过度振捣对海工混凝土构件吸水率的影响研究

姜骞 ，石亮 ，崔巩 ，蔡景顺

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103；2.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 210008）

0 引言

我国海岸线漫长，钢筋混凝土结构物在海洋环境下服役易遭受有害物质侵蚀而缩短其使用年限[1]，因此海工混凝土的耐久性一直以来都是国内外学者研究的热点。海工混凝土结构的劣化往往是由于氯离子进入导致钢筋锈蚀，从而使引起结构失效，改善海工混凝土的耐久性一般通过提高混凝土自身密实性[2-3]、隔绝有害物质[4-5]、延缓锈蚀发生[6]等方式实现。近年来，已有学者发现吸水率与耐久性之间的密切关系[7-9]，相关研究表明[10-11]，在混凝土中内掺特殊外加剂使其具有显著的疏水效果，通过降低混凝土的吸水率，达到提高混凝土耐久性的目的。

出于泵送和易施工等目的，目前工程实际使用的混凝土往往都具有较大流动度，在浇筑施工过程中可能由于振捣过度或减水剂使用不当造成坍落度增大[12]，引起混凝土离析，但离析对海工混凝土耐久性影响的研究较少。因此，本文在实验室模拟制备海工混凝土构件，研究过度振捣对是否内掺具有疏水效果外加剂的混凝土吸水率的影响，为工程实际和合理使用该类外加剂提供参考。

1 试验

1.1 原材料与配合比

水泥：海螺P·O42.5水泥；粉煤灰：Ⅱ级；矿粉：S95级粒化高炉矿渣粉，胶凝材料的主要化学成分如表1所示。细骨料：河沙，细度模数2.45。粗骨料：江苏镇江5～25 mm连续级配玄武岩碎石。外加剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂SBT PCA-Ⅰ和侵蚀性离子抑制材料SBT TIA（Ⅲ）。

表1 胶凝材料的主要化学成分 %

1.2 试验方法

C40海工混凝土配合比如表2所示。

表2 C40海工混凝土配合比 kg/m3

混凝土制备后，根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能方法试验标准》测试其新拌性能；然后分别成型150 mm×150 mm×150 mm抗压强度试模和如图1（a）所示模拟混凝土构件（600 mm×300 mm×100 mm），构件浇筑过程中采用功率为2 kW的混凝土振动棒插入振捣10 min，硬化拆模后标养至规定龄期。

根据GB 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试立方试件抗压强度。模拟混凝土构件养护28 d后，按图1（b）所示位置在混凝土构件上钻芯取样（芯样直径75mm），然后对芯样两端切割，制成Φ75 mm×75 mm的圆柱试件，根据BS1881∶Part122∶1983《Method for determination of water absorption》测试试件的吸水率。

图1 模拟混凝土构件及钻芯取样位置示意

芯样试件骨料含量通过照相后采用Image Pro Plus软件进行图像处理的方法获取，根据体视学原理，由二维图像上骨料面积百分比推算混凝土中骨料的体积百分比。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土的新拌性能与力学性能

C40海工混凝土的新拌性能见表3，各龄期的抗压强度见图2。

表3 C40新拌海工混凝土的性能

图2 C40海工混凝土各龄期的抗压强度

由表3和图2可以看出，掺入侵蚀性离子抑制材料等量取代拌合水对海工混凝土的初始和经时工作性能影响较小；侵蚀性离子抑制材料几乎不影响混凝土的早期抗压强度，甚至对28 d后抗压强度有略微提升作用。

2.2 混凝土的吸水率

混凝土芯样吸水率发展规律如图3所示。

图3 海工混凝土的吸水率发展规律

由图3可见，掺加了侵蚀性离子抑制材料的2#混凝土试件吸水率均显著低于1#空白组混凝土试件，所有试件的吸水率均随着吸水时间的延长逐渐增大，且吸水率与时间的1/2次方几乎呈线性关系。随着试件在模拟构件中高度的增加，其吸水率也呈梯度逐渐提高，以吸水6 h为例，1#构件最上端的试件1#-1比最下端的试件1#-4吸水率高出16.08%，2#构件最上端的试件2#-1比最下端的试件2#-4吸水率高出37.91%。从吸水率测试结果可知，过度振捣将造成构件不同高度位置混凝土吸水率的差异，并进而导致耐久性的差异。

2.3 骨料分布统计与计算

为了进一步分析过度振捣对构件不同高度位置混凝土吸水率影响的原因，分别对2组混凝土构件不同高度位置取样试件的切面进行二维图像处理，如图4所示。

图4 图像处理过程

通过对不同高度位置混凝土试件切面（如图5和图6所示）照相、图片优化、二值化处理等步骤，将混凝土切面上的骨料与浆体分离并统计其面积分数，根据体视学原理，获得混凝土试件该高度处骨料体积含量，统计结果如图7所示。

图5 1#混凝土模拟构件不同高度处切面照片

图6 2#混凝土模拟构件不同高度处切面照片

图7 不同高度处混凝土试件骨料含量分布

由图5、图6、图7可见，混凝土试件的骨料体积含量从上到下递增，振动10 min造成混凝土竖直方向严重的物相分布不均匀。由于混凝土新拌状态差别，2个混凝土构件浇筑后骨料分布略有不同，掺加了侵蚀性离子抑制材料的2#混凝土与空白组相比，骨料沉底现象更严重一些。

图8反映了混凝土不同骨料含量对吸水率的影响。

图8 混凝土试件骨料含量对吸水率的影响

由图8可见，2组混凝土吸水率均随着骨料体积含量的增大而减小，且几乎呈线性关系。这是因为，过度振捣导致混凝土离析，骨料向下沉积造成构件上部骨料含量偏少，构件下部骨料含量较多，因为混凝土中骨料的吸水率往往小于砂浆，所以骨料含量越多的构件下部混凝土吸水率也更低。

3 结论

（1）侵蚀性离子抑制材料能够在不影响抗压强度的基础上，显著降低混凝土的吸水率，有助于混凝土抑制侵蚀性离子随水分进入混凝土内部。

（2）无论是否掺加侵蚀性离子抑制材料，混凝土的吸水率均与时间平方根呈线性关系，但侵蚀性离子抑制材料降低了相同时间内混凝土吸水的速率。

（3）构件不同位置处的混凝土吸水率随构件高度的增加逐渐增大，这主要是因为过度振捣造成混凝土离析，骨料含量的梯度分布导致混凝土吸水率的变化，且骨料含量越高，混凝土吸水率越低。