水泥胶凝体系(B10)性能最优，基于此耐久性分析讨论水泥胶凝体系未掺保水剂配合比(B0)、水泥胶凝体系保水剂掺量 0.05% 配合比(B3)、粉煤灰 - 水泥胶凝体系保水剂掺量 0.05%配合比(B6)、矿粉 - 水泥胶凝体系保水剂掺量 0.05%配合比(B8)、粉煤灰 - 矿粉 - 水泥胶凝体系保水剂掺量 0.05% 配合比(B10)5 种配合比电通量值、氯离子扩散系数发展趋势。

　　B0、B3、B6、B8、B10配合比 56 天电通量均小于 1 200 C，其发展规律为 B0(1 034)> B3(976)> B6(804)> B8 (786)> B10(713)，即抗渗性能、抗压强度发展规律为 B0 < B3 B3(6.4)> B6(5.3)> B8(4.8)> B10(4.1)，与电通量发展趋势等同，其中 B0 配合比的抗氯离子扩散系数已不满足设计要求。综合 56 天电通量、氯离子扩散系数发展规律可得 B10 为最佳配合比，其抗压强度值最大，电通量值、氯离子扩散系数值最低，抗渗透性能最强。

　　3.5 SEM 分析

　　综合上述宏观试验结果讨论，B10 为最优配合比，基于此展开 B10 的 56 天断面微结构 SEM 分析，通过对比 B0、B10 微结构水化产物排布情况，有利于揭示 B10配合比高强、高耐久性的原因。为 B0 的 56 天硬化浆体断面微观形貌图，断面微结构中水化产物排列较为疏松，呈现出较多的“沟壑”形状，“疏松”水化产物的排列和“沟壑形态”的出现制约强度、耐久性的发展;为 B10 的 56 天硬化浆体断面微观形貌图，断面微结构水化产物排布较为密实，且水泥水化生成的六方片状晶体嵌于排布的水化产物中，进一步提高微结构的致密程度，因此 B10 配合比强度、耐久性较高。

　　4 工程应用实例

　　上述 B10 配合比现已应用于郑万铁路墩身结构中，墩身混凝土结构浇筑完成后外观。采用 B10 配合比改性后的墩身混凝土砂线明显减少，同时墩身表面的细小裂缝基本上消除，大大提高墩身混凝土结构的耐久性。

　　5 结束语

　　对比 B0 ～ B10 配合比泌水率发展趋势，B10 的泌水率最低，相当于 B0 的 29.88%，依据不同配比下坍落度值、含气量值发展趋势，保水剂掺量大于 0.05% 时，坍落度值、含气量已不满足于墩身混凝土设计要求，因此满足墩身混凝土工作性指标和最低泌水率要求的保水剂最佳掺量为 0.05%。抗压强度最优配比为 B10(粉煤灰 - 矿 粉 - 水泥胶凝体系)，其 56 天标准养护条件下抗压强度可达59.4 MPa，相当于 B0(水泥胶凝体系)的 123.24%。56 天标准养护条件下电通量、抗氯离子扩散系数发展趋势为 B0 > B3 > B6 > B8 > B10，B10 配合比现已应用于工程中，且较为有效的减少墩身“砂线”的现象。

　　参考文献

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　　作者：贾胜利