輕細骨料內養護混凝土抗凍融和抗鹽凍性能

魏 亞，向亞平

（1.清華大學 土木工程系，北京 100084；2.清華大學 土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，北京 100084）

高性能混凝土采用低水膠比、高效減水劑和各種礦物外加劑，其早期自收縮明顯，易引起混凝土開裂，并且傳統的養護方法很難達到良好的養護效果［1］.為此，國內外學者采用摻入飽水輕骨料來減少混凝土自收縮［2－4］，但關于其對混凝土抗凍融和抗鹽凍性能的影響有不同觀點.Cusson等［5－6］認為輕細骨料內養護混凝土在抗凍融或抗鹽凍方面要優于普通混凝土.Pospichala等［7－8］認為輕骨料內養護混凝土抗凍性能比普通混凝土略差，且輕骨料預濕程度越高，混凝土抗凍性能越差.鄭秀華等［9］認為在輕骨料預濕程度較低時輕骨料混凝土抗凍性能要優于普通混凝土，但在預濕程度較高時則相反.綜上，目前國內外對輕骨料尤其是輕細骨料內養護混凝土抗凍融和抗鹽凍性能缺乏系統的研究，限制了輕細骨料的應用.本研究分別采用粉煤灰陶砂和頁巖陶砂2種輕細骨料作為內養護材料，在保證混凝土不產生自收縮的情況下研究不同水灰比、是否引氣以及輕細骨料種類對混凝土抗凍融和抗鹽凍性能的影響.

1 試驗

1.1 原材料及混凝土配合比

水泥（C）采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3 150kg／m3，比表面積為350m2／kg；粗集料（A）采用石灰石碎石，表觀密度為2 650kg／m3，吸水率為1.2%（質量分數，下同），粒徑為5～25mm 連續級配；細集料（NS）采用河砂，表觀密度為2 650kg／m3，吸水率1.5%，細度模數2.60；采用2種輕細骨料（LWFA）做為內養護材料：粉煤灰陶砂（F）和頁巖陶砂（S），其級配曲線如圖1所示，相關性能如表1所示；所用外加劑為聚羧酸減水劑（WRA）和引氣劑（AEA）；拌和水（W）為自來水.為達到內養護的目的，輕細骨料需預濕1d，并在拌和前測試其含水率.

圖1 輕細骨料級配曲線Fig.1 Gradation of LWFA

表1 輕細骨料相關性能Table 1 Performances of LWFA

Bentz等［2］建立了內養護飽水輕骨料摻量公式：

式中：MLWA為單方混凝土需要的輕骨料用量，kg／m3；Mf為單方水泥用量，kg／m3；Sch為水泥完全水化產生的化學收縮，64mm3／g；αmax為預期最大水化程度或當mw／mc≥0.36時，αmax＝1）；Sc為輕骨料飽和度（0～1）；φLWA為輕骨料吸水率.

本文根據式（1）設計混凝土配合比，如表2 所示.表2中，試樣編號中的3和4分別代表水灰比為0.3和0.4；O，F，S 分別代表普通混凝土和摻F，S混凝土；A 代表引氣.新拌混凝土的含氣量及28d抗壓強度也列于表2.

1.2 試驗和測試方法

1.2.1 輕細骨料階梯釋水性能測定

表3為測試飽水輕細骨料階梯釋水性能所用的3種鹽溶液在飽和狀態時所對應的相對濕度RH.環境溫度恒定在23℃以確保相對濕度穩定.輕細骨料階梯釋水性能測試具體步驟為：各取2組約50g的飽水F和S在RH＝97.4%環境中放置5d后移入RH＝94.6%環境中放置5d，再移入RH＝85.1%環境中放置5d，最后放入105℃烘箱中烘干至恒重.期間記錄每次移入時輕細骨料的質量，精度為0.001g.

1.2.2 水泥水化程度測定

分別攪拌好水灰比mw／mc為0.3和0.4的水泥凈漿，之后每隔15min攪拌1次至泌水結束，裝模，同時將飽水輕細骨料放入mw／mc為0.3和0.4的水泥凈漿中，養護至規定齡期，然后將硬化漿體敲成小塊，并剝離輕細骨料周圍約1mm 厚的水泥凈漿，放入丙酮中阻止其繼續水化.水化程度試驗采用DTA／TG 分析，試驗前對水泥試塊進行真空干燥.

1.2.3 混凝土內部相對濕度測定

混凝土成型時在其中心處插入帶有切口的PVC管，并使混凝土處于密閉狀態，待混凝土初凝后，先吸干PVC 管中的自由水，然后插入溫濕度傳感器，用密封膠密封，每10min記錄1次數據.試驗所用的濕度傳感器誤差為±3%，使用前先用飽和鹽溶液進行標定.

表2 混凝土配合比，含氣量及28d抗壓強度Table 2 Mix proportion，air content and 28dcompressive strength of concrete

表3 測試輕細骨料階梯釋水性能所用的3種飽和鹽溶液相對濕度（23℃）Table 3 RH of 3kinds of saturated salt solution for step－shaped releasing water performance test for LWFA（23℃）%

1.2.4 混凝土薄片等溫脫附試驗

待混凝土養護到28d 齡期時，用切割機將高200mm，直徑100mm 的混凝土試塊切割成18個2～3mm 厚的薄片，之后進行真空飽水試驗.每組取2個薄片共9組分別放置于表4所示的9種相對濕度的飽和鹽溶液環境中，待其質量達到平衡后，取出放入60℃烘箱中烘干至恒重，期間每隔5d記錄1次混凝土薄片質量，精度為0.001g，得到其飽水度試驗結果.

表4 混凝土薄片等溫脫附試驗所用的9種飽和鹽溶液相對濕度（23℃）Table 4 RH of 9kinds of saturated salt solution for concrete isothermal stripping test（23℃） %

1.2.5 混凝土凍融及鹽凍試驗

凍融試驗參照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中的“水泥混凝土抗凍性試驗方法（快凍法）”進行，試件為100 mm×100mm×400mm 的棱柱體.鹽凍試驗采用楊全兵等［10］提出的方法.鹽凍混凝土短柱試件高75mm，直徑244mm.試件標準養護28d后取出，待試件表面干燥后，在試件側面涂抹環氧樹脂，將試件放入鹽凍試驗機內進行混凝土鹽凍試驗.鹽凍試驗介質采用質量分數為4%的NaCl溶液.混凝土成型面為吸水面，水面高出成型面約5 mm.凍融過程在（－20±2）℃下凍3h，在（20±5）℃空氣中融3h，冷凍速率約為0.5℃／min.每5次循環對試件進行1次剝落量測試.經過30次循環，當剝落量小于1.0kg／m2時，認為該試件的抗鹽凍性能合格.剝落量按下式計算：

式中：Cn為經n次凍融循環后試件的單位面積剝落量，kg／m2；mn為經n 次凍融循環后試件的剝落質量，kg；S 為試件的橫截面積，m2.

2 內養護對水泥水化程度和混凝土內部相對濕度的影響

2.1 輕細骨料的釋水性能

輕細骨料在混凝土中能否將其孔中的水釋放出來將直接影響混凝土內養護效果.釋水性能好的輕細骨料可以明顯減少其用量，同時提高混凝土的力學性能.圖2為2種輕細骨料在不同相對濕度下的飽水度.由圖2可知，飽水F和S在RH＝85.1%時幾乎能釋放出100%的水；在RH＝94.6%時也能分別釋放出約70%和80%的水，說明F和S釋水性能非常好，適宜做內養護材料.研究［11］表明，由于自干燥引起的混凝土內部相對濕度降低到75.5%之后就不再降低，因此輕細骨料釋水性能測試時最低環境相對濕度為75.5%.

圖2 F和S在不同相對濕度下的飽水度Fig.2 Degree of saturation of F and S at different RH

2.2 混凝土內養護效率與輕細骨料釋水距離的關系

在混凝土中飽水輕細骨料能對周圍區域水泥漿體進行內養護，此區域為凈漿養護區.輕細骨料在混凝土中的釋水距離r將直接關系到混凝土內養護效率Eic，Eic即單位體積混凝土中凈漿養護區體積Vic與整個水泥漿體的體積Vp之比，用表示.當級配相同時，輕細骨料釋水距離越大，混凝土內養護效率就越高.Lura［12］采用墨水顯色方法測得輕細骨料釋水距離約為1mm，但是由于墨水分子比水泥漿體中的毛細孔徑要大，因此得出的釋水距離偏小.Henkensiefken等［13］采用X 射線吸收法精確測出輕細骨料（粒徑約為5mm）的釋水距離為1.8mm.

輕細骨料摻量不同時凈漿養護區的體積也不同，Garboczi等［14］基于數學模型［15］把輕細骨料凈漿養護區算入界面過渡區，建立了凈漿養護區體積Vic與輕細骨料釋水距離r的關系：

式中：φLWFA為輕細骨料體積分數；ρ為單位體積輕細骨料個數；c，d，g 分別為輕細骨料粒徑分布函數的系數.

由式（3）結合圖1中的輕細骨料粒徑分布數據，得出不同輕細骨料摻量下混凝土內養護效率Eic與輕細骨料釋水距離r的關系（見圖3）.由圖3可知：當r＝1.8mm 時，試件3F，4F的內養護效率分別為67.7%，75.1%；當r＝0.5mm 時，試件3S，4S的內養護效率分別為93.5%，97.2%.

圖3 混凝土內養護效率與輕細骨料釋水距離的關系Fig.3 Relationship between internal curing efficiency（Eic）and water release distance（r）

2.3 輕細骨料對水泥水化程度的影響

混凝土中輕細骨料引入的內養護水在水泥水化過程中會釋放出來，可以提高其周圍水泥的水化程度，但對于不同水灰比的混凝土，輕細骨料對周圍水泥水化程度的影響不同.圖4為摻F 水泥漿體與普通水泥漿體的水化程度.由圖4可知：水灰比為0.3時，輕細骨料水泥漿體各齡期水化程度較普通水泥漿體提高得較多，這對混凝土抗壓強度具有一定的正面效果（見表2）；但當水灰比為0.4時，輕細骨料水泥漿體水化程度較普通水泥漿體提高得較少，這對混凝土抗壓強度的提高作用有限，當輕細骨料本身筒壓強度較低時混凝土總的抗壓強度甚至會有所下降（見表2）.

圖4 摻F水泥漿體與普通水泥漿體的水化程度Fig.4 Degree of hydration of cement pastes with and without F

2.4 輕細骨料對混凝土飽水度的影響

圖5 混凝土內部相對濕度和28d飽水度Fig.5 Internal relative humidity and 28ddegree of saturation of concrete

混凝土內部相對濕度隨齡期的變化和28d飽水度結果見圖5.由圖5（a）可知，輕細骨料內養護混凝土的28d內部相對濕度仍保持在97%左右，明顯高于普通混凝土，這說明飽水F 和S對混凝土的內養護效果顯著.混凝土中的飽水輕細骨料能釋放出其內部儲存的水以供水泥繼續水化，并明顯提高混凝土內部相對濕度.對于普通混凝土，由于缺少內養護，其內部相對濕度一直下降，且水灰比越低，相同齡期下普通混凝土內部相對濕度越低.試件3O，3F，3S，4O，4F 和4S 的28d飽水度分別為64%，80%，83%，68%，84%和88%，見圖5（b）.由圖5（b）可知，同等條件下水灰比為0.4的混凝土內部飽水度要高于水灰比為0.3的混凝土.

3 混凝土抗凍融和抗鹽凍性能

3.1 混凝土抗凍融性能

混凝土抗凍融試驗結果見圖6，7.由圖6可知，在非引氣情況下，當水灰比為0.3時，經200次凍融循環后輕細骨料內養護混凝土28d抗凍融性能要稍差于普通混凝土，但其相對動彈性模量仍在70%以上.由圖7（a）可知：當水灰比為0.4 時，試件4F和4S僅經25次凍融循環后就發生斷裂，這是因為其28 d 飽水度較高，分別為84%和88%（見圖5（b）），十分接近混凝土臨界飽水度90%［16］，并且混凝土在凍融過程中毛細孔會繼續吸水，經初始幾次凍融循環后混凝土飽水度會大于其臨界飽水度，當混凝土繼續凍融循環時會導致其內部水結晶壓過大，產生凍融破壞；普通混凝土試件4O 的28d內部相對濕度值較低，導致其飽水度要明顯低于臨界飽水度，所以經200次凍融循環后試件4O 基本完好.由圖7（b）可知，向水灰比為0.4的輕細骨料內養護混凝土中引入適量氣體后，其28d抗凍融性能明顯提高，這說明引氣是提高混凝土抗凍融性能的最佳方法.此外，由圖6，7還可知，在同等條件下，摻F內養護混凝土28d抗凍融性能要稍優于摻S內養護混凝土，原因是摻F內養護混凝土28d飽水度要比摻S內養護混凝土的28d飽水度低，并且F本身筒壓強度要高于S.

圖6 輕細骨料對水灰比0.3混凝土28d抗凍融性能的影響Fig.6 Influence of lightweight fine aggregate on 28d freeze－thaw resistance of concrete（mw／mc＝0.3）

3.2 混凝土抗鹽凍性能

混凝土抗鹽凍試驗結果見圖8，9.由圖8可知，當水灰比為0.3時，無論是否引氣，經30次凍融循環后，輕細骨料內養護混凝土的單位面積剝落量與普通混凝土差不多.這是因為輕細骨料內養護混凝土28d抗壓強度稍高于普通混凝土（見表2）.當水灰比為0.3時，由于輕細骨料內養護混凝土中內養護水明顯提高了混凝土內部水泥水化程度，因此輕細骨料對混凝土抗壓強度的正面影響超過了其本身筒壓強度低于混凝土抗壓強度帶來的不利影響.

圖7 輕細骨料及引氣劑對水灰比0.4混凝土28d抗凍融性能的影響Fig.7 Influence of lightweight fine aggregate and air－entrainment on 28dfreeze－thaw resistance of concrete（mw／mc＝0.4）

圖8 輕細骨料及引氣劑對水灰比0.3混凝土28d抗鹽凍性能的影響Fig.8 Influence of lightweight fine aggregate and air－entrainment on 28dsalt－scaling resistance of concrete（mw／mc＝0.3）

圖9 輕細骨料及引氣劑對水灰比0.4混凝土28d抗鹽凍性能的影響Fig.9 Influence of lightweight fine aggregate and air－entrainment on 28dsalt－scaling resistance of concrete（mw／mc＝0.4）

由圖9可知：當水灰比為0.4時，在未引氣情況下，由于輕細骨料內養護混凝土28d抗壓強度要低于普通混凝土（見表2），同時輕細骨料本身筒壓強度要明顯低于普通骨料，因此經30次凍融循環后其單位面積剝落量要大于普通混凝土；在引氣情況下，輕細骨料內養護混凝土28d抗鹽凍性能有了較大提高.這是由于引氣后混凝土內部產生了大量微小而均勻的氣泡，這些氣泡在正常情況下不易被水充滿，使混凝土的飽水度明顯降低.同時這些氣泡能及時吸納受凍區的過冷水，緩解鹽溶液產生的結冰壓，從而明顯改善混凝土的抗鹽凍性能［13］，而且當輕細骨料本身筒壓強度遠低于普通骨料時這種作用更加明顯.此外，由圖8，9還可知，降低混凝土水灰比可明顯降低鹽凍剝落量，這與文獻［17－18］的結論一致.

4 結論

（1）輕細骨料內養護能顯著提高混凝土中水泥水化程度及其內部相對濕度，且水灰比較低時混凝土內養護效果更明顯.

（2）當水灰比為0.4時，由于輕細骨料內養護混凝土28d飽水度明顯大于普通混凝土，因此輕細骨料內養護混凝土28d抗凍融和抗鹽凍性能要明顯劣于普通混凝土.適量引氣可明顯提高混凝土的抗凍融和抗鹽凍性能.

（3）當水灰比為0.3時，輕細骨料內養護混凝土28d抗凍融和抗鹽凍性能較好，無需引氣.

（4）同等條件下，輕細骨料本身筒壓強度越高，對應混凝土的抗凍融和抗鹽凍性能越好.

［1］楊全兵.水中養護兩年高性能混凝土的自干燥問題研究［J］.建筑材料學報，1998，1（3）：215－222.YANG Quanbing.Study on the self－desiccation of high performance concrete stored in water for two years［J］.Journal of Building Materials，1998，1（3）：215－222.（in Chinese）

［2］BENTZ D P，LURA P，ROBERTS J.Mixture proportioning for internal curing［J］.Concrete International，2005，27（2）：35－40.

［3］JOSEPH G，RAMAMURTHY K.Autogenous curing of coldbonded fly－ash－aggregate concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2011，23（4）：393－401.

［4］李北星，查進，李進輝，等.飽水輕集料內養護對高性能混凝土收縮的影響［J］.武漢理工大學學報，2008，30（5）：24－27.LI Beixing，ZHA Jin，LI Jinhui，et al.Effect of internal curing caused by saturated lightweight aggregate on shrinkage of high performance concrete［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2008，30（5）：24－27.（in Chinese）

［5］CUSSON D，MARGESON J.Development of low－shrinkage high－performance concrete with improved durability［C］∥Proceeding of the 6th International Conference on Concrete under Severe Conditions：Environment and Loading（CONSEC'10）.Netherlands：CRC Press，2010：869－878.

［6］UGUR KOCKAL N，OZTURAN T.Durability of lightweight concretes with lightweight fly ash aggregates［J］.Construction and Building Materials，2011，25（3）：1430－1438.

［7］POSPICHALA O，KUCHARCZYKOVáB，MISáK P，et al.Freeze－thaw resistance of concrete with porous aggregate［J］.Procedia Engineering，2010，2（1）：521－529.

［8］毛繼澤，齊輝，鲇田耕一.輕骨料含水率對混凝土吸水性及抗凍性的影響［J］.建筑材料學報，2009，12（4）：473－477.MAO Jize，QI Hui，AYUTA K.Effects of water content in lightweight aggregate on water－absorbing property and freezethaw resistance of concrete［J］.Journal of Building Materials，2009，12（4）：473－477.（in Chinese）

［9］鄭秀華，張寶生.頁巖陶粒預濕處理對輕集料混凝土的強度和抗凍性的影響［J］.硅酸鹽學報，2005，33（6）：758－762.ZHENG Xiuhua，ZHANG Baosheng.Effect of pre－wetted shale ceramisite on strength and frost－resistance of lightweight aggregate concrete［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2005，33（6）：758－762.（in Chinese）

［10］楊全兵，傅智，羅翥.水泥混凝土路面鹽凍剝蝕破壞試驗參數和評價指標的研究［J］.公路交通科技，2006（1）：31－33.YANG Quanbing，FU Zhi，LUO Zhu.Study on parameters and evaluation index of concrete frost－scaling destroy test［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2006（1）：31－33.（in Chinese）

［11］PAILLERE A M，BUIL M，SERRANO J J.Effect of fiber addition on the autogenous shrinkage of silica fume concrete［J］.ACI Materials Journal，1989，86（2）：139－144.

［12］LURA P.Autogenous deformation and internal curing of concrete［D］.Delft：Delft University of Technology，2003.

［13］HENKENSIEFKEN R，NANTUNG T，WEISS J.Saturated lightweight aggregate for internal curing in low w／c mixtures：Monitoring water movement using X－ray absorption［J］.Strain，2011，47（S1）：e432－e441.

［14］GARBOCZI E J，BENTZ D P.Analytical formulas for interfacial transition zone properties［J］.Advanced Cement Based Materials，1997，6（3／4）：99－108.

［15］LU B L，TORQUATO S.Nearest－surface distribution－functions for polydispersed particle－systems［J］.Physical Review A：Atomic，Molecular，and Optical Physics，1992，45（8）：5530－5544.

［16］FAGERLUND G.Significance of critical degrees of saturation at freezing of porous and brittle materials［C］∥Durability of Concrete：ACI Symposium Sessions.Detroit：American Concrete Institute，1975，47：13－65.

［17］JOZWIAK－NIEDZWIEDZKA D.Scaling resistance of high performance concretes containing a small portion of pre－wetted lightweight fine aggregate［J］.Cement and Concrete Composites，2005，27（6）：709－715.

［18］PENTTALA V.Surface and internal deterioration of concrete due to saline and non－saline freeze－thaw loads［J］.Cement and Concrete Research，2006，36（5）：921－928.