養護方式對混凝土力學性能及孔徑分布的影響

■阮 坤

（福州新區交通建設有限責任公司，福州 350002）

混凝土的養護一般分為自然養護、標準養護和快速養護。 快速養護[1]是將混凝土試件置于特殊的養護條件（高溫、高濕或者高壓等）下時能夠在短時間內（幾小時）充分發展其極限強度顯著部分的方法；主要包括蒸汽養護，壓蒸養護和蒸壓養護等，該養護方式主要應用于預制構件的生產， 如管樁、電線桿等。

目前，與之相關的研究主要涉及不同養護條件下水泥的水化、水化產物和混凝土強度等，如Verback 等[2]研究了常溫養護和高溫養護下水泥的水化速率；趙興英等[3]的研究表明，高溫常壓的蒸汽養護下生成的水化產物的組成與標準養護下沒有本質區別， 但高溫高壓的壓蒸養護下水化產物種類繁多[4-5]；吳若塵[6]和陳陽亮等[7]研究表明，隨磨細砂摻量的遞增，標準養護和蒸汽養護混凝土抗壓強度均逐漸遞減； 壓蒸養護混凝土抗壓強度先遞增后降低；但他們未對其孔徑分布進行研究且未對蒸壓養護混凝土進行研究；陳偉等[8]研究表明，當混凝土中無礦物摻合料（礦渣粉和磨細砂）時，與普通養護混凝土相比，蒸汽養護和壓蒸養護混凝土均能夠使孔隙結構變粗、孔徑粗大化。 可見，養護方式不同，會影響到混凝土的強度和孔結構，但對于不同養護方式下混凝土強度及孔徑分布對比分析的研究還較少，因此，本文通過對四種養護方式（普通養護、蒸汽養護、壓蒸養護、蒸壓養護）下，摻磨細砂的混凝土抗壓強度及孔徑分布隨齡期的變化規律進行對比分析，研究不同養護方式對摻磨細砂混凝土力學性能及孔徑分布的影響。

1 試驗材料

試驗材料包括如下：（1）水泥：采用P.Ⅱ52.5 普通硅酸鹽水泥； 化學成分為燒失量2.34%、CaO 62.28%、SiO222.23%、Fe2O33.63%、Al2O35.24%、MgO 1.17%、SO32.36%、其他0.75%；物理性能指標為比表面積361 m2/g、 初凝時間140 min、 終凝時間195 min、3 d 抗折強度6.3 MPa、28 d 抗折強度9.4 MPa、3 d 抗壓強度33.4 MPa、28 d 抗壓強度62.2 MPa；（2）粗骨料：福清碎石，表觀密度為2550 kg/m3，堆積密度為1450 kg/m3，針片狀顆粒含量為8.3%，壓碎指標值為7%；（3）細骨料：閩清河沙表觀密度為2500 kg/m3，堆積密度1450 kg/m3；含泥量為0.3%； 細度模數為2.7； 平均含水率為5.67%，且保持穩定；（4）磨細砂：磨細砂產自福建建華管樁有限公司， 具體性能指標為比表面積405 kg/m3、 含水率0.1%、 二氧化硅91.5%、 密度2.63 g/cm3、氯離子含量0.016%、燒失量0.01%；（5）減水劑：采用YC-1 型萘系高效減水劑，其水泥凈漿流動度為220 mm， 密度為1.218 g/cm3，pH 值為9，氯離子含量0.14%，堿含量0.014%，減水劑其他的性能為減水率18.6%、泌水率比45%、初凝時間為135 min、 終凝時間為180 min、3 d 抗壓強度比141、7 d 抗壓強度比136、28 d 抗壓強度比128；含氣量1.8%；（6）水：取自福建建華管樁有限公司的自來水。

2 混凝土配合比、制作及養護

2.1 混凝土配合比及制備

本試驗采用高強混凝土， 配合比為理論用水135 kg/m3、 水泥270 kg/m3、 水粉比0.3、 天然砂645.15 kg/m3、石子1269.75 kg/m3、磨細砂180 kg/m3，在實驗室中制備成100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試塊。

2.2 混凝土養護

本文研究四種養護方式，其具體實施方式如表1所示。

表1 四種養護方式具體實施方式

3 試驗方法

3.1 抗壓強度測試

按照GB/T50081-2002 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對不同齡期（1 d、3 d、7 d、11 d、17 d、23 d、28 d）的混凝土進行抗壓強度測試。

3.2 孔結構測試

采用氮氣吸附法對不同齡期 （1 d、3 d、7 d、11 d、17 d、23 d、28 d） 混凝土進行孔結構測試，試驗儀器為北京金埃譜公司生產的V-Sorb2800-孔結構分析儀。

4 試驗結果及分析

4.1 抗壓強度

不同養護方式下混凝土抗壓強度隨齡期的變化規律如圖1 所示。 由圖1 可知：不同養護方式混凝土的抗壓強度隨齡期均呈現增長的趨勢，脫模后（1 d 齡期）壓蒸養護（AYZ）和蒸壓養護（AZY）混凝土抗壓強度已高于28 d 齡期普通養護 （APT）。 其中，7 d 齡期普通養護（APT）、蒸汽養護（AZQ）、壓蒸養護（AYZ）及蒸壓養護混凝土的抗壓強度分別達到了其28 d 齡期抗壓強度的70%、84.5%、92.8%、94.5%；28 d 齡期普通養護（APT）、蒸汽養護（AZQ）、壓蒸養護（AYZ）及蒸壓養護（AZY）混凝土抗壓強度分別為81.5、62.4、91.6、95.7 MPa，可見，蒸壓養護（先進行蒸汽養護后進行壓蒸養護） 能夠在早期較短時間內提高混凝土的抗壓強度且各齡期抗壓強度均最高。 蒸汽養護（AZQ）5 d 齡期以前混凝土抗壓強度高于同齡期普通養護（APT） 混凝土抗壓強度， 但5 d 齡期以后卻低于同齡期普通養護（APT）混凝土的抗壓強度，與文獻研究結果[9]相同。 原因是混凝土主要是由骨料、砂漿及砂漿與骨料之間的界面過渡區組成，在蒸汽階段，由于溫度升高（最高溫度80℃），水泥水化加快，使其在蒸汽養護后早期抗壓強度比同齡期普通養護混凝土抗壓強度高，但由于混凝土中石子和砂漿的熱膨脹系數不同，造成石子和砂漿之間產生裂紋或者石子與砂漿之間的粘結力下降，使混凝土后期抗壓強度與其他養護方式相比大幅度降低；壓蒸養護（AYZ）通過在高壓釜中進行高壓蒸汽養護雖然也容易導致混凝土微結構粗大化，但磨細砂中的二氧化硅與水泥的水化產物氫氧化鈣在高溫下反應生成強度較高的托勃莫來石族水化產物[9-10]，從而顯著提高了混凝土的抗壓強度；蒸壓養護（AZY）在加壓高溫（壓蒸）之前進行短時間的蒸汽養護，可加快水化反應，并產生更多的氫氧化鈣，但由于時間短，不至于使混凝土內部過早地產生裂紋，之后加壓高溫，磨細砂中的二氧化硅與更多的水化產物氫氧化鈣仍會反應生成強度較高的托勃莫來，因此通過蒸汽與壓蒸結合的蒸壓養護（AZY）對混凝土的強度發展最有利。

圖1 不同養護方式下混凝土抗壓強度隨養護齡期的變化規律

4.2 孔徑分布

吳中偉院士根據孔徑大小把混凝土中的孔大致分為四大類：無害級孔（＜20 nm）、少害級孔（20～50 nm）、有害級孔（50～200 nm）、多害級孔（＞200 nm）。同時，他又認為增加50 nm 以下的孔，減少100 nm以上的孔，能夠大大提高混凝土的性能。 因此，本文將混凝土分為以下幾類：孔徑＜20 nm、孔徑20～50 nm、孔徑50～100 nm、孔徑＞100 nm。 根據這種分類方法，得到不同養護方式混凝土1 d、3 d、7 d、11 d、17 d、23 d 和28 d 的孔徑分布隨齡期的變化規律如圖2～5所示。

圖2 蒸壓養護（AZY）混凝土孔徑分布隨齡期的變化

圖3 標準養護（APT）混凝土孔徑分布隨齡期的變化

圖4 蒸汽養護（AZQ）混凝土孔徑分布隨齡期的變化

圖5 壓蒸養護（AYZ）混凝土孔徑分布隨齡期的變化

由圖2～5 可知， 各養護方式孔徑＜20 nm 的混凝土孔體積百分比隨齡期呈現增長的趨勢， 而孔徑＞100 nm 的混凝土孔體積百分比呈現減少的趨勢； 即微孔所占總孔的孔體積百分比逐漸增大，大孔所占總孔的孔體積百分比逐漸減少。 因為隨著混凝土養護齡期的增加， 水泥膠凝材料不斷水化，水化產物填充孔隙，使混凝土中大孔所占的比重減少而增加了微孔的比重。 而微孔的增加和大孔的減少有利于提高混凝土的抗壓強度和抗滲性能，有利于改善混凝土的耐久性能。

由圖2～5 可知，28 d 齡期蒸壓養護（AZY）混凝土孔徑＜20 nm 的孔體積占總體積的46.23%，孔徑＞100 nm 的混凝土孔體積占總體積的2.8%； 普通養護（APT）混凝土孔徑＜20 nm 的孔體積占總孔體積的49.2%， 孔徑＞100 nm 的孔體積占總體積的7.36%；蒸汽養護（AZQ）混凝土孔徑＜20 nm 的孔體積占總孔體積的62.13%，孔徑＞100 nm 的孔體積占總體積的7.16%；壓蒸養護（AYZ）混凝土孔徑＜20 nm的孔體積占總孔體積的50.63%，孔徑＞100 nm 的孔體積占總體積的3.81%。可見，與普通養護（APT）相比，蒸汽養護（AZQ）可以顯著增加孔徑＜20 nm 的孔體積占比，蒸壓養護（AZY）及壓蒸養護（AYZ）混凝土對孔徑＜20 nm 的孔體積占比影響不大。 這主要由于在蒸汽養護階段（最高溫度為80℃，養護時間為4 h），養護時間較短，溫度升高，有充足的蒸汽的存在， 使混凝土具有足夠的溫度和濕度， 水泥水化加快，這些水化產物填充砂漿中較大的孔隙，使混凝土中砂漿大孔減小，改善了混凝土的孔徑分布；壓蒸養護由于溫度過高，混凝土水化更加迅速，對混凝土孔徑分布具有改善作用， 但由于溫度過高且養護時間較長容易導致混凝土微結構粗大化， 使混凝土的砂漿產生細小的裂紋， 對混凝土孔徑分布產生不利的影響， 這兩種作用相互抵消使蒸壓和壓蒸養護對混凝土孔徑分布影響不大。

5 結論

（1）隨齡期的增長，四種養護方式下混凝土的抗壓強度均逐漸增大，但增幅的快慢有明顯的不同，其中普通養護混凝土（APT）增幅較快，蒸汽養護混凝土（AZQ）次之，蒸壓養護（AZY）和壓蒸養護（AYZ）混凝土變化最慢；（2）蒸汽養護混凝土早期（5 d 齡期以前）的抗壓強度均高于普通養護混凝土早期（5 d 齡期以前）的抗壓強度，但隨著齡期的繼續增長，蒸汽養護混凝土的抗壓強度卻低于普通養護混凝土的抗壓強度；（3）蒸壓養護及壓蒸養護均能在早期顯著地提高混凝土的抗壓強度，1 d 齡期的強度已超過普通養護混凝土28 d 齡期的強度， 在測試齡期內蒸壓養護混凝土的抗壓強度均最高；（4）隨養護齡期的增長， 四種養護方式下水泥石的孔徑分布均呈現大孔孔體積占比減少，而小孔、微孔孔體積占比增大的趨勢；與普通養護相比較，蒸汽養護可以較好地改善水泥石的孔徑分布， 而蒸壓養護和壓蒸養護對水泥石的孔徑分布無明顯的改善作用。