不同養護溫度下混凝土的強度及抗氯離子滲透性試驗研究

張少華，王起才,2，張戎令,2，段 運，祁璐帆

(1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；2.道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，蘭州 730070)

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不同養護溫度下混凝土的強度及抗氯離子滲透性試驗研究

張少華1，王起才1,2，張戎令1,2，段 運1，祁璐帆1

(1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；2.道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，蘭州 730070)

本文主要研究了不同養護溫度下混凝土的強度及抗氯離子滲透性。通過測定出標準養護、3 ℃養護、-3 ℃養護以及變溫(5→-3 ℃)條件下養護混凝土不同齡期的抗壓強度，分析了低、負溫養護下混凝土強度增長規律并與標準養護下混凝土強度進行比對得出：養護溫度是影響混凝土強度的重要因素，前期養護溫度越低，28 d的抗壓強度越低；低、負溫下養護時，混凝土的強度早期增長比標養下慢，后期增長比標養下快；變溫養護下，3 d前強度增長較快，3 d后其強度的增長與-3 ℃養護的混凝土差不多。同時采用直流電量法對這四種養護情況下56 d時混凝土進行了抗氯離子滲透性研究，試驗結果表明：養護溫度越低，混凝土的抗氯離子滲透性越差。

養護溫度； 混凝土； 強度； 滲透性； 水化

1 引 言

混凝土強度和抗氯離子滲透性一直是人們備受關注的問題，強度和抗氯離子滲透性是評判混凝土好壞的重要指標，不少學者一直致力于提高混凝土強度并改善抗氯離子滲透性。我國地域遼闊、氣候差異明顯，境內存在大量的嚴寒鹽漬地區，混凝土的強度和抗滲問題亟待解決，針對不同的環境，提出相應的措施是非常必要的。因此，研究不同溫度下混凝土的強度變化規律及抗氯離子滲透性的影響顯得尤為重要。楊錢榮[1]認為與同強度等級的普通混凝土相比，摻粉煤灰混凝土的28 d滲透系數較高，而90 d滲透系數較低，混凝土引氣后其抗滲性能有較大幅度的提高.；陳立軍等[2]根據Darcy公式和Cantor 方程，研究了混凝土孔徑尺寸對其抗滲性的影響，并提出了測試混凝土抗滲性的改進方法和提高混凝土抗滲性的兩種途徑；過鎮海等[3]通過試驗測定了一些因素對混凝土的變形、裂縫和強度的影響，探討了應力-應變全曲線的形狀與破壞形態的關系，并給出全曲線方程和必要的參數；葉青等[4]研究了膨脹劑UEA摻量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響，并得出摻加膨脹劑是一種提高混凝土抗氯離子滲透能力的有效措施；王繼宗等[5]在國內外早期推定混凝土強度方法的基礎上，提出一種基于人工智能的新的預測辦法，建立了多層前饋神經網絡模型；方永浩等[6]研究了持續單向壓荷載作用對混凝土的水滲透性的影響，并得出混凝土的滲透系數與其抗壓強度存在較好的相關性；Methea等[7]認為，相比于孔隙率，孔徑分布和連通性更是影響混凝土抗滲性能的重中之重；李俊等[8]采用多元回歸分析的方法，建立了再生骨料混凝土強度與水膠比、再生骨料摻量、超細粉煤灰摻量的經驗公式；耿健等[9]采用正交設計方法研究了礦物摻合料、輕集料和聚合物復合使用對混凝土電阻率和抗氯離子滲透性能的影響。以上學者從不同的角度出發，為混凝土的強度及抗滲性能的研究做出了突出的貢獻，然而大部分研究都是基于標樣環境下進行的，對低溫、負溫養護條件下的混凝土目前研究較少。本文以冬季施工為背景，通過研究低溫(3 ℃)、負溫(-3 ℃)以及變溫(5～-3 ℃)養護條件下混凝土的強度以及抗氯離子滲透性的變化規律，并與標養環境中的進行比對，分析了不同養護溫度下混凝土的強度及抗氯離子滲透性的規律，為冬季施工提供了便利。

2 試 驗

2.1 試驗原材料及儀器

試驗中采用的水泥是P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，由蘭州甘草水泥集團生產。水泥各項性能指標實測值見表1。粗骨料采用連續級配的碎石，粒徑范圍5～26.5 mm，表觀密度為2810 kg/m3，壓碎指標8.1%。細骨料采用細度模數為2.7的河砂，屬于中砂，表觀密度2650 kg/m3，松散堆積密度1690 kg/m3，緊密堆積密度1860 kg/m3，含泥量2.1%。所用減水劑為萘系高效減水劑，水為普通自來水。試驗使用的主要儀器有標養室、環境模擬箱、混凝土強度檢測儀和氯離子多功能測定儀。

表1 P·O 42.5級硅酸鹽水泥性能指標Tab.1 Performance index of P·O 42.5 level portland cement

2.2 試驗混凝土配合比

經過試配確定混凝土配合比如表2所示，配制配合比如表2的混凝土進行試驗研究。經過測量，新拌混凝土的塌落度和擴展度均在規定范圍內，流動性較好。

表2 混凝土配合比Tab.2 Mixture ratio of concrete

2.3 試驗方法

2.3.1 混凝土攪拌方法

在室溫(20±2) ℃下采用強制式攪拌機攪拌混凝土。先將粗骨料、細骨料和水泥按比例稱好，而后依次放入攪拌機中干拌，待攪拌均勻后倒入溶有減水劑的拌合水，再攪拌2 min制成混凝土拌合物。按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB/T50080-2002)測定混凝土拌合物的和易性。

2.3.2 養護方法

將混凝土攪拌完畢后振動入模，入模溫度控制在18 ℃。入模后，第一組1 d后脫模，放入(20±2) ℃、相對濕度保持在95%的標準養護室內養護，養護至相應齡期進行試驗研究，編號為A混凝土；第二組直接放入(3±0.2) ℃的大氣模擬箱內帶模養護，3 d后脫模，養護至相應齡期進行試驗研究，編號為B混凝土；第三組直接放入(-3±0.2) ℃的大氣模擬箱內帶模養護，5 d后脫模，養護至相應齡期進行試驗研究，編號為C混凝土；第四組直接放入初始溫度為5 ℃的環境模擬箱中，3 d后脫模，設置其溫度每隔12 h變化一次，即5 ℃→3 ℃→-3 ℃，待溫度降到-3 ℃后保持不變，一直養護至相應齡期進行試驗研究，編號為D混凝土。

2.3.3 強度測試方法

按GB/T50081-2002[10]《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行混凝土立方體抗壓強度試驗。試件100mm×100mm×100mm的立方體試塊，三塊為一組，按相應養護條件養護到規定齡期時進行抗壓試驗。

2.3.4 抗氯離子滲透試驗方法

混凝土抗氯離子滲透性測定采用電通量法。參照GB/T50082-2009[11]《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，進行抗氯離子滲透性試驗，并記錄相關數據。

圖1 混凝土強度試驗壓力機 Fig.1 Concrete strength test presses

圖2 抗氯離子滲透性試驗Fig.2 Resistance to chloride ion permeability test

3 結果與討論

3.1 不同養護溫度對混凝土強度的影響

在環境模擬箱中，將混凝土養護至規定的齡期后，按規定對混凝土立方體抗壓強度進行測試。每個齡期下的試驗組試塊數量為3個，試驗數值取這3個試塊結果的平均值，當單個試塊的實測值與平均值之差大于15%時，舍去該值，試驗結果取剩余試塊結果的平均值。測得的4組混凝土3 d、5 d、7 d、10 d、14 d、28 d和56 d的強度如表3所示。

將測得的數據以齡期為橫坐標，以強度縱坐標，得到混凝土強度隨齡期的變化曲線如圖3所示。

表3 混凝土抗壓強度Tab.3 Compressive strength of concrete

圖3 不同養護溫度下混凝土抗壓強度Fig.3 Compressive strength of concrete under different curing temperatures

混凝土之所以會產生強度，是水泥水化的結果。而水泥的水化反應速率很大程度上與混凝土的養護溫度有關，當溫度較高時水化反應的速率也相對較快[12]。比較四種養護條件下混凝土的強度發展規律得出，7 d前標養下混凝土的強度增長最快，低溫下養護的次之，負溫下養護的最小，變溫下養護的介于負溫與低溫之間。3 d時3 ℃養護下的B混凝土、-3 ℃養護下的C混凝土和變溫(5→-3 ℃)養護下的D混凝土的強度分別為標準養護下A混凝土的0.55、0.30、0.43倍，3 d前A混凝土養護溫度最高，水化最快，強度也就最大；B混凝土一直在低溫下養護，水化速率較慢，故3 d時的強度僅為A混凝土的55%；C混凝土因為在負溫下養護，其水化速率最慢，而且由于部分水結冰使得水化速率進一步變慢，故3 d時C混凝土的強度最低；D混凝土剛開始養護溫度較高，水化速率較大，但隨著養護溫度的降低，水化速率變慢，且負溫下混凝土內部的部分水結冰，使得其強度增長變慢，3 d時強度介于B、C混凝土之間。5 d時，B、C、D混凝土的強度分別為A的0.70、0.41、0.50倍，較3 d時A、B、C、D混凝土的強度分別增長了6.8 MPa、10.8 MPa、7.1 MPa和6.6 MPa，A混凝土前三天水化速率特別快，3 d時的強度已達到了41.4 MPa，為28 d強度的70.05%，水化已較為充分，致使其強度增長小于B混凝土；B混凝土由于水化還不充分且養護溫度較高，故其強度增長最大；C、D混凝土雖然水化程度較低，但是因為養護溫度最低，強度增長也最小。7 d時，B、C、D混凝土的強度分別為A的0.84、0.48、0.58倍，較5 d時A、B、C、D混凝土的強度分別增長了3.15 MPa、9.3 MPa、4.9 MPa和5.6 MPa，因為水化越來越充分，A混凝土的強度增已較為緩慢，B混凝土強度增長開始變慢；C、D混凝土盡管養護溫度較低，但因為水化還不充分，故其強度還在緩慢的增長。

由圖3的強度增長曲線可以看出，7 d后雖然A、B混凝土的養護溫度較高，但它們的水化程度較大，故其強度增長也相對較慢，A、B混凝土7～10 d、10～14 d、14～28 d的強度增長分別為2.05 MPa、2.1 MPa、3.6 MPa和6.3 MPa、3.1 MPa、4 MPa。7 d后C、D混凝土的養護溫度雖然較低，但它們水化還不充分，故其強度增長也相對較大，C、D混凝土7～10 d、10～14 d、14～28 d的強度增長分別為5.7 MPa、5.4 MPa、7.8 MPa和5.1 MPa、4.7 MPa、9 MPa。28 d時，A、B混凝土因為其水化程度已經很大，故其強度增長很慢，到56 d時強度僅僅分別增長了4.15 MPa和4.8 MPa；C、D混凝土因為水化程度較小，56 d時強度分別增長了10.8 MPa和8.6 MPa。

標準養護下的混凝土，3 d前強度增長最快，3 d時的強度已為28 d強度的70.05%，7 d后其強度增長較為緩慢；3 ℃下養護的混凝土7 d之前強度發展最大，7 d后強度增長變緩，14 d后強度增長緩慢；-3 ℃下養護的混凝土因為養護溫度最低，其強度增長一直較慢，14 d前強度增長較快，14 d后強度增長變緩但高于同齡期時標養和低溫下養護的混凝土；變溫養護下的混凝土剛開始養護溫度較高，其強度增長也較快，3 d時的強度與3 ℃養護下的混凝土僅相差5.2 MPa，3 d后隨著養護溫度的降低其水化速率也變慢，強度增長與-3 ℃下養護的混凝土類似。這說明，低溫養護對混凝土的早期強度有一定的影響，對后期強度影響較小；而負溫下養護則對混凝土整個試驗齡期內強度的增長有較大的不利影響。這是因為在低溫下養護時，混凝土的養護溫度較低，導致混凝土內部的早期溫度也比較低，內部水化反應的速率變慢，到相應齡期時相比標準養護下混凝土的水化程度較低，從而導致其早期強度的增長相比標養下的混凝土較慢；而隨著齡期的增長，混凝土的水化已較為充分，內部的未水化的水泥顆粒已不多，溫度對水化程度的影響不大，所以其后期強度與標準養護的已相差不大，56 d時僅差2.2 MPa。混凝土在負溫下養護時，養護溫度較低，混凝土內水的粘滯阻力相對低溫養護較大，導致水化速率更慢，而且負溫下養護時，水的冰點會降低，而且由于冰晶引起基模勢或滲透勢的變化，未凍水會向凍區運動，因此，混凝土內部分自由水會結冰[13]，這一方面影響了混凝土的水化反應，另一方面因為水結冰后體積膨脹，在混凝土內部產生內應力并形成微裂縫，使得混凝土內部結構變得疏松、不密實，從而導致其強度較低。

3.2 不同養護溫度對混凝土抗氯離子滲透性的影響

將試件養護至56 d，然后按照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，用直流電量法對混凝土的抗氯離子滲透性進行測試，測得電通量的結果如圖4所示。

圖4 不同養護溫度下混凝土的電通量Fig.4 Electric flux of concrete under different curing temperature

從圖4可得，在標準養護下養護56 d混凝土A的電通量為1144 C；在3 ℃養護下混凝土B的電通量為1750 C；在-3 ℃養護下混凝土C的電通量為1967 C；在變溫(5～-3 ℃)養護下混凝土D的電通量為1842 C。以A混凝土為基準，B、C、D混凝土的電通量分別是A的1.53、1.72和1.61倍。三種低、負溫養護的混凝土中，負溫條件下養護混凝土的電通量最大，變溫條件下養護混凝土的電通量次之，低溫條件下養護混凝土的電通量最小。混凝土的抗氯離子滲透性一定程度上受水化程度的影響，水化越充分，混凝土的結構越密實，其電通量越小，抗氯離子滲透性也就越好。而溫度對混凝土的水化速率有很大的影響，溫度越低，水化反應的速率越慢。56 d時，標準養護下混凝土的水化程度最大，3 ℃養護的次之，-3 ℃養護的最小，變溫養護的介于低溫負溫之間。所以，-3 ℃養護下混凝土的抗氯離子滲透性最差，標準養護下混凝土的抗氯離子滲透性最好，低溫和變溫養護下混凝土的抗氯離子滲透性介于標準養護和負溫之間，且低溫下養護的混凝土要優于變溫下養護的。

將圖4中A、B、C、D混凝土的電通量進行對比可得：低、負溫養護下混凝土的電通量整體比標準養護下的混凝土大，又由圖3 可知，變、負溫養護下混凝土雖然前期強度增長較慢，但后期強度增長快，56 d時與標準養護和低溫下養護混凝土的強度相差無幾。由此可得，低、負溫下養護的混凝土，與強度增長相比，56 d時混凝土的抗氯離子滲透性改善不大，與標準養護下的混凝土差距仍然很大。這說明混凝土的電通量除了受水化程度的影響外，還受很多因素的影響，如混凝土內的孔徑分布、孔間距和平均孔徑的大小等。

4 結 論

(1)3 ℃養護下混凝土7 d前強度增長最大，14 d后強度增長緩慢；-3 ℃養護下混凝土的強度增長始終比較緩慢，14 d前強度的增長相對較大，14 d后強度增長變緩但要高于同齡期下標養和低溫下養護的混凝土，28～56 d其強度仍然有較大幅度的增長；變溫養護下混凝土的強度3 d前增長相對較快，3 d后強度的增長趨勢與-3 ℃養護下的混凝土類似;

(2)養護溫度對混凝土的抗氯離子滲透性有較大的影響：負溫養護下混凝土的抗氯離子滲透性最差，標準養護下的最好，低溫和變溫養護下混凝土的抗氯離子滲透性介于標準養護和負溫養護之間，且低溫條件下養護混凝土的抗氯離子滲透性要優于變溫條件養護的。

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Experimental Study on Concrete Strength and Resistance to Chloride Ion Permeability under Different Curing Temperature

ZHANGShao-hua1，WANGQi-cai1,2，ZHANGRong-ling1,2，DUANYun1，QILu-fan1

(1.College of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Road and Bridge Engineering Disaster Prevention and Control Technology National Local Joint Engineering Laboratory,Lanzhou 730070,China)

This paper studies the strength and resistance to chloride ion permeability of concrete under different curing temperatures. By measuring the compressive strength of concrete at different ages cured under the standard curing condition, 3 ℃ curing, -3 ℃ curing and variable temperature(5 ℃→-3 ℃) curing, analysis the strength growing rules of concrete cured under low and negative temperature, compared to the concrete cured under the standard curing condition finds out that, curing temperature is an important factor of the concrete's strength, the lower the pre-curing temperature, the lower the compressive strength of concrete at 28 d, while concrete cured under low and negative temperature, its early strength increase slower than the concrete cured under the standard curing condition, its later strength increase faster than it, while concrete cured under variable temperature, its strength increase faster before 3 d, and its strength increase nearly to the concrete cured under -3 ℃ after 3 d. DC method was used to study the resistance to chloride ion permeability of concrete cured under four different temperatures at 56 d, the results show that the lower the curing temperature, the worse the resistance to chloride ion permeability of concrete.

curing temperature;concrete;strength;permeability;hydration

國家自然科學基金(51268032)；教育部長江學者和創新團隊發展計劃滾動支持(IRT15R29) ；隴原青年創新人才扶持計劃；青年人才托舉工程支持

張少華(1991-)，男，碩士研究生.主要從事混凝土方面研究.

王起才，教授、博導.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2486-06