-3 ℃養(yǎng)護下引氣混凝土強度及孔徑分布規(guī)律研究★

王天雙 王起才 代金鵬 張 波 王堅強

(1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070； 3.蘭州交通大學道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國對于交通運輸業(yè)的要求也隨之增加，一條高質(zhì)量、高效率的鐵路通道可以為沿線地區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟效益與社會效益，例如青藏鐵路的建成為青藏地區(qū)帶來了新的發(fā)展機遇，但是青藏高原地區(qū)氣候寒冷，氣溫低、溫差大，所以約有550 km鐵路穿越多年凍土區(qū)，沿線凍土年平均地溫為0 ℃～-3.5 ℃[1,2]，因此青藏鐵路常常“以橋代路”跨越多年凍土區(qū)，且橋梁基礎(chǔ)多采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)[3]，因此基礎(chǔ)的混凝土長期處于負溫的養(yǎng)護環(huán)境下。關(guān)于負溫混凝土，國內(nèi)外學者進行了大量的研究，張瑞穩(wěn)等[4]研究了負溫(-3 ℃)養(yǎng)護條件下，引氣混凝土在不同齡期內(nèi)混凝土強度及滲透性變化規(guī)律；代金鵬等[5]表明-3 ℃養(yǎng)護條件下，摻加礦物摻合料的混凝土強度均低于不摻加的，礦物摻合料的摻加對混凝土抗氯離子滲透性能有一定程度的改善，也可以細化混凝土的孔結(jié)構(gòu)；田悅等[6]采用恒低溫一次凍結(jié)法和自然變低溫多次凍結(jié)法，研究了在不摻防凍劑的情況下，不同養(yǎng)護條件下?lián)胶狭蠈Φ蜏鼗炷翉姸鹊挠绊懖y定混凝土在不同齡期的強度值；梁柯鑫等[7]研究了低溫(3 ℃)養(yǎng)護環(huán)境下不同水膠比對引氣混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)以及抗?jié)B性能的影響；李治等[8]對比了標養(yǎng)、恒負溫養(yǎng)護、變負溫養(yǎng)護下高性能混凝土抗壓強度、抗?jié)B性及抗凍性；楊英姿等[9]研究兩種坍落度、兩種防凍劑的混凝土在自然變負溫養(yǎng)護和恒負溫養(yǎng)護條件下抗壓強度發(fā)展規(guī)律；巴恒靜等[10]分析了負溫混凝土的顯微結(jié)構(gòu)，提出了變負溫環(huán)境中摻防凍劑混凝土的強度遠高于恒負溫養(yǎng)護下的強度；趙霄龍等[11]研究了摻混合材負溫防凍劑混凝土強度發(fā)展規(guī)律，并提出了混合材和高效防凍劑的使用摻量；尹建[12]采用理論分析與試驗研究相結(jié)合的方式，研究了不同養(yǎng)護制度下負溫混凝土的溫度場及微觀性能變化規(guī)律。以上研究多為單一含氣量下負溫混凝土的強度及性能，而實際工程中摻加引氣劑主要為了提高混凝土的抗凍性，而不同引氣劑摻量對強度及孔結(jié)構(gòu)的研究較少。本研究通過試驗，比較不同含氣量下標養(yǎng)與負溫養(yǎng)護下的混凝土的強度與孔徑分布，為負溫混凝土的施工與使用提供依據(jù)。

1 試驗過程

1.1 試驗原材料

本試驗儀器采用強制式混凝土攪拌機、人工氣候模擬箱、標養(yǎng)室、壓力試驗機以及多功能微結(jié)構(gòu)分析與成像系統(tǒng)等。水灰比采用0.36，水泥采用甘肅祁連山水泥集團股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5級水泥，水泥性能指標如表1所示。細集料采用天然河砂，含泥量為3.2%，細度模數(shù)為2.8，屬中砂；粗骨料選用粒徑范圍5 mm～31.5 mm的連續(xù)級配碎石；水采用蘭州自來水；減水劑選用緩凝型聚羧酸高性能減水劑；引氣劑為液體SJ-2型引氣劑，四組試驗引氣劑摻量分別為0%,0.05%,0.08%和0.12%，混凝土配合比如表2所示。

表1 P.O42.5水泥性能指標

表2 混凝土配合比

1.2 試驗步驟及方法

本試驗按照引氣劑摻量分為BF1,BF2,BF3和BF4四組，按照表2所示稱取規(guī)定的水泥、砂子、碎石等材料，按照要求拌和混凝土；坍落度控制在(200±20)mm，將新拌和的混凝土制成100 mm×100 mm×100 mm的試件，將試件分別在標準養(yǎng)護室(20 ℃)和人工氣候模擬箱(-3 ℃)養(yǎng)護，負溫養(yǎng)護的試件采用套袋保持一定的濕度。根據(jù)GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能試驗方法標準混凝土強度測試方法測試標準養(yǎng)護下28 d齡期的混凝土抗壓強度，負溫養(yǎng)護下測試7 d,14 d,21 d,28 d,35 d……抗壓強度，強度達到標養(yǎng)28 d的強度值的±3%范圍內(nèi)即視為達到等強度。然后利用多功能微結(jié)構(gòu)分析與成像系統(tǒng)(核磁共振系統(tǒng))，真空飽水24 h后測試達到兩種養(yǎng)護條件下等強度混凝土的孔徑分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土強度試驗結(jié)果分析

以標養(yǎng)28 d齡期的混凝土抗壓強度值的±3%范圍為基準，對比-3 ℃養(yǎng)護下規(guī)定齡期的抗壓強度，在此范圍內(nèi)即視為達到等強度，混凝土抗壓強度如圖1所示。

由圖1混凝土抗壓強度可以得知，兩種養(yǎng)護條件下，隨著引氣劑摻量的增加，同一齡期下混凝土抗壓強度降低；在-3 ℃養(yǎng)護下，混凝土抗壓強度隨著齡期逐漸增長，其中前14 d快速增長，可達到標養(yǎng)28 d的60%～83%，隨后增長速度減慢，主要是因為前期水泥的水化反應(yīng)中對強度起決定作用的C3S在早期的強度發(fā)展較快，并且水化反應(yīng)放熱又加速了負溫下混凝土的水化反應(yīng)，而到了后期負溫條件使得水分子接近冰點，導(dǎo)致水化反應(yīng)減緩，對強度發(fā)展起到了抑制作用；此外對比兩種養(yǎng)護條件下混凝土的抗壓強度，可以得到四種引氣劑摻量下混凝土達到等強度均為35 d，由此得到引氣劑摻量對負溫養(yǎng)護下混凝土達到等強度幾乎無影響，僅僅是負溫的養(yǎng)護環(huán)境會降低水泥的水化程度，從而減緩了混凝土抗壓強度的發(fā)展，達到等強度后，負溫混凝土抗壓強度繼續(xù)增長，直至超越標養(yǎng)28 d齡期的強度，由此也可以得到低溫僅是減緩了混凝土抗壓強度的發(fā)展速率，但是并不降低混凝土抗壓強度的發(fā)展大小。

2.2 孔徑分布試驗結(jié)果分析

將標準養(yǎng)護與達到等強度負溫養(yǎng)護的試塊分別真空飽水24 h后，利用核磁共振系統(tǒng)，可得到兩種養(yǎng)護方式下等強度混凝土的孔徑分布對比，如圖2所示。

由圖2等強度齡期下混凝土的孔徑分布可以得到：標養(yǎng)與負溫養(yǎng)護兩種養(yǎng)護方式下，隨著引氣劑摻量的增加，混凝土的孔徑分布向劣化趨勢發(fā)展，引氣劑摻量越大，孔隙數(shù)量與孔徑都增大，這也印證了混凝土抗壓強度的發(fā)展規(guī)律，引氣劑摻量越大，混凝土孔隙越大，強度也隨之降低，當引氣劑摻量為0,0.05%時，混凝土的孔徑大部分小于1 μm，此時混凝土的強度較高，而當混凝土引氣劑摻量為0.08%,0.12%時，孔隙數(shù)量和孔徑大小都增大較多，有害孔徑所占比例大大增加，混凝土的強度也隨之降低，所以引氣劑的摻加會降低混凝土的密實度，進而影響混凝土的強度。此外兩種養(yǎng)護方式下，同一引氣劑摻量，混凝土負溫下的孔徑分布差于標準養(yǎng)護，具體表現(xiàn)在孔徑變大且大孔徑所占比例上升，所以等強度混凝土只是達到了“等強度”，但是并未達到“等孔徑分布”，也未達到“等孔結(jié)構(gòu)”。

3 結(jié)果與分析

1)標養(yǎng)與負溫(-3 ℃)養(yǎng)護下，隨著引氣劑摻量的增加，混凝土抗壓強度降低，且引氣劑摻量對兩種養(yǎng)護方式下的混凝土達到等強度時長無影響，僅是負溫減緩了強度發(fā)展。

2)標養(yǎng)與負溫(-3 ℃)養(yǎng)護下，隨著引氣劑摻量的增加，混凝土的孔徑分布向劣化趨勢發(fā)展，使得抗壓強度也隨之降低。

3)同一引氣劑摻量，兩種養(yǎng)護方式下混凝土雖達到等強度，但是負溫養(yǎng)護的混凝土孔徑分布差于標養(yǎng)，即混凝土達到了等強度，但是并未達到等孔結(jié)構(gòu)。