真空脱水工艺在港工混凝土中的应用研究

欧阳幼玲 南京水利科学研究院

傅勇明 福建省福州港口发展中心

钱文勋 陈迅捷 南京水利科学研究院

陈思兴 福建省福州港口发展中心

重力式码头是我国南方，尤其是福建省沿海地区主要采用的码头形式。而沉箱是重力式码头结构的重要构件，其预制质量直接影响到码头整体质量。沉箱构件混凝土面积大，常规工艺施工时容易出现外观缺陷（包括气孔、蜂窝、麻面、砂线、色差大等），养护稍不当则出现塑性开裂。随着沉箱重量和高度的不断增加，大型沉箱整体预制的质量通病也愈来愈明显，不能得到有效的解决。

混凝土真空脱水工艺技术自上世纪80年代于公路建设中推广应用，后来在水工建筑施工中进行过少数几例实际应用，如吉林松花江二江上游红石电站溢流坝面施工、江苏宜兴横山水库溢洪道施工等，而在港工建筑施工中尚未有先例。但就是这些少数的水利工程应用，使我们看到了真空脱水工艺在建筑工程施工中的特别之处，可以解决混凝土施工中存在的很多技术问题。将真空脱水工艺与滑模施工结合起来，则可以使滑模施工的速度提高，实现连续浇注施工，很好地解决大仓面浇注时间差造成的混凝土脱模拉裂问题，以及有效地克服滑模施工混凝土表面收缩裂缝等问题。同时，混凝土表层致密，能有效地改善混凝土表面光洁度和质量。

本文研究对比了真空脱水工艺和普通施工工艺下混凝土的性能，并将真空脱水工艺应用于某重力式码头沉箱混凝土构件的施工，为克服预制沉箱经常出现的表面蜂窝、麻面、气孔、砂线以及表面塑性裂缝等质量缺陷提供了一种新的技术途径。

1.试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料

试验所采用的原材料中，水泥为海螺P.O42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，28d活性指数78%；矿渣粉为S95 级磨细高炉矿渣粉，7d和28d活性指数分别 80%和108%；细骨料为河砂，细度模数2.77，为Ⅱ级配区的中粗砂；粗骨料为5～31.5mm的人工骨料；外加剂为江苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸型高效减水剂，减水率27.8%。

各胶材的化学组成见表1。

表1 原材料的化学成分（%）

1.2 混凝土配合比及试验方法

混凝土试验配合比见表2。

表2 混凝土试验配合比

真空脱水混凝土试验方法依据《水工混凝土试验规程》（SL 352-2020）中“真空脱水混凝土试件的成型与养护方法”及“混凝土拌合物真空脱水率试验”进行。混凝土的真空脱水采用上吸法，真空吸垫由透水模板衬垫上覆加聚乙烯塑料密封层组成。透水模板衬垫由耐碱性能优良的高分子聚合物纺织纤维材料和高分子聚合物排水网格复合而成。分子聚合物纺织纤维材料均匀、密布、穿刺略大于水分子直径的微孔，使混凝土中多余的水分在真空作用下能轻易透过微孔进入排水网格，继而排出混凝土模板。混凝土真空吸水机最大真空度0.1 MPa。试验抽吸真空度控制为0.06～0.08 MPa，真空处理时间20min。脱水完毕，混凝土再次振动密实并表面抹光。混凝土试件经标准养护至试验龄期后进行各项性能测试。

2.试验结果与讨论

2.1 混凝土真空脱水工艺参数

2.1.1 真空度控制

混凝土真空脱水时真空度的高低对脱水率及脱水后的挤压密实效果有一定的影响，较高的真空度导致了较大的压力差，脱水率相对较大。混凝土在不同真空度和处理时间下的脱水率见表3。表3的试验结果表明了不同真空度和处理时间与脱水率的关系，即真空度越大，真空脱水处理时间越长，混凝土的脱水率越大。但当真空度达到0.066MPa以后，随着真空脱水处理时间的延长，混凝土的脱水效率明显降低。

表3 混凝土在不同真空度和处理时间下的脱水率(%)

根据试验和实际应用经验，对于厚度较大的混凝土，需要采用较大真空度。考虑脱水效果和施工效率两方面因素，因此建议混凝土进行真空脱水处理时的最低真空度应不低于表4的数值。

2.1.2 真空脱水时间和脱水有效深度

混凝土真空脱水的有效深度与真空度传递的深度有关，真空度传递深度越大，脱水有效深度就越大。如图1所示装置用于测定真空脱水时混凝土中真空度的传递深度。混凝土内部不同深度处的真空度的测试结果见表5。混凝土中真空度传递深度试验结果表明，真空度最深可传达到30cm处，但所用时间较长，且真空度值也较低低。

图1 真空度传递深度测定装置

表4和表5的结果同时表明，真空脱水工艺下脱水时间宜控制在20min以内，超过20min后，脱水效率大为降低。

表4 真空脱水控制最低真空度建议值

表5 混凝土内部真空度（MPa）

2.2 真空脱水混凝土性能

混凝土真空脱水工艺是利用真空泵产生的压力差，对浇注成型后的新鲜混凝土施加挤压抽吸作用，脱出部分拌合水和气泡，使混凝土密实的一项工艺技术。由于真空脱水排出了新拌混凝土体内的水分和气泡，并得到挤压密实，经脱水处理后的混凝土性能将呈现出多项特点。

2.2.1 塑性结构强度

真空混凝土即混凝土真空脱水处理后，在初凝之前即具有了一定的物理堆积强度，即塑性结构强度。混凝土固体颗粒间毛细水含量降低，毛细孔径减小，空隙弯液面附加压力增大，使颗粒间产生收缩。真空挤压作用也增加了颗粒间的内摩擦力，从而形成了类似固体性质的结构强度。经过真空脱水的混凝土，其塑性结构强度达到了0.2MPa～0.5MPa，满足《滑动模板工程技术规范》(GB50113-2019)中滑动模板提升的强度要求。在这样的强度之下，高5米的混凝土预制构件立即拆模不会发生变形。

2.2.2 抗压强度

真空脱水工艺对混凝土抗压强度及抗冲磨强度性能的影响结果见表6。

表6 真空脱水工艺对混凝土强度性能的影响

表6的试验结果可知，真空脱水工艺提高了混凝土的抗压强度，特别是早期抗压强度提高明显；真空脱水混凝土的抗冲磨强度比非真空混凝土提高了66%，真空脱水工艺显著提升了混凝土的抗冲磨性能。混凝土经真空脱水后形成高致密无缺陷混凝土层是混凝土强度，特别是抗冲磨强度显著提高的原因所在。

2.2.3 耐久性能

采用RCM法分别对真空和非真空混凝土的抗氯离子渗透性能进行了测试，试验结果见图2。图2的测试结果显示，真空脱水混凝土的氯离子扩散系数较非真空混凝土降低了54%，真空脱水工艺显著提升了混凝土的抗氯离子渗透性能。

图2 真空脱水工艺对钢筋混凝¬¬土耐久性能的影响

3.工程应用

根据室内研究成果，在福州港某重力式码头沉箱预制中进行了试验性施工应用。

3.1 施工工艺

混凝土真空脱水设备机具系统由脱水机组、真空模板、连接管和连通器等组成。其中脱水机组和连接管等均为定型产品，真空模板则需根据施工工况决定大小及形式。真空模板在真空脱水过程中的作用主要是在混凝土面形成真空腔，将真空传递进混凝土内部，并使模板内外压力差产生的外荷载挤压新鲜混凝土。真空模板在原滑动模板的外侧设置一个连通器，通过连接管与脱水机组相连，模板内测放置一层透水模板衬垫。

施工前对设备状况、管路是否堵塞、真空模板的密闭性能进行认真检查，保证空载时系统的真空度不低于0.080MPa。混凝土浇注后，检查真空模板四周是否与混凝土紧密服帖，保证开启真空脱水机组后在模板内形成真空腔。

混凝土入仓浇注振捣密实结束后，即可对新鲜混凝土表面进行脱水处理，脱水处理完毕即可提升滑模进行新一层混凝土浇注振捣施工，从而加快施工进度。

混凝土滑模施工真空脱水主要工艺流程如下：

真空脱水设备机具系统准备——混凝土入仓浇注——振捣密实——真空脱水——提升施工滑模——混凝土入仓浇注——振捣密实——真空脱水。

3.2 施工效果

3.2.1 表观效果

真空脱水施工工艺与非真空脱水施工工艺下的混凝土表观性能效果对比见图3。真空脱水施工工艺使混凝土表层均匀脱水，混凝土表层干硬且致密，有效克服了混凝土表面蜂窝、麻面、气孔、砂线以及表面塑性裂缝等缺陷。

图3 使用真空脱水工艺后混凝土的表观效果

3.2.2 表层回弹强度

对混凝土进行28d表层回弹强度现场检测，采用真空脱水工艺的混凝土表层回弹强度为61.1～70.5 MPa，而采用标准工艺的混凝土其表层回弹强度为47.6～55.9 MPa，真空脱水工艺显著增加了混凝土的表层强度。这是因为经真空脱水后，由混凝土表面向内部水胶比逐渐变化，表面最低，距离表面越远越接近初始水胶比。因此，在混凝土有效脱水范围内，混凝土的强度也随着深度而不同，尤其是表层混凝土的水胶比可以下降很多，形成高致密无缺陷混凝土层。

4.结语

（1）考虑脱水效果和施工效率两方面因素，真空脱水工艺的真空度宜控制为0.06～0.08MPa，真空脱水时间不超过20min。

（2）混凝土经过真空脱水后具有0.2～0.5MPa的塑性结构强度，混凝土的抗压强度提高，特别是早期抗压强度提高明显；真空脱水混凝土的抗冲磨强度和抗氯离子渗透性能显著提升。

（3）真空脱水工艺使混凝土表层致密，有效地改善了混凝土表观光洁度和质量，避免了混凝土的塑性开裂。真空脱水工艺是提高混凝土强度和耐久性能以及表观质量的一种有效技术措施，可在港工混凝土中进一步推广应用。