負溫養護下水化硅酸鈣晶種對混凝土抗壓強度的影響

鄭新國 郁培云 段林鋒 李書明 張馳 鄧青山

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.中鐵上海工程局集團第七工程有限公司，上海 710061

隨著我國鐵路建設的快速發展，越來越多的鐵路工程將在嚴寒地區修建，而混凝土在負溫環境下施工易出現凝結硬化時間長、內部結構受凍破壞、后期強度損失大等問題。文獻［1］通過試驗分析了負溫下普通水泥混凝土的凍脹規律，以及基準混凝土早期凍脹應力對混凝土強度及抗凍性能的影響；文獻［2］研究了正負溫交替養護下混凝土動彈性模量、抗壓強度以及損傷程度的變化規律。目前，負溫環境下混凝土施工主要采用保溫養護、摻加鹽類防凍劑等方法。鐵路無砟軌道為板條狀結構，平面尺寸大，施工線路長，采用保溫養護措施費時費力，因此通常采用摻加防凍劑的方法。鹽類防凍劑在負溫下可使水泥石中水處于液相，促進水化反應，緩解凍脹應力，提高混凝土強度，然而當養護溫度轉為正溫后摻加鹽類防凍劑會導致混凝土強度降低。這是因為鹽類防凍劑使拌和水成為鹽溶液，導致水泥顆粒不能充分水化，同時未完全水化的鹽類防凍劑殘留在水泥漿體內部，在后期不斷結晶析出。因此，研究低含鹽量的混凝土防凍劑是目前的主要發展方向。

摻入水化硅酸鈣晶種是近年發展起來的一種混凝土早強技術。通過將人工合成的水化硅酸鈣摻入混凝土中誘導水化產物更快結晶析出，加速早期水泥水化，提高早期強度，同時可以避免傳統早強劑帶來的不足。文獻［3-4］提出了單礦水化法、水熱合成法、溶液沉淀法等多種水化硅酸鈣晶種制備方法，探究了水化硅酸鈣晶種對水泥水化放熱速率、混凝土強度的影響規律，明確了水化硅酸鈣晶種的作用機理。然而，現有研究主要在常溫養護下進行，負溫養護下水化硅酸鈣晶種對混凝土的強度影響研究鮮有報道。因此，本文針對負溫養護下混凝土強度發展緩慢問題，探究水化硅酸鈣晶種對混凝土強度的影響規律，為新型混凝土防凍劑研究提供技術支持。

1 水泥混凝土抗壓強度試驗

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其化學組成和物理力學性能見表1、表2。粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，礦粉為礦渣粉。骨料采用5～20 mm級配碎石，砂子采用細度模數2.6的河砂。減水劑采用非引氣類聚羧酸減水劑。水化硅酸鈣采用自制的水化硅酸鈣懸浮液，

表1 普通硅酸鹽水泥的化學組成 %

表2 普通硅酸鹽水泥的物理力學性能指標

合成工藝采用硅酸鈉和硝酸鈣溶液沉淀法，水化硅酸鈣平均粒徑38.5μm。

1.2 配合比

以鐵路無砟軌道結構常用的C30、C40、C50混凝土的配合比為基準，設置了不同晶種摻量的配合比，見表3。

表3 水泥混凝土配合比

1.3 試件養護及抗壓強度測試

考慮嚴寒地區混凝土施工環境溫度特點，分別設置正溫養護、負溫養護、正負溫交替養護等多種養護制度。

正溫養護：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于正溫20℃環境箱中養護至規定齡期，再拆模進行強度測試。

負溫養護：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于負溫（-5℃或-10℃）環境箱中養護至規定齡期，拆模后在20℃環境放置2 h進行強度測試。

負溫轉正溫養護：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于負溫（-5℃或-10℃）環境箱養護7 d后再移入20℃環境箱養護至規定齡期，再拆模進行強度測試。

正溫轉負溫養護：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于20℃環境箱養護至規定齡期，然后置于負溫（-5℃或-10℃）環境箱養護6 h，再拆模進行強度測試。

抗壓強度測試參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

2 結果與討論

2.1 正溫養護下晶種對混凝土強度的影響

20℃養護下混凝土抗壓強度隨齡期的變化見圖1。其中，C30-1.0表示摻入1%晶種的C30混凝土，其他以此類推。可知：①摻入晶種后不同等級混凝土抗壓強度均有所提升，且混凝土等級越高抗壓強度提升值越大，但抗壓強度提升比例越低。摻入1%晶種后C30、C40、C50混凝土24 h抗壓強度較不摻晶種時分別提高8.0、9.8、12.5 MPa，抗壓強度提升比例分別為61%、58%、37%。②隨著養護齡期延長，晶種對混凝土抗壓強度的提升作用逐漸減弱，且混凝土強度等級越高減弱現象越明顯。與不摻晶種時相比，摻入1%晶種后C30混凝土1、3、7 d抗壓強度分別提升61%、24%、20%，C40混凝土1、3、7 d抗壓強度分別提升58%、21%、7%。可見晶種對低強度等級混凝土抗壓強度的提升作用更加明顯。這是因為低等級混凝土中水膠比較大，水化產物中結構相對疏松的Ca（OH）2含量較高，摻入晶種后可以增加水泥水化過程中的成核位點數量，降低成核位壘，促進水化硅酸鈣結晶反應進行，使得水化產物中結構較為致密的水化硅酸鈣含量提高［5］。

圖1 20℃養護下混凝土抗壓強度隨齡期的變化

2.2 負溫養護下晶種對混凝土抗壓強度的影響

負溫養護下混凝土抗壓強度隨齡期的變化見圖2。對比圖1、圖2可知：①負溫養護下混凝土的抗壓強度遠低于正溫養護，且在-10℃養護混凝土抗壓強度較在-5℃養護更低。不摻晶種時養護溫度從20℃降至-5、-10℃，C30混凝土1 d抗壓強度分別下降74%、77%。②負溫養護下摻入晶種后，不同等級混凝土抗壓強度均有所提升，且由于負溫養護下混凝土強度發展延后，3 d時晶種對強度的提升作用較1 d和7 d高。在-5℃養護，與不摻晶種時相比，摻入1%晶種后C30混凝土1、3、7 d抗壓強度分別提升60%、82%、36%，C40混凝土1、3、7 d抗壓強度分別提升24%、70%、65%。③雖然負溫養護下混凝土抗壓強度較低，但摻入晶種后抗壓強度最大提升比例比正溫養護下有所提高。

圖2 負溫養護下混凝土抗壓強度隨齡期的變化

2.3 負溫轉正溫養護時晶種對混凝土強度的影響

負溫養護7 d后再轉入20℃養護。混凝土抗壓強度隨齡期的變化見圖3。

圖3 負溫轉正溫養護時混凝土抗壓強度隨齡期的變化

對比圖1、圖3可知：①不摻晶種時負溫轉正溫養護的混凝土抗壓強度遠低于正溫養護的混凝土，且低強度等級混凝土負溫轉正溫養護后抗壓強度損失更大，C30、C40、C50混凝土在-5℃養護56 d后轉正溫養護抗壓強度比20℃養護分別下降48%、45%、40%。②摻入晶種后不同強度等級混凝土抗壓強度均有所提升，且在-10℃養護，晶種對抗壓強度的提升作用較在-5℃養護更加明顯。這是因為在負溫下摻入晶種可以提高混凝土的早期強度，使得混凝土具有一定的抗凍性，且混凝土在-10℃養護更需要一定的早期強度。③摻入晶種后高強度等級混凝土在負溫轉正溫養護下抗壓強度下降比例顯著小于低強度等級混凝土。摻入1%晶種后C30、C40、C50混凝土在-5℃養護56 d后轉正溫養護抗壓強度較20℃養護分別下降47%、42%和11%。隨著混凝土強度等級提高，水膠比逐漸降低，凍結應力逐漸減小；同時摻入晶種后高強度等級混凝土早期強度發展較快，抗凍能力提高。

2.4 正溫轉負溫養護時晶種對混凝土強度的影響

20℃養護至一定齡期再轉入負溫養護6 h。混凝土抗壓強度隨齡期的變化見圖4。可知：①不摻晶種時正溫轉負溫養護的混凝土抗壓強度較正溫養護混凝土有所降低，且溫度越低抗壓強度損失越大。C30混凝土在20℃養護1 d后轉入-5、10℃養護，抗壓強度分別下降11%、23%。隨著混凝土齡期增長，負溫養護導致的抗壓強度損失逐漸減小，且低強度等級混凝土抗壓強度損失更大。C30混凝土在20℃養護28 d轉入-5、-10℃養護，抗壓強度分別下降8%、14%。C50混凝土在20℃養護28 d后轉入-5、-10℃養護，抗壓強度分別下降3%、8%。②不摻與摻入晶種混凝土正溫轉負溫養護后抗壓強度變化規律相似，但摻入晶種正溫轉負溫養護后抗壓強度降幅減小。C30混凝土不摻晶種正溫養護1 d轉入-5、-10℃養護，抗壓強度分別下降11%、23%；摻入1%晶種正溫養護1 d轉入-5、-10℃養護，抗壓強度分別下降7%、15%。

圖4 正溫轉負溫養護時混凝土抗壓強度隨齡期的變化

3 結論

1）正溫養護下晶種對不同等級混凝土抗壓強度均有提升作用，且混凝土等級越低抗壓強度提升比例越大。隨著養護齡期延長，晶種對混凝土抗壓強度的提升作用逐漸減弱，且混凝土強度等級越高減弱現象越明顯。

2）負溫養護下不摻晶種混凝土的抗壓強度遠低于正溫養護，隨著溫度下降混凝土抗壓強度逐漸降低。負溫養護下摻入晶種可提高不同強度等級混凝土抗壓強度，摻入1%晶種后C30混凝土3 d抗壓強度較不摻晶種時提高82%。雖然負溫養護下混凝土抗壓強度較低，但摻入晶種后抗壓強度最大提升比例顯著高于正溫養護。

3）正負溫交替養護下不摻晶種混凝土抗壓強度低于正溫養護，且低強度等級混凝土受凍后抗壓強度損失更大。摻入晶種可提升負溫養護下混凝土抗壓強度，且負溫越低晶種對混凝土抗壓強度的提升作用越明顯。