真空脱水工艺对干硬性混凝土性能影响的研究

杨 森，闫 涛，龚 英

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610000）

0 前 言

为满足混凝土施工性需增加用水量，一般高于水泥水化所需用水量的2～3倍。然而，较高的用水量使硬化后混凝土存在较多的空隙，降低混凝土强度。针对施工性与强度对需求用水量的矛盾，人们尝试采用先进的真空脱水工艺，降低混凝土水灰比、提高密实度，从而改善混凝土力学和耐久性。

真空脱水工艺概念最早提出于20世纪40年代，该工艺原理是在刚浇筑振捣的混凝土表面上铺设真空脱水垫，利用真空泵产生合理的负压所引起的“挤压力、毛细管微管挤压力、气泡膨胀挤压力”使混凝土内部压力差的改变，将混凝土中多余的游离水分、带入气体和引入气体挤压出去，降低了混凝土水灰比，提高密实度。在我国真空脱水工艺已应用于路面、机场和预制件的施工。

董恒瑞等［1］研究真空脱水对混凝土地坪强度的影响，真空脱水工艺可增加混凝土（w/c=0.63）的强度，且脱水程度越大强度越高。丁林等［2］研究了真空脱水工艺对混凝土力学性能的改善，真空脱水后混凝土面层立即具有0.1～0.2 MPa的强度，相当传统工艺2～4 h的强度，说明真空脱水可加快施工速度；成型的混凝土试块，其中60%高于设计强度的5%，40%高于设计强度的10%，真空脱水工艺可提升混凝土的早期和后期强度。欧阳幼玲等［3］研究表明真空脱水工艺可改善混凝土的抗冲磨性能，C50混凝土可达非真空脱水C70混凝土的抗冲磨性能。张燕迟等［4-5］认为真空脱水工艺可改善混凝土抗裂性能，降低混凝土开裂风险。目前研究大多以大水胶比（w/c>0.5）混凝土为研究对象，而对于小水胶比（w/c＜0.45）干硬性混凝土却鲜有研究。

面对某工程高原高寒地区高频冻融的恶劣条件，真空脱水工艺能否对这类小水胶比、干硬性混凝土进行有效脱水、改善其混凝土表面质量，值得进一步研究。

1 试验研究

1.1 原材料

水泥：采用PO42.5低碱水泥，比表面积为325 m2/kg，28 d抗折强度8.1 MPa。

细骨料：机制砂，细度模数为3.0，属中砂。

粗骨料：分为河滩料碎卵石（黄石，以下简称H）和花岗质初糜棱岩碎石（青石，以下简称Q）两种。这两种粗骨料都分为3种粒径：小石5～10 mm、中石10～20 mm和大石16～31.5 mm。由于黄石或青石的生产能力都不能满足现场应用需求，需要将两种石子进行混掺。青石与黄石的试验比例分别为10∶0、8∶2、6∶4、2∶8、4∶6、0∶10。5种粗骨料比例的级配曲线见图1，均符合《民用机场水泥混凝土面层施工技术规范》（MH 5006-2015）［6］的粗骨料上下限要求。

图1 粗骨料合成级配曲线

外加剂：高效减水剂和引气剂。

1.2 真空脱水设备

真空吸水机由水箱、真空表、电机、轮胎、机架、罩壳和真空箱等组成。

室内试验真空吸水垫的尺寸1 m×1 m，现场施工真空吸水垫4.5 m×4 m。

1.3 试验方法

对比真空脱水与非真空脱水，测试其混凝土抗压强度、抗折强度及表面抗盐冻性，考察真空脱水工艺对混凝土表面质量的改善效果。

抗压强度试件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，成型及标准养护参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB 50081-2019）［7］规定的试验方法执行。试验对比了真空脱水和未真空脱水的混凝土7 d、28 d抗压强度。

抗折强度试件150 mm×150 mm×550 mm，成型及标准养护参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB 50081-2019）规定的试验方法执行。试验对比了真空脱水和未真空脱水的混凝土7 d、28 d抗折强度。

取抗压强度试件保留成型面、沿浇筑高度方向切割成150 mm×150 mm×120 mm作为表面抗盐冻试件。试验对比了真空脱水和未真空脱水的混凝土28 d表面抗盐冻性。表面抗盐冻性试验方法参照《民用机场水泥混凝土面层施工技术规范》（MH 5006-2015）相关规定执行。

2 试验结果和分析

2.1 试验配合比

干硬性混凝土试验配合比见表1。混凝土含气量4.5%，维勃稠度4 s。

表1 混凝土试验配合比

对于混凝土抗压强度试件，真空度0.03～0.04 MPa、真空脱水时间3 min；对于混凝土抗折强度试件，真空度0.03～0.04 MPa、真空脱水时间4.5 min。这样真空脱水处理后，表面失去塑性变硬但不干裂。可见，针对这类水胶比小于0.50的干硬性混凝土，真空脱水可实现表面脱水效果。

2.2 干硬性混凝土抗压强度

真空脱水对干硬性混凝土抗压强度的影响见图2。与非真空脱水相比，真空脱水混凝土7 d、28 d抗压强度提高了2.7%、2.5%，其强度增幅明显小于文献中大水胶比（≥0.50）混凝土强度提高20%以上［8］。这可能与两种混凝土的表面真空脱水深浅程度不同有关：小水胶比混凝土表面脱水深度较浅（1～2 cm），而大水胶比混凝土表面脱水深度较深（可达10 cm）。试验结果表明，对于这类小水胶比、干硬性混凝土，即使其表面真空脱水深度较浅，但依然提高了混凝土抗压强度。

图2 真空脱水对干硬性混凝土抗压强度的影响

另外，随着黄石比例的增加，干硬性混凝土抗压强度呈降低趋势，这可能与黄石本身压碎值较青石的低有关。

2.3 干硬性混凝土抗折强度

真空脱水对干硬性混凝土抗折强度的影响详见图3。与非真空脱水相比，真空脱水后7 d抗折强度略有增加，28 d抗折强度增加了6%～8%。这与上述真空脱水对混凝土抗压强度的影响规律较一致。说明与大水胶比混凝土一样，真空脱水对小水胶比混凝土力学性能具有改善效果，不同的是后者表面脱水深度较浅、力学性能改善幅度较小。

图3 真空脱水对干硬性混凝土抗折强度的影响

随着黄石比例增加，混凝土抗折强度整体呈现降低趋势。这是因为黄石本身压碎值较低，在混凝土折断过程中黄石本身容易折断，从而影响了混凝土抗折强度。试验结果表明，为满足抗折强度设计要求5.0 MPa，黄石掺量不宜大于60%。

2.4 干硬性混凝土表面抗盐冻性

真空脱水对混凝土表面抗盐冻性的影响见图4。由图可知，随着冻融循环次数增加，混凝土表面剥落质量逐渐增加，并且非真空脱水的混凝土表面剥落质量明显大于真空脱水的。30次冻融循环后，非真空脱水的混凝土表面剥落质量累计108 g/m2、真空脱水的57 g/m2，可见真空脱水工艺降低了混凝土表面剥落质量48%。真空脱水明显改善了混凝土表面抗盐冻性、使混凝土表面更加致密。

图4 真空脱水对干硬性混凝土表面抗盐冻性的影响

从混凝土表面剥落质量随冻融循环次数的发展曲线来看，非真空脱水混凝土后期20～30次冻融循环与前面20次相比，后期表面剥落质量曲线呈陡增态势，而真空脱水混凝土没有出现该陡增点。随着冻融次数的增加，非真空脱水的混凝土表面冻融破坏程度会更严重，而真空脱水后混凝土由于表面更致密会减轻这种快速破坏。说明采取真空脱水工艺是利于混凝土表面长期抗冻性的。

3 试验小结

针对这类小水胶比、干硬性混凝土，真空脱水工艺依然可有效脱水、改善混凝土表面质量，尤其是表面抗冻性。基于本试验研究，可以得到以下几点认识：

（1）与大水胶比混凝土一样，真空脱水对小水胶比、干硬性混凝土同样有效，不同的是后者表面脱水深度较浅、力学性能改善幅度较小：28 d抗折强度提高6%，抗压强度提高2.5%。

（2）与非真空脱水相比，真空脱水混凝土表面具有优异的长期抗冻性：30次冻融循环后表面剥落质量降低了48%；真空脱水混凝土表面更致密，冻融后期没有出现像非真空脱水混凝土表面的快速冻融破坏。

4 结 论

本试验研究表明：真空脱水工艺同样适用于小水胶比的干硬性混凝土，可有效改善混凝土表面质量。在高原高寒地区高频冻融的恶劣施工条件下，真空脱水工艺是保证混凝土表面质量的有效措施，值得进一步推广应用。