天津高銀117大廈冬期施工混凝土臨界強度及耐久性研究

袁啟濤,陳全濱,羅作球,唐玉超,丁路靜

(1.天津大學,天津 300072;2.中建商品混凝土天津有限公司,天津 300450)

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天津高銀117大廈冬期施工混凝土臨界強度及耐久性研究

袁啟濤1,2,陳全濱2,羅作球2,唐玉超2,丁路靜2

(1.天津大學,天津 300072;2.中建商品混凝土天津有限公司,天津 300450)

研究含氣量、防凍組分對混凝土臨界強度的影響，通過凍融循環、氯離子滲透性能及碳化性能表征混凝土耐久性。結果表明：含氣量越高，混凝土達到臨界強度時間越短，臨界強度值越低；防凍組分對混凝土低溫環境下強度發展具有促進作用；達到臨界強度后，摻防凍組分試樣抗凍等級、氯離子滲透性及碳化性能與標準試樣相當，分別為F200、570 C及3.4 mm，不摻防凍組分試樣耐久性能顯著劣化。防凍組分加快了水化反應進程，尤其在負溫環境中養護時，水化程度顯著加深。

冬期施工； 臨界強度； 耐久性能； 水化機理

1 引 言

我國三北地區普遍面臨混凝土冬期施工難題，混凝土冬期質量控制對于保障建筑質量具有重要意義。混凝土是一種復雜的多相材料，其凍害主要由環境溫度、混凝土內部游離水等所決定。當環境溫度降低，混凝土內部游離水結冰膨脹，體積增大產生壓力，當壓力超過混凝土抗拉強度，混凝土內部將產生微裂紋，隨著溫度降低，結冰量增大，微裂紋逐漸發展，最終導致結構破壞。

根據國家相關標準規范，臨界強度是指混凝土不遭受凍害前獲得的最低強度，即達到此強度后受凍再標養28 d的強度與標養28 d強度相比損失不超過5%。受凍臨界強度給出了混凝土強度的安全底線，目前大量學者[1-3]在受凍臨界強度領域做出研究，而大部分研究結果都認為，混凝土只要達到臨界強度就可以安全應用。然而隨著混凝土高性能化，單一的強度指標難以滿足現代社會發展對混凝土性能的需求，混凝土受凍后的耐久性能研究相對缺乏[4]，本文重點針對混凝土達到受凍臨界強度后的耐久性能進行研究，通過水化機理分析耐久性能變化規律。

2 工程概況

圖1 天津高銀117大廈效果圖Fig.1 Effect of Tianjin Gaoyin 117 building

伴隨著國民經濟的快速發展，人民生活水平的日益提高，城市擴張的不斷加快，為體現城市的魅力，滿足人們對建筑活動空間的需求，超高層建筑像雨后春筍一樣迅猛發展[5]，大量的城市地標性超高層建筑正在興建或規劃，據統計，在2015年已經建成的世界最高的10幢超高層建筑中[6]，有6幢在中國。

天津高銀117大廈結構高度達597米，如圖1，施工周期長達數年，混凝土冬期施工是其必然經歷的施工階段，混凝土作業面高，高空中溫度低、風力大，不易于養護，2012～2015年天津冬期氣溫狀況如表1所示。寒冷的施工溫度對于混凝土質量的保障帶來巨大的困難，因此對于混凝土臨界強度及耐久性能研究具有重要的指導意義。

表1 2012～2015年天津市冬季氣溫狀況(天數)Tab.1 Tianjin winter temperature situation (number of days)

3 試 驗

3.1 原材料

表2 水泥及礦物摻合料的化學成分Tab.2 Cement and mineral admixtures chemical composition wt/%

實驗所用的水泥為冀東P·O 42.5水泥，實測3 d抗壓強度為30.4 MPa，28 d抗壓強度為52.3 MPa；粉煤灰為天津寶振生產的I級粉煤灰，細度為9%，需水量比為93%；礦粉為典實S95礦粉，7 d及28 d活性指數分別為78%、97%；硅灰為埃肯硅灰，比表面積為18000 m3/kg，28 d活性指數為102%，SiO2含量為91%，需水量比為118%。細集料采用細度模數為2.4的河砂，粗集料采用5～16 mm連續級配碎石。外加劑使用聚羧酸高性能外加劑，固含量為20%，減水率為18%，防凍組分使用無機鹽類，文中6C+12N(6Ca(NO3)2+12NaNO3)代表兩種無機鹽類防凍組分與外加劑質量分數比為6%及12%。水泥、礦粉、粉煤灰及硅灰的化學成分如表2所示。

3.2 試驗方法

新拌混凝土工作性能按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB/T50080-2002)進行測試；混凝土耐久性能參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082-2009)進行，采用DR-2C型混凝土自動快速凍融試驗設備檢測混凝土抗凍性能，采用平均質量損失率及動彈性模量損失率評價其抗凍性能；采用NJ-DTC混凝土氯離子電通量測定儀檢測混凝土氯離子滲透性能；采用CCB-70A型混凝土碳化試驗箱檢測混凝土抗碳化性能。水化礦物的XRD測試采用日本Rigaku公司生產的D/Max-IIIA型X射線衍射儀，使用銅靶Kα射線和石墨單色器，衍射強度和d值用軟件JADE5.0分析。采用恒溫箱干燥與高溫爐灼燒檢測混凝土非蒸發水含量，表征混凝土水化程度。

3.3 混凝土配合比

試驗混凝土配合比如表3所示。

表3 試驗用配合比及相關性能Tab.3 Test mix and relative performance

3.4 試驗條件

混凝土出機溫度為10 ℃，混凝土受凍溫度為-10 ℃。混凝土成型后經過不同時間預養護(標準條件)后，在低溫試驗箱養護7 d(-7 d)，然后轉正溫(標準條件)養護28 d(-7+28)，檢測各項性能指標。

4 結果與討論

4.1 混凝土受凍臨界強度

4.1.1 含氣量對混凝土臨界強度的影響規律研究

適宜的含氣量有助于提高混凝土抗凍性能[7]。研究不同混凝土含氣量(1%、3%及5%)對混凝土受凍臨界強度的影響。

圖2 含氣量對混凝土臨界強度的影響Fig.2 The influence of air content on the critical strength of concrete(a)pre-curing strength;(b)compressive strength ratio

從圖2中可以看出，混凝土預養護強度隨含氣量提高而降低。當混凝土含氣量為5%時，混凝土在預養護12 h即達到了受凍臨界強度，而當含氣量為1%及3%時，雖然其相同預養護時間條件下強度較高，但其達到受凍臨界強度的時間卻越長，為18 h，表明適宜含氣量可降低凍脹對混凝土結構造成的破壞，有助于混凝土的抗凍性能的提高。

4.1.2 防凍組分對混凝土受凍臨界強度的影響規律研究

防凍組分可降低冰點，提高混凝土在低溫條件下的強度發展速度。保持混凝土含氣量(3%)不變，研究防凍組分用量(4C+8N、6C+12N及8C+16N)對混凝土受凍臨界強度的影響。

圖3 防凍組分對混凝土受凍臨界強度的影響Fig.3 The influence of antifreeze components on the critical strength of concrete(a)pre-curing strength;(b)compressive strength ratio

從圖3中可以看出，由于防凍組分的激發作用，混凝土預養護強度隨防凍組分摻量的提高而提高。當防凍組分摻量為8C+16N時，混凝土預養護6 h就達到受凍臨界強度；同時，防凍組分用量為4C+8N及6C+12N時，混凝土在預養護12 h后就達到了受凍臨界強度。表明防凍劑可顯著改善混凝土抗凍能力，可顯著降低混凝土預養護時間。

4.2 耐久性能研究

耐久性試驗配合比及養護條件如表4所示。

表4 耐久性試驗混凝土配合比及養護條件Tab.4 Concrete durability test mix and curing conditions

4.2.1 混凝土抗凍性能研究

平均質量損失率實驗結果見表5；動彈性模量損失率實驗結果見表6。

由表5試驗結果可知，1#在凍融循環200次的時候試塊直接崩裂破壞；2#在凍融循環達到300次的時候質量損失率達到最大，為4.2%；3#最大質量損失率出現在凍融循環300次的時候，為3.8%，都遠小于5%的質量損失率。比較1#及2#結果，混凝土在達到受凍臨界強度條件下，引入適量防凍組分有助于混凝土抗凍融性能。

由表6動彈模量損失率結果可知，試樣1#在200次凍融循環后崩裂破壞，在150次時動彈模量損失率小于40%，表明其抗凍等級為F150；試樣2#及3#在凍融循環250次時，動彈模量損失達到40%以上，表明混凝土已經凍融破壞，即試樣2#及3#的抗凍等級為F200。凍融循環達到250次的時候，試樣內部由于凍融破壞產生微裂縫，導致水滲透至試樣內部，試樣質量變化不大，然而動彈模量開始大幅降低，最終導致凍融破壞。比較試樣1#及2#結果可知，防凍組分引入后可抵抗凍融環境對混凝土結構的破壞。

表5 平均質量損失率試驗結果Tab.5 The average mass loss rate results

表6 動彈性模量損失率試驗結果Tab.6 Dynamic elastic modulus loss results

4.2.2 混凝土氯離子滲透性能

氯離子滲透性能反應了混凝土結構的密實性，采用電通量法表征3個試樣的抗氯離子滲透性能，試驗結果見表7。

表7 混凝土抗氯離子滲透性能試驗結果Tab.7 Concrete resistance to chloride ion penetration results

混凝土的滲透性和混凝土的密實性和空隙結構有關。試樣3#標準養護，混凝土水化充分，密實度高，孔隙少，其抗氯離子滲透性能最優，電通量僅為448 C。試樣1#混凝土受凍后水化進程受到阻礙，混凝土空隙率大，其電通量最大為1628.3 C。相比于試樣1#，試樣2#中防凍劑具有防凍及早強作用，提高了混凝土水化程度，電通量大幅度降低，僅為570 C。

4.2.3 混凝土抗碳化性能

碳化試驗結果如表8所示。

從表8中可以看出，標養試樣3#碳化28 d深度為2.9 mm，60 d為3.5 mm，表明C60混凝土抗碳化性能良好。與標養試樣相比，試樣1#各齡期碳化程度均有不同程度的增大，雖然經過預養護，混凝土受凍恢復正溫后強度骨架已經形成，但是水化程度仍不如試樣3#，混凝土孔隙率較高，相同條件下抗碳化能力較弱；比較試樣2#發現，雖然預養護時間相較1#較短，但是加入防凍組分后加快了低溫條件下水化速度，同時提高了混凝土內部的堿儲備，從而提高了混凝土的抗碳化能力。

表8 混凝土碳化試驗結果Tab.8 The test results of concrete carbonation /mm

4.3 混凝土水化進程研究

4.3.1 水化產物礦物分析

圖4 混凝土水化產物分析Fig.4 Hydration product analysis(a)pre-curing;(b)-7 d;(c)-7+28 d

圖5 混凝土水化產物非蒸發水含量結果Fig.5 Concrete hydration products of non-evaporated water content results

從(a)中可以看出，預養護后混凝土水化產物產生量相當，表明早期水化進程相近；-7 d養護后，比較發現試樣2#反應程度比試樣1#有顯著提高，Ca(OH)2峰值明顯增強，表明負溫環境里，由于防凍組分作用，試樣2#仍有部分游離水參與水化反應；-7+28 d養護后，試樣2#水化反應程度仍然較高，表現為其SiO2峰值較低，即表明混凝土二次水化反應程度較深，形成更多的水化產物，水泥石結構更加致密，孔隙率更低，這也與耐久性能結果相一致。

4.3.2 水化產物非蒸發水含量分析

從圖5中可以看出，隨著養護時間的延長，試樣非蒸發水含量逐漸增多，不同齡期試樣2#非蒸發水含量值均高于試樣1#。尤其是-7 d養護后，試樣1#非蒸發水含量沒有明顯提高，而試樣2#具有較大增長，規律與XRD水化分析結果相似，表明防凍組分可維持混凝土負溫條件下水化進程；-7+28 d養護后非蒸發水含量試樣1#及2#差異不大，表明后期試樣1#水化進程加快，這也與其受凍前達到臨界強度有關，但2#水化進程仍高于1#。

5 結 論

(1)混凝土達到臨界強度時間及臨界強度值隨含氣量的提高而降低，但含氣量過高混凝土強度較低；當含氣量為3%時，混凝土受凍抗凍性能最優;

(2)摻防凍組分后，混凝土達到臨界強度所需預養護時間降低，混凝土臨界強度降低，表明防凍組分可提高混凝土的抗凍能力;

(3)達到臨界強度后，不摻防凍組分與摻防凍組分混凝土后期耐久性能有所不同。與標準試樣相比，不摻防凍組分混凝土受凍后的后期耐久性能顯著降低，摻防凍組分混凝土受凍后的耐久性能良好，與標準試樣相當，即防凍組分不僅可保障混凝土力學性能，對于提高耐久性能具有重要作用;

(4)從混凝土水化進程看，防凍組分促進了水化反應進程，尤其是在負溫環境中養護時，摻防凍組分試樣水化程度加深，這在一定程度上對于保障混凝土早期結構順利發展具有積極意義，促進了后期水泥石結構的形成。

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Critical Strength and Durability of Winter Construction Concrete for Tianjin Gaoyin 117 Building

YUANQi-tao1,2,CHENQuan-bin2,LUOZuo-qiu2,TANGYu-chao2,DINGLu-jing2

(1.Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.China Construction Ready Mixed Concrete Tian Jin Co.Ltd,Tianjin 300450,China)

The influence of different air content and antifreeze components on the critical strength of concrete was researched. And the durability of concrete was characterized by freeze-thaw cycles, chloride ion permeability properties and carbonation. The results showed that: the higher the air content was, the shorter time-achieve concrete critical strength was, the lower threshold intensity value was. Antifreeze component promoted the concrete strength development under low temperature environment. After reaching the critical strength, freeze-thaw cycles, chloride ion permeability and carbonation properties of mixed with antifreeze component sample were comparable to standard sample, respectively F200,570 C and 3.4 mm.The durability of sample without antifreeze was significantly deteriorated. Antifreeze components accelerated hydration reaction process. Especially, for the conservation under the negative temperature environment, hydration degree significantly increased deepened.

winter construction;critical strength;durability;hydration mechanism

袁啟濤(1982-)，男，在職博士.主要從事高性能混凝土研究.

陳全濱，碩士.

TU502

A

1001-1625(2016)10-3307-07