－3℃養護對混凝土抗壓強度及孔結構的影響

張乘波

（蘭新鐵路新疆有限公司，新疆烏魯木齊830011）

－3℃養護對混凝土抗壓強度及孔結構的影響

張乘波

（蘭新鐵路新疆有限公司，新疆烏魯木齊830011）

為了研究不同水灰比下混凝土的孔結構與強度之間的關系，測試了-3℃養護及標準養護條件下不同水灰比時混凝土孔結構的分布規律及強度變化規律。結果表明，在2種養護方式下，隨著水灰比的增大，混凝土的氣泡間距系數、氣泡平均孔徑、硬化后混凝土的孔隙率均逐漸增大，氣泡的比表面積逐漸減小；在相同水灰比標準養護條件下混凝土的氣泡間距系數、氣泡平均孔徑、硬化后混凝土的孔隙率及氣泡比表面積均小于-3℃養護條件下；抗壓強度隨著水灰比的增大而逐漸減小。

水灰比；孔結構；強度；分布規律

孔結構是材料的微細結構，孔結構性能是現代材料學的核心內容［1］。混凝土孔結構非常復雜且高度不均勻，決定了其十分復雜的宏觀性能。研究和掌握混凝土各組分孔結構和性能的關系及其相互聯系，對混凝土各項宏觀性能的研究十分有益［2］。混凝土性能的破壞主要是由于孔結構的破壞造成的，在微觀結構對混凝土力學性能影響的研究中，大量工作主要集中在混凝土孔隙率、孔徑分布對混凝土強度影響的研究上［3-5］。郭劍飛［6］通過建立細觀結構孔結構與強度之間的相關模型聯系，說明了混凝土材料孔結構的孔隙率與孔級配對混凝土強度的影響；韋江雄等［7］建立了分形模型來模擬水泥漿體的空間結構，在此基礎上推導出了孔體積分形維數D、孔隙率P與孔徑分布的關系式；楊淑雁等［8］采用壓汞法、光學顯微鏡法、顯微硬度儀、掃描電子顯微鏡的手段分別對高性能混凝土的孔結構和界面過渡區進行了測試，研究了引氣劑對高性能混凝土顯微結構的影響；姚曉等［9］根據Powers理論模型，通過引入相對水化程度及選定油井水泥石的本征強度參數，結合Balshin方程和Schiller方程，建立了低溫條件下油井水泥石孔結構和抗壓強度的數學模型。目前來看，主要對混凝土孔結構與性能方面、孔結構與強度的關系研究較多［10-12］，但對于不同水灰比持續負溫下混凝土孔結構之間的變化規律研究甚少，特別是持續負溫下混凝土微觀孔結構與力學性能之間的關系，國內幾乎沒有研究。本文主要研究了持續負溫養護28 d時混凝土的孔結構與力學性能之間的關系，并對比其與標準養護條件下混凝土性能之間的差異，為多年凍土區混凝土的養護奠定了基礎。

1　試驗方法

1.1原材料及配合比

混凝土由水泥、水、礦物摻合料、砂、石等物質組成。水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，技術指標滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的要求；水為符合國家規范標準的飲用水；細骨料為細度模數2.1，含泥量0.65%的細砂；粗骨料為顆粒級配5～31.5 mm的碎石，壓碎指標為4.75%；礦物摻合料按m粉煤灰∶m礦粉=1∶1配合而成，技術指標均滿足《高強高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T 18736—2002）的要求；減水劑為北京建筑工程研究院生產的AN4000聚羧酸減水劑；引氣劑為液體SJ-2型引氣劑，技術指標滿足《混凝土外加劑應用技術規范》（GB 500119—2003）的要求。混凝土配合比見表1。

各水灰比下新拌混凝土的坍落度至少為150 mm，擴展度至少為450 mm，流動性好。新拌混凝土黏聚力較好，沒有分層和離析現象，保水性也較好。

1.2強度測試方法

養護條件為-3℃養護及標準養護。新拌混凝土配好后，一部分直接放入-3℃大氣模擬箱內帶模養護，5 d后脫模，脫模后再次放入-3℃大氣模擬箱；另一部分先放入標準養護室，1 d后脫模再次放入20℃的標準養護室內養護。按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）進行混凝土立方體抗壓強度試驗。試件為150 mm×150 mm×150 mm的立方體，3塊為1組，按相應養護條件養護至7，28，84 d后，在壓力試驗機上進行力學性能試驗。

表1　混凝土配合比

1.3孔結構測試方法

將養護28 d的立方體混凝土試塊切割成10～20 mm厚的試件，經打磨、噴涂熒光劑后，放入試驗儀器中測試。在測試軟件中，輸入混凝土測試范圍、水灰比等參數，并用模板標定尺寸后，由硬化混凝土氣孔結構分析儀自動采集數據［13］。

硬化混凝土氣泡特征參數計算公式為：

平均氣泡面積α=S/N

孔隙率AS=100nα

氣泡間距系數

式中：S為累計氣泡面積；N為氣泡個數；n為單位面積內氣泡數；Si為氣泡面積；P為水灰比。

2　試驗結果分析

2.1強度試驗結果及分析

-3℃和標準養護條件下不同水灰比混凝土的抗壓強度隨齡期增長的變化規律見表2。可見，標準養護條件下混凝土A-1在養護齡期為7，28及84 d時的抗壓強度分別為52.6，65.0及75.8 MPa，混凝土的抗壓強度隨著齡期的增長而增大。在-3℃養護條件下，混凝土A-1在養護齡期為7，28及84 d時的抗壓強度分別為35.7，54.9及64.7 MPa，混凝土的抗壓強度亦隨著齡期的增長而增大，這是由于隨著齡期的增長水化產物增多，使得混凝土的強度增大。但是由于負溫養護時混凝土的水化速率相對減緩，致使水化產物減少，因此-3℃養護條件下混凝土的抗壓強度小于標準養護條件下混凝土的抗壓強度。標準養護28 d時混凝土A-1，B-1及C-1的抗壓強度分別為65.0，55.0及47.0 MPa，-3℃養護28 d時混凝土A-1，B-1及C-1的抗壓強度分別為54.9，45.9及34.7 MPa。在標準養護及負溫養護條件下混凝土抗壓強度隨著水灰比的增大而減小。

表2　混凝土的強度

圖1　不同水灰比下混凝土的氣泡間距系數

2.2孔結構試驗結果及分析

2.2.1混凝土的氣泡間距系數試驗結果分析

標準養護及-3℃養護條件下齡期28 d時不同水灰比下混凝土氣泡間距系數的變化規律見圖1。可見，在標準養護下，A-1的氣泡間距系數為0.053 mm，A-2及A-3的氣泡間距系數分別為0.065及0.076 mm，分別為A-1的氣泡間距系數的1.226倍及1.434倍。-3℃養護條件下，A-1的氣泡間距系數為0.121 mm，A-2及A-3的氣泡間距系數分別為0.137及0.154 mm，分別為A-1的氣泡間距系數的1.132倍及1.273倍。可見在2種養護方式下，隨著水灰比的增大，混凝土的氣泡間距系數在逐漸增大；在相同水灰比下，混凝土A-1，A-2，A-3標準養護條件下氣泡間距系數分別是-3℃養護條件下的0.438倍、0.474倍、0.494倍。在相同水灰比標準養護下混凝土的氣泡間距系數要小于-3℃養護條件下，這是由于在-3℃養護條件下混凝土的水化速率要小于標準養護條件下，混凝土的水化產物會減少，導致混凝土的氣泡間距系數要大于標準養護條件下。

2.2.2混凝土的氣泡平均孔徑試驗結果分析

標準養護及-3℃養護條件下28 d齡期時不同水灰比下混凝土氣泡平均孔徑的變化規律見圖2。可見，在標準養護條件下，A-1，A-2及A-3的氣泡平均孔徑分別為0.034，0.042及0.051 mm，混凝土的氣泡平均孔徑隨著水灰比的增大而逐漸增大。在-3℃養護條件下，A-1，A-2及A-3的氣泡平均孔徑分別為0.075，0.086及0.096 mm，混凝土的氣泡平均孔徑隨著水灰比的增大而逐漸增大，與上述不同水灰比下混凝土氣泡間距系數的變化規律相同。在相同水灰比下，混凝土A-1，A-2，A-3標準養護條件下氣泡平均孔徑分別為-3℃養護條件下的0.453倍、0.488倍、0.531倍。標準養護條件下混凝土的氣泡平均孔徑要小于-3℃養護條件下，且隨著水灰比的增大，兩者之間的比值在逐漸增大。

圖2　不同水灰比下混凝土的氣泡平均孔徑

2.2.3混凝土的孔隙率試驗結果分析

標準養護及-3℃養護條件下28 d齡期時不同水灰比下硬化后混凝土孔隙率的變化規律見圖3。A-1標準養護條件下28 d時硬化混凝土的孔隙率為3.3%，-3℃養護條件下硬化后混凝土的孔隙率為4.5%，前者比后者減少了1.2%。A-2標準養護條件下28 d時硬化混凝土的孔隙率為3.9%，-3℃養護條件下硬化后混凝土的孔隙率為5.0%，前者比后者減少了1.1%。A-3標準養護條件下28 d時硬化混凝土的孔隙率為4.4%，-3℃養護條件下硬化后混凝土的孔隙率為5.3%，前者比后者減少了0.9%。由此可知，標準養護條件下硬化后混凝土的孔隙率要小于-3℃養護條件下，且兩者之差隨著水灰比的增大變化不大。由表1和圖3可知，在標準養護條件下A-1，A-2及A-3硬化后混凝土的孔隙率相比新拌混凝土的孔隙率分別增加了2.5%，2.5%及2.9%，在-3℃養護條件下A-1，A-2及A-3硬化后混凝土的孔隙率相比新拌混凝土的孔隙率分別增加了3.7%，3.6%及3.8%。2種養護方式下，隨著水灰比的增大，硬化后混凝土的孔隙率與新拌混凝土的孔隙率變化幅度基本一致。

2.2.4混凝土氣泡的比表面積試驗結果分析

標準養護及-3℃養護條件下28 d齡期時不同水灰比下混凝土氣泡比表面積的變化規律見圖4。可見，在標準養護條件下A-1的比表面積為24.23 mm-1，A-2及A-3的比表面積分別為20.18 mm-1及16.65 mm-1，分別為A-1的比表面積的0.833倍及0.687倍。-3℃養護條件下，A-1的比表面積為31.37 mm-1，A-2及A-3的比表面積分別為26.67 mm-1及22.7 6 mm-1，分別為A-1的比表面積的0.85倍及0.726倍。由此可知，不同水灰比-3℃養護下混凝土比表面積要大于標準養護下，且隨著水灰比的增大，混凝土的氣泡比表面積逐漸減小。

圖3　不同水灰比下混凝土的孔隙率

圖4　不同水灰比下混凝土的比表面積

3　結論

1）相同齡期下，-3℃養護條件下混凝土的抗壓強度小于標準養護條件下，且在2種養護方式下混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增大逐漸減小。

2）在2種養護方式下，隨著水灰比的增大，混凝土的氣泡間距系數在逐漸增大，混凝土的氣泡平均孔徑逐漸增大，硬化后混凝土的孔隙率逐漸增大，氣泡的比表面積逐漸減小。

3）在相同水灰比，標準養護條件下混凝土的氣泡間距系數、氣泡平均孔徑、硬化后混凝土的孔隙率及氣泡比表面積均小于-3℃養護條件下。

［1］溫家寶.基于孔結構分析的混凝土凍融損傷研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

［2］孟慶超.混凝土耐久性與孔結構影響因素的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

［3］趙霄龍，衛軍，黃玉盈.混凝土凍融耐久性劣化與孔結構變化的關系［J］.武漢理工大學學報，2002，24（12）：14-17.

［4］KUMAR R，BHATTACHARJEE B.Porosity，Pore Size Distribution and in Situ Strength of Conerete［J］.Cement& Concrete Research，2003，33（1）：155-164.

［5］SHI C.Strength，Pore Structure and Permeability of Alkaliactivated Slag Mortars［J］.Cement&Concrete Research，1996，26（12）：1789-1799.

［6］郭劍飛.混凝土孔結構與強度關系理論研究［D］.杭州：浙江大學，2004.

［7］韋江雄，余其俊，曾小星，等.混凝土中孔結構的分形維數研究［J］.華南理工大學學報（自然科學版），2007，35（2）：121-124.

［8］楊淑雁，張強，萬惠文，等.引氣高性能混凝土顯微結構研究［J］.武漢理工大學學報，2008，30（9）：16-18.

［9］姚曉，許仲梓.低溫下油井水泥石孔結構與抗壓強度的關系［J］.南京工業大學學報（自然科學版），2004，26（1）：1-4.

［10］金南國，金賢玉，郭劍飛.混凝土孔結構與強度關系模型研究［J］.浙江大學學報（工學版），2005，39（11）：1680-1684.

［11］朱蓓榮，楊全兵，吳學禮，等.摻加SJ-2新型引氣劑引氣混凝土性能研究［J］.建筑材料學報，1998（2）：192-196.

［12］張玉喜，高振國.致密堆積混凝土孔結構與電通量研究［J］.石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2012，25（4）：91-95.

［13］張凱，王起才，王慶石，等.3℃養護下引氣混凝土早期強度及抗凍性能研究［J］.工業建筑，2015（2）：5-9.

（責任審編李付軍）

Discussion of－3℃Cure Temperature on Concrete Compressive Strength and Its Pore Structure

ZHANG Chengbo
（Lan-Xin Railway Xinjiang Co.，Ltd.，Urumqi Xinjiang 830011，China）

In this paper，the influence of water-cement ratio on the relationship between concrete pore structure and strength was studied.T wo different cure environments were compared：at-3℃and standard curing.T he results indicate that bubble hole spacing coefficient of concrete，concrete bubble average pore diameter and porosity of the concrete increase as the water-cement ratio goes up，but the bubble surface area decreases in these two cases.By comparison，the values of the four parameters mentioned above are less in the case of standard curing，given the same water-cement ratio.As the water-cement ratio increases，concrete compressive strength decreases gradually.

W ater-cement ratio；Pore structure；Strength；Distribution

TU528.31

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.36

1003-1995（2016）10-0136-04

2016-03-27；

2016-05-15

國家自然科學基金（51268032）

張乘波（1963—），男，高級工程師。