刘光严 ，穆松 ，蔡景顺 ，马麒 ，周莹 ，郭政

（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 211103）

0 引言

随着我国西部大开发战略的实施， 西部铁路与公路建设将进入新一轮建设高潮。 我国西部山区众多，在山区的铁路和公路建设中，高地热现象在特长隧道中普遍存在。 高温环境下混凝土强度发展会受到影响， 对隧道结构的安全性和耐久性造成极大威胁， 严重者还可能会破坏隧道的正常运营环境。 高温条件下同样会造成混凝土水分的散失，水分蒸发导致混凝土内可用水减少，水泥水化受到抑制，同时水分快速蒸发也会导致混凝土产生裂缝，进而影响耐久性能。

混凝土抗侵蚀抑制剂作为一种疏水材料主要通过密实、疏水两方面的作用提升混凝土抗侵蚀能力，应用在混凝土中可以增加混凝土密实度，降低混凝土吸水率[1-3]。考虑抗侵蚀抑制剂的疏水特性，在抑制水及有害离子渗透的同时也能阻止混凝土内部水分的散失，因此考率可以作为保水材料应用于高温环境混凝土中。试验主要研究了内掺型疏水材料对混凝土在高温下保水性能的作用和对混凝土强度发展的影响。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料与配合比

试验中采用喷射混凝土对比不同材料对高温环境下混凝土保水性能的影响， 对比了羟丙基甲基纤维素醚（HPMC）、抗侵蚀抑制剂和纳米二氧化硅的作用效果。 其中羟丙基甲基纤维素醚是一种混凝土常用增稠剂，通过增加混凝土黏度，提升混凝土保水率。 抗侵蚀抑制剂由江苏苏博特新材料股份有限公司生产， 为淡黄色液体，pH 值约为9。本次试验中使用湖北某公司生产硅溶胶作为纳米二氧化硅，主要性能如表1 所示。

表1 硅溶胶性能指标

试验使用海螺公司P·O 42.5 水泥， 水泥比表面积为 357 m2/kg，表观密度为 3 020 kg/m3，28 d 抗压强度为51.2 MPa。矿粉为S95 矿粉，密度为2 970 kg/m3，比表面积为380 m2/kg，烧失量为0.98%。 水泥和矿粉化学组成如表2 所示。 试验中使用的砂为中砂，细度模数为2.6，堆积密度为2 860 kg/m3。 使用的粗集料为玄武岩，粒径范围在5～16 mm，表观密度2 860 kg/m3，孔隙率47%，泥块含量0.3%。

表2 水泥矿粉化学组成 %

混凝土配合比如表3 所示。 其中CR 为对照组；CZ 为使用羟丙基甲基纤维素醚作为保水材料；CQ 和CG 分别为掺入侵蚀抑制剂和纳米二氧化硅作为保水材料。本次试验中使用的减水剂为高性能聚羧酸减水剂，固含量为10%，速凝剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的SBT－N 液体无碱速凝剂。

表3 混凝土试验配合比 kg/m3

1.2 试验方法

混凝土成型时，先将混凝土粉料和骨料混合均匀，然后加入水、减水剂和保水材料。 搅拌2 min后，将混凝土从搅拌锅中倒出，加入速凝剂并立即人工拌和，随后将混凝土装入模具中。 成型过程中保证加入速凝剂后3 min 内完成混凝土成型，防止混凝土快速凝结影响混凝土试件的质量。每组混凝土成型水分蒸发测试试件、抗压强度试件和粘结强度试件，其中每组试件成型完成后分别进行标准养护和50 ℃热养护，直至规定龄期并进行测试。进行水分蒸发测试步骤如下所示：

（1）水分蒸发采用 100 mm×100 mm×100 mm 试件进行；

（2）混凝土成型完成后测试试件初始质量，并连同模具放入烘箱中（50 ℃）；

（3）分别在成型后不同时间测试混凝土质量；

（4）混凝土在50 ℃养护24 h 后拆除模具，继续将试件放入烘箱中。

2 结果及分析

2.1 失水率测试结果

测试混凝土在浇筑24 h 后的失水率如图1 所示。由图1 可知，对于不同组的混凝土，其失水率变化趋势保持一致，即在前15 h 内，混凝土失水质量快速增加，在15 h 后，混凝土的失水率缓慢增加，基本保持稳定。 对比可以发现，在掺入不同保水材料后混凝土的失水率显著低于基准组。 24 h 后空白组混凝土失水率为1.71%，在掺入增稠剂、疏水材料以及硅溶胶后混凝土的失水率分别降低至1.61%、1.53%和1.44%， 相对于空白组分别增加了5.8%、10.5%和15.8%，其中使用硅溶胶后混凝土失水质量降低最为明显。

图1 混凝土50 ℃条件下的失水率

图2 为单位时间内混凝土平均失水质量，在掺入不同保水材料后，混凝土失水质量的峰值有所降低，说明保水材料抑制了水分的蒸发。 同时对于使用羟丙基甲基纤维素醚和疏水材料的混凝土，其失水质量达到最大值的时间相对于空白组有所延迟，这表明使用这两种材料可以改变混凝土的水分传输过程，延缓水分的传输，而在使用硅溶胶之后，水分蒸发峰值出现的时间并未改变，表明使用纳米二氧化硅只是单纯增加混凝土密实度，从而延缓水分蒸发速率，并未改变水分传输的行为。

图2 混凝土50 ℃条件下单位时间失水质量

2.2 混凝土抗压强度

对不同养护方式条件下的混凝土进行抗压强度测试，测试结果如图3 所示。 在使用不同种类保水剂后，对混凝土1 d 强度并无显著影响。但在使用硅溶胶之后混凝土强度有所增加， 在1 d 龄期时其抗压强度达到16.1 MPa， 相对于基准组提升了20%。这是由于硅溶胶作为一种纳米材料，掺入混凝土中能作为成核点加速水泥水化和CSH 凝胶结构的形成，同时掺入纳米二氧化硅后能增加混凝土密实度，从而强度提升。 对于混凝土7 d 和28 d 强度，空白组强度分别为35.6 MPa 和40.5 MPa。 但在使用羟丙基甲基纤维素醚后，混凝土强度反而降低为31.3 MPa 和35.5 MPa， 造成强度降低的原因一是当砂浆中加入羟丙基甲基纤维素醚后，增加了砂浆孔隙中的柔性聚合物，这些柔性聚合物和孔隙在试块受压时，起不到刚性支撑作用，相对弱化了复合基体，从而使砂浆的抗压强度下降；二是由于羟丙基甲基纤维素醚的保水作用，使砂浆试块成型后，水分仍大部分保留在砂浆中， 实际的水灰比要比不掺者大许多，所以砂浆抗压强度会明显降低[4]。 对于使用侵蚀抑制剂的混凝土， 其7 d 和28 d 强度分别为34.5 MPa和39.6 MPa，与空白组相近，表明使用抗侵蚀抑制剂在标准养护条件下对混凝土强度并没有负面作用。 但在使用硅溶胶后，混凝土7 d 和28 d 强度相对于空白组分别增加了11.6%和9.1%。

图3 混凝土不同养护方式条件下的抗压强度

混凝土在50 ℃热养护条件下的抗压强度变化如图3（b）所示，对比可以发现，在热养护条件下混凝土1 d 龄期抗压强度显著大于同配合比标准养护试件强度，这是由于高温条件下，水泥水化速率增加，从而强度发展迅速。对于1 d 龄期，四组混凝土抗压强度分别为 24.0 MPa、24.1 MPa、24.6 MPa和26.1 MPa。 使用羟丙基甲基纤维素醚和抗侵蚀抑制剂混凝土强度与空白组相接近，这也与标准养护条件下混凝土强度发展规律相一致。但对于使用硅溶胶的混凝土， 其强度仅仅增加了2.1 MPa，这是由于高温下水泥水化作用加快，纳米二氧化硅的成核效应作用减弱，从而导致混凝土强度增加不明显。 7 d 龄期时，使用保水材料后混凝土抗压强度均大于空白组。 对于使用羟丙基甲基纤维素醚、抗侵蚀抑制剂和硅溶胶的混凝土，抗压强度分别增加了8.1%、23.2%和15.4%。对于使用保水材料的混凝土，混凝土水分蒸发量降低， 可参与水化的水量增加，水泥水化程度加深，从而混凝土强度增加。 强度增加结果与失水率测试结果相一致。 28 d 龄期时，四组混凝土抗压强度分别为27.1 MPa、29.3 MPa、32.4 MPa 和31.1 MPa，随着龄期的增加，混凝土内水分不断散失，在7 d 龄期后混凝土内几乎无水分可用于水泥的水化， 从而导致混凝土强度基本保持不变。

考虑到在高温条件下混凝土的强度倒缩现象，对比了不同组混凝土在1 d、7 d 和28 d 龄期时热养护与标准养护抗压强度比，如图4 所示。 可以发现，在1 d 龄期时，由于高温加速水泥水化，混凝土抗压强度比均大于1， 各组混凝土抗压强度比在1.6～1.9。 对比 7 d 龄期和 28 d 龄期时的抗压强度比可以发现，使用抗侵蚀抑制剂后混凝土抗压强度比最大，分别为0.87 和0.82。 表明在使用抗侵蚀抑制剂后，能促进混凝土在高温下的强度发展，较好地减弱高温对混凝土强度发展的影响。对于使用纳米二氧化硅的混凝土， 其在7 d 龄期和28 d 龄期时的抗压强度比分别为0.71 和0.70， 略大于基准混凝土。表明通过使用纳米二氧化硅对混凝土保水效果和强度的改善，更多是通过纳米材料自身的密实作用和促进水化作用，降低混凝土孔隙率，从而降低水分蒸发量、提升抗压强度。

图4 混凝土不同养护方式下抗压强度比

2.3 混凝土粘结强度

对混凝土粘结强度进行了测试，测试结果如图5 所示。标准养护条件下，使用不同种类保水材料，对混凝土粘结强度均有不同程度的提升。在1 d 龄期时， 基准、CZ、CQ 和 CG 各组混凝土粘结强度为0.66 MPa、0.70 MPa、0.77 MPa 和 0.85 MPa，在使用硅溶胶之后，混凝土粘结强度提升最为明显。 在7 d和28 d 龄期时， 使用抗侵蚀抑制剂对混凝土粘结强度提升作用最为明显， 混凝土7 d 和28 d 粘结强度分别为1.99 MPa 和2.68 MPa， 相对于基准组分别提升了53.1%和65.6%。 在此龄期内，使用硅溶胶提升效果次之，使用羟丙基甲基纤维素醚的提升效果最不明显。

图5 混凝土不同养护方式条件下的粘结强度

对于50 ℃热养护条件下的混凝土试件， 由于高温下水泥水化加速，在1 d 龄期时，混凝土粘结强度显著提升，在相同条件下，使用不同保水材料后混凝土粘结强度分别提升了12.9%、38.8%和9.3%。 同时可以发现，在使用保水材料后，高温下水分蒸发量减少，内部水泥水化可用水较多，混凝土力学性能增加。 因此高温下水泥水化加速在7 d龄期时， 混凝土粘结强度相对于1 d 强度显著增加。而基准组的粘结强度在1 d 龄期后变化并不明显。 在 7 d 龄期时，CZ、CQ 和 CG 各组混凝土粘结强度为 1.95 MPa、2.07 MPa 和 1.54 MPa， 硅溶胶仅仅增加混凝土密实度，对于混凝土粘结强度增加不显著，而使用羟丙基甲基纤维素醚和抗侵蚀抑制剂后粘结强度增加明显。在28 d 龄期时，不同组混凝土粘结强度相对于7 d 粘结强度变化并不显著，这是由于高温下水泥水化加速，因此强度在7 d 龄期后不再发生显著变化。在28 d 龄期时，无论是在常温还是在高温下，均是使用抗侵蚀抑制剂对混凝土粘结强度提升效果最为显著。

3 结论

试验对比了不同保水材料对混凝土保水特征的影响，同时针对使用环境，对比了混凝土抗压强度和粘结强度在标准养护和50 ℃养护条件下的性能变化，根据试验结果，得到以下结论：

（1）使用羟丙基甲基纤维素醚和抗侵蚀抑制剂可改变混凝土的水分传输过程， 延缓水分的传输，而在使用硅溶胶之后只是单纯增加混凝土密实度，从而延缓水分蒸发速率， 并未改变水分传输的行为。 在掺入甲基纤维素醚、抗侵蚀抑制剂以及纳米二氧化硅后混凝土的失水率相对于空白组分别增加了5.8%、10.5%和15.8%。

（2）常温下使用侵蚀抑制剂在标准养护条件下对混凝土强度并没有负面作用。 高温下使用保水材料的混凝土，混凝土水分蒸发量降低，可参与水化的水量增加，水泥水化程度加深，混凝土强度增加。使用抗侵蚀抑制剂后，混凝土热养护下抗压强度为32.4 MPa，相对于基准组增加了19.9%。

（3）侵蚀抑制剂对混凝土粘结强度提升作用最为明显。 使用侵蚀抑制剂混凝土7 d 和28 d 粘结强度分别为1.99 MPa 和2.68 MPa， 相当于基准组分别提升了53.1%和65.6%，使用硅溶胶提升效果次之，使用增稠剂的提升效果最不明显。

（4）混凝土抗侵蚀抑制剂作为一种疏水材料，掺入混凝土中后， 能明显降低混凝土在高温下的水分蒸发量，并且提升混凝土的抗压强度和粘结强度。 可以作为保水材料用于高温环境下混凝土结构中，从而提升混凝土的力学性能。