低溫變溫(5 ℃→-3 ℃)養護下不同水灰比混凝土抗氯離子滲透性試驗研究

張少華，王起才,2，張戎令,2，段　運，徐瑞鵬

(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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低溫變溫(5 ℃→-3 ℃)養護下不同水灰比混凝土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，徐瑞鵬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)

為了研究低溫變溫(5 ℃→-3 ℃)養護條件下不同水灰比(0.24、0.27、0.31、0.38)混凝土的抗氯離子滲透性，采用直流電量法對低溫變溫養護下和標準養護下養護28 d的混凝土進行了抗氯離子滲透性研究。試驗結果表明：低溫變溫養護下混凝土的電通量隨著水灰比的增大而增大，這與標準養護下混凝土電通量的規律一致；低溫變溫養護下混凝土電通量與標養下混凝土電通量的比值隨著水灰比的增大而減小；低溫變溫養護條件下混凝土的電通量是標準養護下混凝土的1.60～1.65倍；低溫變溫養護條件下混凝土的初始電流是標準養護下混凝土的1.55～1.58倍。說明在低溫變溫養護條件下混凝土的抗氯離子滲透性較差。

低溫變溫養護； 混凝土； 水灰比； 滲透性

1　引　言

我國幅員遼闊，氣候復雜多樣，有相當一部分區域長期處于嚴寒鹽漬地帶，如西北、東北及青藏高原等地常年溫度處于低溫，氯鹽、硫酸鹽環境中，給這些地區的混凝土施工帶來了很大困難，也對混凝土耐久性提出了更高的要求。因此，研究低、負溫下，混凝土的抗滲性和微觀結構具有很大的實際意義和價值。周麗霞等[1]研究了礦物摻合料和孔結構對混凝土抗滲性的影響；Methea等[2]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；陳立軍等[3]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；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；萬惠文等[5]通過研究不同引氣劑摻量下混凝土的抗氯離子滲透性和相應的孔結構特性，得出引氣劑摻量影響混凝土的孔分布和孔連通性受引氣劑摻量的影響，適量引氣劑有助于提高混凝土中孔徑小于0.1 μm的孔數量，使孔系統的不連通性增強，進而增強混凝土的抗氯離子滲透性能；盛黎等[6]采用ASTMC1202及NEL的方法，對單摻礦渣和復摻粉煤灰、礦渣的高性能混凝土進行抗氯離子滲透性能的試驗研究，并探討電通量與氯離子擴散系數之間的相關性；楊明飛等[7]研究了復合外加劑對低溫高性能混凝土抗滲性的影響。以上學者分別從不同的角度為突破點，對混凝土抗滲性的研究做出了突出貢獻，但大部分研究都是基于標準養護條件下的混凝土，對低溫、負溫養護條件下的混凝土目前研究較少。規范規定連續5日平均氣溫低于5 ℃或日最低氣溫低于-3 ℃時即進入冬季施工，而我國的嚴寒鹽漬地區較多，很多地區在冬、春季施工時，對混凝土來說就進入了所謂的“冬季施工”范疇。本文就是以冬季施工為研究背景，利用環境模擬箱模擬了冬季施工時混凝土養護溫度(5 ℃→-3 ℃)的變化，對這種低溫變溫和標養條件下28 d時不同水灰比混凝土進行了抗氯離子滲透性和細觀孔結構研究，分析低溫變溫環境中和不同水灰比對混凝土抗氯離子滲透性和細觀孔結構的影響規律，為我國嚴寒地區冬季施工提供借鑒和理論依據。

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

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4種不同配合比混凝土A、B、C和D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

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GB/T50080-2002[8]《普通混凝土拌合物性能試驗方法》測定混凝土拌合物的和易性。

2.3.2養護方法

混凝土入模后，一部分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28 d后進行實驗研究；另一部分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，一直養護到28 d后進行實驗研究。

2.3.3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[9]《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。

3　結果與討論

3.1混凝土中氯離子遷移電量的測試結果與分析

將試件養護至28 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1,圖2所示。

圖1　不同水灰比下混凝土的電通量Fig.1　Electric flux of concrete under different water cement ratio

圖2　不同養護溫度下混凝土的電通量Fig.2　Electric flux of concrete under different curing temperature

3.1.1水灰比對混凝土氯離子遷移電量的影響

由圖1可以看出，在標準條件下養護28 d的水灰比為0.24、0.27、0.31、0.38的A、B、C、D混凝土的電通量分別為1139 C、1189 C、1280 C和1645 C。標準養護條件下，水灰比由0.24增大至0.27時，電通量增大了4.4%；水灰比由0.27增大至0.31時，電通量增大了7.7%；水灰比由0.31增大至0.38時，電通量增大了28.5%。以水灰比0.24的混凝土為基準，水灰比0.27、0.31和0.38的混凝土其電通量分別是它的1.04、1.12和1.44倍。在低溫變溫條件下養護28 d的水灰比為0.24、0.27、0.31、0.38的A、B、C、D混凝土的電通量分別為1883 C、1948 C、2066 C和2637 C。低溫變溫養護條件下，水灰比由0.24增大至0.27時，電通量增大了3.5%；水灰比由0.27增大至0.31時，電通量增大了6.1%；水灰比由0.31增大至0.38時，電通量增大了27.6%。以水灰比0.24的混凝土為基準，水灰比0.27、0.31和0.38的混凝土其電通量分別是它的1.03、1.10和1.40倍。分析以上數據可知，不管是標準養護還是低溫變溫條件下養護的混凝土，隨著水灰比的增加，其電通量都逐漸變大，抗氯離子滲透性變差。這是因為水灰比較大的混凝土中多余的自由水含量相對較多，這部分水會通過遷移、蒸發等方式散失到混凝土外。在散失的過程中，這部分水會在混凝土內部形成孔隙，導致大且連通的孔增多，使得混凝土的平均孔徑增大。而平均孔徑又是混凝土滲透性好壞的重要參數[10]，平均孔徑越大，混凝土內部結構的密實性就越差，抗氯離子滲透性也就越差，正是由于這些孔的存在，使得混凝土的抗氯離子滲透性變差。且隨著水灰比的增大，電通量增加的越來越快。

3.1.2養護溫度對混凝土氯離子遷移電量的影響

由圖2可以看出，同一水灰比下，因為養護溫度的不同，電通量也不盡相同。水灰比0.24的A混凝土在標養下和低溫變溫條件下養護其電通量分別為1139 C、1883 C；水灰比0.27的B混凝土在標養下和低溫變溫條件下養護其電通量分別為1198 C、1948 C；水灰比0.31的C混凝土在標養下和低溫變溫條件下養護其電通量分別為1280 C、2066 C；水灰比0.38的D混凝土在標養下和低溫變溫條件下養護其電通量分別為1645 C、2637 C。分析以上數據可得，在低溫變溫條件下養護的A、B、C、D混凝土的電通量分別是標養下的1.65、1.62、1.61和1.60倍，也就是說低溫變溫條件下養護的混凝土的電通量是標養下的1.60～1.65倍。這是因為混凝土在低溫變溫條件下養護時，養護溫度較低，混凝土內水的粘滯阻力較大，水化速率較慢，且隨著齡期的增長，養護溫度會越來越低直至降為-3 ℃，此時混凝土內部的部分自由水會結冰[11]，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，在混凝土中形成了較大的孔，導致平均孔徑增大。因此，低溫變溫條件下養護混凝土的電通量更大，抗氯離子滲透性更差。

3.2混凝土初始電流的測試結果與分析

將試件養護至28 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，測得初始電流的結果如圖3、圖4所示。

圖3　不同水灰比下混凝土的初始電流Fig.3　Initial electric current of concrete under different water cement ratios

圖4　不同養護溫度下混凝土的初始電流Fig.4　Initial electric current of concrete under different curing temperatures

3.2.1水灰比對混凝土初始電流的影響

由圖3可以看出，在標準條件下養護28 d的水灰比為0.24、0.27、0.31、0.38的A、B、C、D混凝土的初始電流分別為58.3 mA、60.9 mA，64.6 mA和81.1 mA。標準養護條件下，水灰比由0.24增大至0.27時，初始電流增大了4.5%；水灰比由0.27增大至0.31時，初始電流增大了6.1%；水灰比由0.31增大至0.38時，初始電流增大了25.5%。以水灰比0.24的混凝土為基準，水灰比0.27、0.31和0.38的混凝土其初始電流分別是它的1.04、1.11和1.39倍。在低溫變溫條件下養護28 d的水灰比為0.24、0.27、0.31、0.38的A、B、C、D混凝土的初始電流分別為91.9 mA、94.8 mA、100.2 mA和126.5 mA。低溫變溫養護條件下，水灰比由0.24增大至0.27時，初始電流增大了3.2%；水灰比由0.27增大至0.31時，初始電流增大了5.7%；水灰比由0.31增大至0.38時，初始電流增大了26.2%。以水灰比0.24的混凝土為基準，水灰比0.27、0.31和0.38的混凝土其電通量分別是它的1.03、1.09和1.38倍。

初始電流亦是反應混凝土抗氯離子滲透性的一個重要指標，初始電流越小，則混凝土的抗氯離子滲透性越好。試驗中低溫變溫條件下養護的混凝土和標準養護下的混凝土，其初始電流都隨著水灰比的變大而增大，這與電通量的規律一致，都是因為隨著水灰比的增大，混凝土內孔隙的平均孔徑的增大而導致其抗氯離子滲透性變差。

3.2.2養護溫度對混凝土初始電流的影響

分析圖4中的數據可知，水灰比0.24的A混凝土在標養下和低溫變溫條件下養護其初始電流分別為58.3 mA、91.9 mA；水灰比0.27的B的初始電流分別為60.9 mA、94.8 mA；水灰比0.31的C混凝土的初始電流分別為64.6 mA、100.2 mA；水灰比0.38的D混凝土的初始電流分別為81.1 mA、126.5 mA。分析以上數據得出，在低溫變溫條件下養護的A、B、C、D混凝土的電通量分別是標養下的1.58、1.56、1.55、1.56倍，也就是說低溫變溫條件下養護的混凝土的電通量是標養下的1.55～1.58倍。這與電通量的規律是一致，隨著養護溫度的降低，其初始電流變大，混凝土的抗氯離子滲透行變差。

4　結　論

(1)低溫變溫(5 ℃→-3 ℃)養護下的混凝土，其電通量隨著水灰比的增大而增大，也就是說，隨著水灰比的增大，混凝土的抗氯離子滲透性逐漸變差，這與標準情況下養護混凝土抗氯離子滲透性的變化規律一致;

(2)低溫變溫養護下混凝土的電通量是標養下混凝土電通量的1.60～1.65倍；低溫變溫養護下與標準養護下混凝土電通量的比值隨著水灰比的增大在減小;

(3)低溫變溫養護下的混凝土，其初始電流隨著水灰比的增大亦在增大，這與標準養護下混凝土初始電流的變化規律一致；低溫變溫養護下混凝土的初始電流是標準養護的1.55～1.58倍，也就是說，低溫變溫養護下混凝土的抗氯離子滲透性更差。

[1] 周立霞,王起才,張粉芹.礦物摻合料和孔結構對混凝土抗滲性的影響[J].水力發電學報,2010,(03):196-201.

[2] Mehta P K,Paulo J M.Concrete Microstructure,Properties,and Materials[M] .[S.l]：McGraw-Hill Professional,2006.

[3] 陳立軍,王永平,尹新生,等.混凝土孔徑尺寸對其抗滲性的影響[J].硅酸鹽學報,2005,04:500-505.

[4] 葉青,汪佳佳,馬成暢,等.UEA摻量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響[J].建筑材料學報,2005,02:192-196.

[5] 萬惠文，楊淑雁，呂艷鋒.引氣混凝土抗氯離子滲透性與孔結構特性[J].建筑材料學2008，11(4)，409-413．

[6] 盛黎，姚諫.高性能混凝土氯離子滲透性能的試驗研究[J].工業建筑，2011，41(11) :142-145．

[7] 楊明飛,倪修全,宗翔,等.復合外加劑對低溫高性能混凝土抗滲性的影響[J].西部探礦工程,2005,(116) : 228-229.

[8] GB/T50080-2002 普通混凝土拌合物性能試驗方法[S].

[9] GB/T50082-2009 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S].

[10] Yang C C,Cho S W,Wang L C.The relationship between pore structure-and chloride diffusivity from ponding test in cement-based materials[J].MaterialsChemistryandPhysics,2006, 100(2-3): 203- 221.

[11] 謝超,王起才,于本田,等.負溫養護條件及水灰比對混凝土抗氯離子滲透性和細觀結構影響試驗研究[J].硅酸鹽通報,2015,34(8):2119-2124.

Effect of Cryogenic Variable Temperature(5 ℃→-3 ℃) Curing Condition and Water Cement Ratio on the Resistance to Chloride Ion Permeability of Concrete

ZHANGShao-hua1，WANGQi-cai1,2，ZHANGRong-ling1,2，DUANYun1，XURui-peng1

(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)

In order to study the resistance to chloride ion permeability for concrete with different water cement ratio(0.24、0.27、0.31、0.38) under cryogenic variable temperature(5 ℃→-3 ℃) curing, DC method was used to study the resistance to chloride ion permeability for concrete cured 28d at cryogenic variable temperature and standard curing condition. The results show that the electric flux will improve with the increasing of water cement ratio of the concrete which cured under cryogenic variable temperature, which have the same law with the concrete cured under standard curing condition, and the electric flux's ratio of cryogenic variable temperature curing and standard curing is becoming smaller with the increasing of water cement ratio of the concrete. By comparing the electric flux and initial electric current respectively which cured under cryogenic variable temperature and standard curing condition finds out that the electric flux's ratio of cryogenic variable temperature curing and standard curing is between 1.60 and 1.65,the initial electric current's ratio of cryogenic variable temperature curing and standard curing is between 1.55 and 1.58. That shows that the resistance to chloride ion permeability for concrete which cured under cryogenic variable temperature was poorer.

cryogenic variable temperature curing;concrete;water cement ratio;permeability

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的研究.

王起才，教授，博士生導師.

TQ175

A

1001-1625(2016)07-2014-05