負(fù)溫環(huán)境對(duì)水泥水化程度及混凝土強(qiáng)度的影響研究

陳旭升，薄士威

（1.甘肅省公路管理局，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

近年來(lái)，隨著橋梁、公路等大型構(gòu)筑物向著寒冷地區(qū)的擴(kuò)建，混凝土逐漸開始在低溫、負(fù)溫下施工和養(yǎng)護(hù)，因此，混凝土在低溫、負(fù)溫下的強(qiáng)度和耐久性等問(wèn)題也開始受到重視。同時(shí)，由于混凝土耐久性失效問(wèn)題引起的結(jié)構(gòu)破壞和經(jīng)濟(jì)損失的案例逐漸增多[1-3]。混凝土中的孔分布形態(tài)錯(cuò)綜復(fù)雜，影響混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性、耐腐蝕性等性能[4]，引氣劑可以在混凝土中引入較為均勻的小氣泡，從而提高混凝土在抗凍性[5]。楊錢榮[6]等研究表明，混凝土在摻入引氣劑后的抗?jié)B性能有了大幅度的提高；張潤(rùn)瀟[7]等研究了在恒定低溫下養(yǎng)護(hù)的混凝土早期強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)溫度和齡期對(duì)混凝土強(qiáng)度有非常重要的影響；趙蕓平[8]通過(guò)對(duì)冬季混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)研究表明，混凝土在0℃以下強(qiáng)度也有緩慢增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)與齡期的不確定性因素較大。劉潤(rùn)清[9]研究了摻合料對(duì)低溫混凝土抗凍臨界強(qiáng)度作用的機(jī)理表明，在低溫養(yǎng)護(hù)下，摻合料以一種完全不參與水化的方式存在。莊麗輝[10]等人研究表明，混凝土在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下強(qiáng)度保持緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)與齡期的不確定性較大。

混凝土在低溫、負(fù)溫環(huán)境下施工養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律不同于混凝土在常溫條件養(yǎng)護(hù)下規(guī)律，試驗(yàn)研究了負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律和水泥水化程度的變化規(guī)律，對(duì)混凝土在低、負(fù)溫地區(qū)的使用打下基礎(chǔ)，同時(shí)也為低、負(fù)溫環(huán)境下混凝土的配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：本試驗(yàn)采用蘭州地區(qū)產(chǎn)的祁連山牌普通硅酸鹽水泥，水泥各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的要求。

礦物摻合料：本試驗(yàn)采用蘭州地區(qū)產(chǎn)II級(jí)粉煤灰，燒失量為3.8%，含水量為0.2%，需水量比為70%；采用蘭州地區(qū)產(chǎn)S95級(jí)礦粉，7d活性指數(shù)80%，28d活性指數(shù)98%，流動(dòng)度比105%，其余技術(shù)指標(biāo)均符合《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T18736-2002）的要求。

粗骨料：試驗(yàn)用粗集料選用5～31.5mm的連續(xù)級(jí)配，表面比較粗糙且質(zhì)地堅(jiān)硬的反擊破硅質(zhì)碎石，壓碎指標(biāo)為5.2%。

細(xì)骨料：按照《建設(shè)用砂》（GBT14684-2011）測(cè)定試驗(yàn)所用細(xì)集料的級(jí)配指標(biāo)，本試驗(yàn)選用細(xì)度模數(shù)為2.2，表觀密度為2.62g/cm3的細(xì)砂。

外加劑：試驗(yàn)用江蘇博特生產(chǎn)的緩凝性聚羧酸系高性能減水劑，減水率為26.5%，采用江蘇博特生產(chǎn)的引氣劑，技術(shù)指標(biāo)均滿足《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB500119-2003）的要求。

水：本試驗(yàn)所用水為飲用水。

1.2 試驗(yàn)配合比

1.2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)選用0.24、0.31兩個(gè)水灰比，試塊尺寸為：100mm×100mm×100mm，調(diào)整混凝土初始坍落度在200±20mm。基準(zhǔn)配合比見表1。

1.2.2 水泥水化試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)水化程度試驗(yàn)選用0.24、0.38兩個(gè)水灰比，試驗(yàn)配合比見表2。

表2 水化程度試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試

將混凝土試塊在-3℃條件下養(yǎng)護(hù)，測(cè)試不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度，同時(shí)每一個(gè)配合比以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組混凝土。將在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下的A1試塊編號(hào)為A1F，在常溫養(yǎng)護(hù)下的A1試塊編號(hào)為A1C，將在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下的B1試塊編號(hào)為B1F，在常溫養(yǎng)護(hù)下的B1試塊編號(hào)為B1C，以此類推。混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試用MTS電液伺服壓力機(jī)，見圖1。以3個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值。

1.3.2 水泥水化程度試驗(yàn)方案

將配合比C-1、D-1分別在-3℃、20℃下進(jìn)行水化熱試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用直接法測(cè)定恒定低溫下水泥水化熱。水泥水化熱通過(guò)控溫裝置內(nèi)的冰水溫升來(lái)計(jì)算。控溫裝置的散熱常數(shù)嚴(yán)格按照《水泥水化熱測(cè)定方法》（GB/T12959-2008）中熱量計(jì)散熱常數(shù)測(cè)定的相關(guān)規(guī)定測(cè)定，均滿足散熱常數(shù)小于167.00J/（h·℃）的要求。具體試驗(yàn)原理見圖2。

圖1 MTS電液伺服壓力機(jī)

圖2 水泥水化試驗(yàn)原理圖

1.3.3 試驗(yàn)負(fù)溫設(shè)備

試驗(yàn)環(huán)境條件模擬采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院建研科技股份有限公司生產(chǎn)人工氣候模擬系統(tǒng)，見圖3。該模擬系統(tǒng)溫度可控制在-45℃～90℃范圍，溫度波動(dòng)度不大于0.5℃，溫度均勻度誤差不超過(guò)2℃，升降溫速率為1.0℃/min，濕度范圍可控制在10%～98%RH。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

將負(fù)溫和常溫養(yǎng)護(hù)下配合比為A的混凝土在7d、14d、21d、28d、84d 的抗壓強(qiáng)度分別匯總于圖4。

由圖4可知，在標(biāo)養(yǎng)環(huán)境下，A1C混凝土7d強(qiáng)度為54.60MPa，A2C混凝土7d強(qiáng)度為50.64MPa，呈現(xiàn)A1C＞A2C的趨勢(shì)，養(yǎng)護(hù)到14d時(shí)，二者強(qiáng)度相差無(wú)幾，養(yǎng)護(hù)至21d時(shí)，呈現(xiàn)A2C＞A1C的趨勢(shì)，養(yǎng)護(hù)至84d時(shí)，A1C混凝土強(qiáng)度為70.10MPa，A2C混凝土強(qiáng)度為75.81MPa，后者為前者的1.08倍，由此可見，在混凝土中的摻合料效應(yīng)在養(yǎng)護(hù)后期才體現(xiàn)出來(lái)，原因可能是，在膠凝材料水化的早期，粉煤灰水化活性很低，且溶液中生成的有效的氫氧根離子較少，形成的堿性環(huán)境較弱，礦物摻合料的火山灰效應(yīng)不明顯。

表1 混凝土配合比

圖3 人工氣候模擬系統(tǒng)

圖4 A組混凝土強(qiáng)度值

比較含氣量為0.8%的A2C和含氣量為2.3%的A3C強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律可知，A2C的強(qiáng)度始終高于A3C，且隨著齡期的變化，兩者之間的差距越來(lái)越大，養(yǎng)護(hù)至84d時(shí)兩者強(qiáng)度達(dá)到最大差距，A2C強(qiáng)度為A3C的1.21倍。以上現(xiàn)象的可能原因是，引氣劑的加入，使初始狀態(tài)的混凝土中就含有較小的氣泡，初始含氣量的增加，使得混凝土中孔隙率增大，最終影響到混凝土強(qiáng)度。

在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，養(yǎng)護(hù)至7d時(shí)，混凝土強(qiáng)度A1F＞A2F，養(yǎng)護(hù)至14d時(shí)，混凝土強(qiáng)度A1F＜A2F，養(yǎng)護(hù)至21d時(shí)，混凝土強(qiáng)度A1F＞A2F，養(yǎng)護(hù)至28d時(shí)，混凝土強(qiáng)度A1F＜A2F，養(yǎng)護(hù)至84d時(shí)，混凝土強(qiáng)度A1F＜A2F，所以，在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，摻入礦物摻合料的混凝土在養(yǎng)護(hù)階段的強(qiáng)度增長(zhǎng)不穩(wěn)定。在84d時(shí)，A1F混凝土強(qiáng)度為44.20MPa，比養(yǎng)護(hù)至7d時(shí)增大了17.5MPa，A2F混凝土強(qiáng)度為44.65MPa，比養(yǎng)護(hù)至7d時(shí)增大了19.0MPa，由此可見，負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯緩慢，摻入的摻合料發(fā)揮效果更加不明顯，分析原因，負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，混凝土內(nèi)水泥水化的速度減慢，且部分水結(jié)冰，一方面減少了水泥水化所需要的自由水，另一方面水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹力使得混凝土內(nèi)出現(xiàn)微小的裂縫[11]，使得宏觀強(qiáng)度下降；摻合料的加入替代了一部分的水泥量，在摻合料性能沒(méi)發(fā)揮的情況下，水泥水化量減少，混凝土宏觀強(qiáng)度減小。

比較A2F和A3F強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)可知，A2F強(qiáng)度始終大于A3F的強(qiáng)度，和標(biāo)養(yǎng)時(shí)規(guī)律一致，兩者強(qiáng)度最大差距為，養(yǎng)護(hù)至14d時(shí)，A2F為A3F的1.95倍。由此可見，含氣量對(duì)在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)更加敏感。

將配合比為 B1、B2、B3 的混凝土在 7d、14d、21d、28d、84d的抗壓強(qiáng)度匯總于圖5。

圖5 B組混凝土強(qiáng)度值

由圖5可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，養(yǎng)護(hù)至7d時(shí)，B1C混凝土強(qiáng)度為34.8MPa，B2C混凝土強(qiáng)度為36.67MPa，養(yǎng)護(hù)至84d時(shí)，B1C混凝土強(qiáng)度為49.1MPa，B2C混凝土強(qiáng)度為52.35MPa，后者為前者的1.07倍。B2C表現(xiàn)出強(qiáng)度始終大于B3C的趨勢(shì)，與A組混凝土在標(biāo)養(yǎng)下規(guī)律表現(xiàn)一致。

在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，養(yǎng)護(hù)至7d時(shí)，B1F混凝土強(qiáng)度為20.1MPa，B2F混凝土強(qiáng)度為24.64MPa，養(yǎng)護(hù)至84d時(shí)，B1F混凝土強(qiáng)度為40.6MPa，比7d時(shí)增大了20.5MPa，B2F混凝土強(qiáng)度為45.21MPa，比7d時(shí)增大了17.57MPa，比84d時(shí)B-1混凝土強(qiáng)度增大了2.61MPa。由此可見，在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，水灰比較大的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)較大；加入的摻合料的混凝土試塊效果發(fā)揮也不明顯，與A組水灰比表現(xiàn)規(guī)律一致。

從圖5可以看出，在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，B2F的強(qiáng)度雖然始終大于B3F，但兩個(gè)強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線更加接近，強(qiáng)度相差較小，所以，在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，當(dāng)水灰比較小時(shí)，引氣劑對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的影響更大。

2.2 水泥水化結(jié)果分析

試驗(yàn)采用直接法測(cè)定-3℃、20℃恒溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥水化熱值，從而計(jì)算出水泥水化程度，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 水泥水化程度

從表3可知，C-1配合比水泥水化程度隨著齡期的增長(zhǎng)而增大。20℃恒溫養(yǎng)護(hù)下，0～7d齡期內(nèi)，水泥水化程度有較為劇烈的增長(zhǎng)，28d齡期后水泥水化程度逐漸變?nèi)酰?3℃恒溫養(yǎng)護(hù)下，0～7d齡期內(nèi)，水泥水化程度增長(zhǎng)較快，14d后逐漸變緩，1d、3d、7d、28d 水化程度達(dá)到 20℃養(yǎng)護(hù)同齡期水化程度的29%、34%、46%、46%。D-1配合比水泥水化程度隨著齡期的增長(zhǎng)而增大。20℃恒溫養(yǎng)護(hù)下，0～7d齡期內(nèi)，水泥水化程度有較為劇烈的增長(zhǎng)，28d齡期后水泥水化程度逐漸變?nèi)酰?3℃恒溫養(yǎng)護(hù)下，0～7d齡期內(nèi)，水泥水化程度增長(zhǎng)較快，14d 后逐漸變緩，1d、3d、7d、28d 水化程度達(dá)到20℃養(yǎng)護(hù)同齡期水化程度的33%、40%、51%、57%。由此可見，在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，水泥水化進(jìn)程只有常溫養(yǎng)護(hù)下的50%左右，隨著水灰比的增大，水泥水化程度變大。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)負(fù)溫、常溫下養(yǎng)護(hù)不同齡期的摻合料混凝土、引氣混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較，分析其在不同齡期下的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律，通過(guò)比較兩種水灰比的水泥在不同養(yǎng)護(hù)溫度下的水泥水化程度的比較，得出以下結(jié)論：

（1）常溫養(yǎng)護(hù)下，礦物摻合料的活性效應(yīng)在養(yǎng)護(hù)至21d左右才能得到有效發(fā)揮，前期摻合料混凝土強(qiáng)度低于未摻加摻合料的混凝土強(qiáng)度。

（2）負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，水灰比較大的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)較大；礦物摻合料的活性效應(yīng)發(fā)揮的更加遲緩。

（3）在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，含氣量對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)特別敏感，水膠比越小這種影響越巨大。

（4）水泥水化反應(yīng)隨著時(shí)間的進(jìn)行一直在發(fā)生，28d后進(jìn)程變慢，在-3℃養(yǎng)護(hù)下的水泥水化程度在28d時(shí)約為20℃養(yǎng)護(hù)下的50%。

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