蒸養對高強機制砂混凝土的熱損傷效應研究

段 運，王起才*，2，楊子江，尚文杰，魏定邦

（1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，蘭州 730070；3.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，蘭州 730030）

隨著交通、水電、建筑等基礎設施建設的大規模進行，混凝土作為重要的結構材料用量巨大.由于天然砂資源的短缺和生態環境保護的重視，機制砂替代天然砂配制混凝土已成為行業發展的必然趨勢.眾所周知，機制砂源自于巖石的機械破碎，相比于天然河砂，機制砂通常具有更粗糙的表面紋理、更多的棱角以及更高的細粉（75μm以下）含量［1-3］.采用機制砂配制的混凝土，其工作性、需水量、力學性能以及耐久性均不同于河砂混凝土［4-6］.通常機制砂混凝土的抗壓強度高于同條件下的河砂混凝土［7］，但機制砂混凝土性能受機制砂顆粒級配、石粉含量及MB值影響波動較大［4，8-9］；同時高品質機制砂對生產工藝和設備的要求較高，因而導致機制砂在高強混凝土中的應用較少［10-13］.

蒸汽養護可以顯著提高混凝土的早期強度，產生良好的經濟效益，因而常用于預制廠以及寒冷地區混凝土構件的生產.張耀煌等［14］研究發現延長預養時間和降低升、降溫速率可以提高低強混凝土28 d的抗壓強度.Shi等［15］研究表明蒸汽養護會對混凝土的后期強度和表面滲透性產生不利影響.田耀剛等［16］基于壓汞法研究表明蒸養下混凝土的總孔隙率增加，混凝土的抗凍性能降低.馬昆林等［17］研究發現蒸養對漿體表層的孔結構影響最大，表層孔隙率和200 nm以上的孔含量顯著增加.耿健等［18］研究表明蒸養下水泥石的孔隙率增大，尤其是有害孔和多害孔含量；孔隙率和平均孔徑均隨恒溫養護時間的延長而增加.Zou等［19］認為蒸養初期水蒸氣的膨脹壓力阻礙了水化物的析出和擴散，致使蒸養下水泥漿體的界面過渡區相對較弱.

綜上所述，關于機制砂混凝土的研究大部分都是在常溫養護條件下開展的，而對蒸養混凝土性能的研究基本都是針對河砂混凝土，缺少對蒸養下機制砂混凝土性能的研究，尤其是高強機制砂混凝土.因此，本文以高速鐵路軌枕混凝土的生產為研究背景，開展不同蒸汽養護溫度和時長下高強機制砂混凝土的宏觀性能研究，分析蒸養對水化產物形貌與結構、孔結構的影響，并從微觀層面探討蒸養對宏觀性能的熱損傷機理，以期為我國西北干寒地區高強機制砂混凝土的應用提供技術支撐.

1 試驗

1.1 原材料與配合比

水泥采用P·Ⅱ52.5硅酸鹽水泥，特性指標如表1所列.粗骨料采用5～20 mm的級配碎石，細骨料采用細度模數為2.90的機制砂和細度模數為2.83的河砂，粗、細骨料的級配曲線如圖1所示.機制砂的石粉含量為5.6%，亞甲藍值為0.8 g／kg.減水劑采用聚羧酸型減水劑，減水率為29.1%.機制砂混凝土設計等級為C60，采用中國高速鐵路中預應力混凝土軌枕常用的配合比［20］，具體如表2所列.

表2 混凝土配合比Tab．2 M ix proportion of concrete kg／m3

圖1 粗、細骨料的級配曲線Fig．1 G radation curves of coarse and fine aggregates

表1 水泥的基本指標Tab．1 Basic properties of cement

1.2 試樣制備與養護

首先根據配合比稱量原材料，再將粗、細骨料和水泥依次倒入強制式攪拌機中攪拌90 s，最后再將水和減水劑倒入，并繼續攪拌2 min.將新拌混凝土部分裝入邊長為100 mm的立方體模具中，用于抗壓強度和孔結構測試；部分裝入100 mm×100 mm×400 mm的長方體模具中，用于動彈性模量的測試；部分裝入直徑為100 mm，高度為50 mm的圓柱體模具中，用于抗氯離子滲透性測試.

機制砂混凝土試樣采用標準養護和蒸汽養護兩種制度.蒸汽養護制度主要包含靜養、升溫、恒溫和降溫四個階段，試樣的靜養在溫度20±2℃的室內完成，蒸養各階段的控制參數如表3所列.蒸養結束后的試樣置于標準養護室中繼續養護至28 d.標準養護的溫度為20±2℃，濕度96%以上.為分析機制砂對蒸養混凝土抗壓強度的影響，設置河砂混凝土為對照組.對照組采用T50-6 h和T50-12 h兩種蒸養制度.

表3 蒸養制度Tab．3 Steam curing system

1.3 試驗方法

依據規范［21］進行混凝土抗壓強度測試.依據規范［22］進行混凝土動彈性模量和抗氯離子滲透性測試.

水化產物的微觀形貌與結構采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀察，設備為蔡司GeminiSEM 500.測試樣品取自破碎混凝土中的漿體部分，樣品邊長約為2～4 mm，厚度約為1～2 mm，測試面不做任何打磨處理.樣品通過導電膠與樣品臺相連，為提高混凝土樣品的導電性，測試前對樣品進行噴金處理，測試過程如圖2所示.

圖2 SEM 測試過程Fig．2 SEM testing process

采用低場核磁共振技術（NMR）進行機制砂混凝土孔結構測試.依據核磁共振原理［23］，橫向弛豫時間T2可表示為：

式中：T2，surface為表面弛豫時間（ms）；ρ為表面松弛系數（nm／ms）；r為孔隙半徑（nm）；k為孔隙形狀因子，假定孔形為柱形孔，則k值為2.混凝土表面松弛系數通常在10～15 nm／ms［24］，本研究中取12.5 nm／ms.由上式可知，孔隙半徑與橫向弛豫時間呈正比例關系.NMR測試前需對樣品進行真空飽水24 h.

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

不同蒸養溫度和時長下機制砂混凝土28 d的抗壓強度如圖3所示.可以看出：機制砂混凝土在50℃和60℃下分別恒溫養護12 h和6 h后，其抗壓強度與標養3 d時的強度基本相同，說明蒸養可以顯著提高混凝土早期抗壓強度.

圖3 不同養護制度下機制砂混凝土抗壓強度Fig．3 Compressive strength of manufactured sand concrete under different curing systems

相比于標養下，蒸養下機制砂混凝土28 d的抗壓強度均較低，50℃和60℃下28 d抗壓強度分別降低了3.1%～5.2%和4.0%～7.7%，說明蒸養對機制砂混凝土后期抗壓強度造成了損傷，且恒溫養護溫度越高、時間越長，后期抗壓強度損傷程度越大.產生這種現象的原因主要是由于蒸養下機制砂混凝土的水化產物形貌與結構以及孔結構發生了改變，具體將在后續的SEM和孔結構分析中展開.

蒸汽養護下機制砂混凝土與河砂混凝土的抗壓強度如圖4所示.整體而言，蒸養下機制砂混凝土的抗壓強度高于河砂混凝土，這與常溫養護下的試驗結果一致［7-8］.T50-6 h和 T50-12 h蒸養制度下，機制砂混凝土蒸養結束時的抗壓強度比河砂混凝土分別高2.9 MPa和2.5 MPa，28 d時的抗壓強度比河砂混凝土分別高1.1 MPa和1.3 MPa，說明蒸養下兩者的早期抗壓強度差異較大，后期抗壓強度差異較小.這是由于機制砂中的石粉能夠填充水化產物之間孔隙，增加微觀結構的密實性［9］；同時石粉在早期水化過程中能夠為水化產物提供額外的成核位置，促進水泥的水化［25］，因而蒸養機制砂混凝土早期抗壓強度較高，但這種促進水化的作用會隨養護時間的延長而減弱，因而對后期強度的影響減小.

圖4 蒸養機制砂混凝土與河砂混凝土抗壓強度Fig．4 Compressive strength of manufactured sand concrete and river sand concrete under steam curing

2.2 動彈性模量

不同蒸養溫度和時長下機制砂混凝土28 d的動彈性模量如圖5所示.相比于標養下，不同蒸養溫度和時長下機制砂混凝土28 d的動彈性模量普遍較低，50℃和60℃下動彈性模量分別降低了1.6%～2.2%和1.8%～3.4%，說明蒸養對機制砂混凝土動彈性模量造成了損傷，且恒溫養護溫度越高、時間越長，動彈性模量的損傷程度越大.相比于蒸養對后期抗壓強度的損傷，蒸養對動彈性模量的損傷較小.

圖5 機制砂混凝土的動彈性模量Fig．5 Dynam ic elastic modulus of manufactured sand concrete

2.3 抗氯離子滲透性

不同蒸養溫度和時長下機制砂混凝土28 d的電通量如圖6所示，可以看出，相比于標養下，蒸養下混凝土電通量均增大，50℃和60℃下電通量分別增大了8.5% ～11.7%和14.2% ～15.9%，說明蒸養對機制砂混凝土抗氯離子滲透性產生了不利影響，且恒溫養護溫度越高、時間越長，電通量的增大程度越大.不同恒溫養護時間下機制砂混凝土在60℃下的電通量均高于50℃下，說明蒸養溫度對抗氯離子滲透性的影響程度高于恒溫時長，這主要是由于蒸養下孔隙的連通性增強導致.

圖6 機制砂混凝土的抗氯離子滲透性Fig．6 Chloride ion im permeability of manufactured sand concrete

2．4 SEM

機制砂混凝土在不同養護溫度下的SEM圖如圖7所示.可以看出：標養下絮狀水化硅酸鈣（C-SH）凝膠的結構較為密實，C-S-H團聚體之間的孔隙較??；氫氧化鈣（CH）晶體呈柱狀或板狀，且晶體尺寸較小；C-S-H凝膠與CH粘結緊密，C-S-H團聚體與CH之間的孔隙較少且孔隙尺寸較??；水化產物之間連通孔的尺寸和長度也較小.50℃蒸養下，部分C-S-H容易生長成含有較多孔隙的網狀結構，C-S-H團聚體之間孔隙增大（相比于20℃）；部分CH晶體容易生長為層狀結構，且各層之間出現明顯的間距，片狀的CH晶體尺寸也增大；C-S-H團聚體與CH之間的孔隙尺寸增大；連通孔的尺寸和長度也增大.60℃蒸養下，絮狀的C-S-H內出現微小孔隙；CH晶體容易生長為不規則的片狀結構，且各片層之間出現較大的間距，這種彎曲的CH似乎是晶體生長受到限制后發生偏轉產生的；C-S-H團聚體、CH、AFt（鈣礬石）之間孔隙尺寸明顯更大（相比于20℃和50℃）；連通孔的尺寸和長度也顯著增大.

圖7 機制砂混凝土SEM 圖Fig．7 SEM images of manufactured sand concrete

由Arrhenius方程可知，水泥的水化反應速率受養護溫度影響［26］，蒸養下水泥水化反應速率加快，水化產物在短時間內大量生成，極易生長為不規則、大尺寸或含有較多孔隙的結構，致使水化產物分布不均，水化產物之間的孔隙尺寸和含量增大，進而導致機制砂混凝土宏觀性能（抗壓強度、動彈性模量、抗氯離子滲透性）降低.蒸養溫度越高，C-S-H團聚體之間、C-S-H團聚體與CH之間的孔隙越大，機制砂混凝土宏觀性能損傷越大.混凝土的抗氯離子滲透性除了與孔隙的尺寸和含量相關外，還與孔隙的連通狀態有關［27］，而蒸養下連通孔尺寸和長度的顯著增大是機制砂混凝土抗氯離子滲透性大幅降低的主要原因.

2.5 孔結構

T2譜中分布曲線面積與混凝土的孔含量呈正比，橫向弛豫時間與孔徑大小呈正比［24］.為分析蒸養溫度和時長對孔結構的影響，采用NMR對機制砂混凝土28 d的孔隙水弛豫信號進行了測試，結果如圖8所示.從圖8可以看出，蒸養下機制砂混凝土T2譜分布曲線的面積明顯大于標養下；蒸養溫度越高、時間越長，T2譜分布曲線面積越大．相比于標養下，蒸養機制砂混凝土T2譜中第一峰的峰值信號強度明顯增大，峰值信號向右輕微移動；第二峰的峰值信號強度變化很小，但峰值信號向右移動顯著，蒸養溫度越高、時間越長，這種現象越明顯．說明蒸養下機制砂混凝土的孔含量增大、孔徑粗化，這也是蒸養下機制砂混凝土宏觀性能降低的原因．T2譜中第一峰的變化主要表現為峰域面積的增大，即毛細孔含量增加，第二峰的變化主要表現為峰值信號的右移，即孔隙尺寸增大，部分毛細孔向大孔轉變.

圖8 機制砂混凝土的T2譜Fig．8 T2 spectrum of manufactured sand concrete

標養和蒸養下機制砂混凝土中不同孔徑的孔含量占比如圖9所示，可以看出，相比于標養下，50℃和60℃下機制砂混凝土T2譜分布曲線的總面積分別增大了13.2%～23.7%和21.4%～28.5%，蒸養溫度越高、時間越長，機制砂混凝土的總孔含量增幅越大.相比于標養下，50℃下機制砂混凝土中100～1 000 nm的孔含量增幅最大，該孔徑范圍主要為C-S-H團聚體之間的孔隙［28］，可從SEM圖片中得到證實；60℃下，恒溫養護6 h的機制砂混凝土中100～1 000 nm的孔含量增幅最大，恒溫養護12 h的機制砂混凝土中1 000 nm以上的孔含量增幅最大，1 000 nm以上的孔主要為C-S-H團聚體、CH、AFt之間的孔隙［28］，也可從SEM圖片中得到證實.說明蒸養下水化產物分布疏松，100 nm以上的孔含量顯著增加，致使蒸養機制砂混凝土宏觀性能降低；蒸養溫度越高、時間越長，1 000 nm以上的孔含量越高，孔徑粗化顯著，因而宏觀性能降低程度越大.也說明蒸養下機制砂混凝土宏觀性能的損傷主要由受100 nm以上孔的影響.

圖9 機制砂混凝土中不同孔徑的孔含量占比Fig．9 Ratio of pore content of different pore sizes in the manufactured sand concrete

3 結論

通過對不同蒸養溫度和時長下機制砂混凝土的宏觀性能和微觀結構分析，得到以下幾點結論：

1）蒸養對機制砂混凝土的宏觀性能產生了不利影響，蒸養溫度越高、時間越長，宏觀性能的損傷越大.

2）蒸養溫度和時長對動彈性模量的損傷較小，對抗氯離子滲透性的損傷較大，這主要是由于蒸養下孔隙的連通性增強.

3）蒸養下C-S-H容易形成孔隙較大的網狀結構，CH容易生長為含有明顯間距的層狀結構，C-SH團聚體、CH和AFt之間的孔隙增大.

4）蒸養使機制砂混凝土孔含量增大，尤其是毛細孔含量，部分毛細孔向大孔轉變，孔徑粗化明顯.100 nm以上孔的變化是造成蒸養下機制砂混凝土宏觀性能損傷的主要原因.