加壓工藝對混凝土內部結構的影響研究

文／張露 重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074

浙大寧波理工學院土木建筑工程學院 浙江寧波 315100

引言：

國內外有部分學者對壓力成型的水泥基材料制備方法開展過研究討論。黃世峰等[5]利用電動壓片機將拌合物壓制成型，研究發現10MPa 成型壓力制備的碳纖維增強水泥復合材料孔隙率明顯低于2MPa 成型壓力制備的復合材料。何娟等[6]通過施加12MPa 成型壓力制備玻璃纖維增強水泥，將抗彎剛度相對于成型壓力為0MPa 的玻璃纖維增強水泥提升了72.5%。以上所述的均為短期加壓，而持續加壓的制備方法則少有報道。

本文通過持續加壓的方式對普通混凝土進行壓力成型，研究了不同增壓壓力對普通混凝土力學性能及抗氯離子滲透性能的提升效果，測試了試樣氣孔結構及界面過渡區顯微硬度，探究持續加壓下成型的混凝土宏觀性能提升的機理。

1.試驗過程

1.1 試驗材料

試件采用C30 混凝土，水灰比為0.48。材料選用浙江象山海螺牌P.O 42.5 級水泥，細骨料為天然河砂，粗骨料為粒徑5～20mm 連續級配的碎石。混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比設計（kg/m3）

1.2 試驗設計

圖1 表示增壓試件制備的過程。首先根據表1 稱取一定質量比的水泥等材料，置于混凝土攪拌機中混合均勻，澆筑于內徑100mm、高度500mm 的鋼制模具中振搗后用鋼制活塞扣緊密封。試件增壓過程通過徐變儀實現。將裝有拌合料的鋼質模具放入徐變儀中心處，通過液壓千斤頂對其施加豎向壓力直至到達設計增壓壓力，擰緊徐變儀螺母并保持壓力狀態2d 后卸壓。卸壓后移出徐變儀并通過千斤頂將模具內部的硬化混凝土取出，隨后移入標準養護室內養護。

圖1 增壓試件制備過程

設計增壓壓力如表2所示。其中，S（Standard）代表成型壓力為0MPa 的標準試件，澆筑振搗后與其他試件放置于相同溫濕度環境中。P（Pressurized）代表在不同成型壓力下成型的增壓試件。何娟等人[6]試驗表明12MPa 成型壓力。

以下的試驗結果良好，本試驗選擇5～15MPa 區間內，以5MPa 為梯度，設計不同增壓壓強（5MPa、10M Pa、15MPa）。P5 即為增壓5MPa 下成型的混凝土試件。表2 中各試驗組的增壓壓力由基本力與壓強公式（1）計算得到。

表2 試驗設計分組

式中，F 為壓力，kN；P 為壓強，MPa；S 為受力面積，m2。

上表中，有些論文授予名單上題名是中文題名，但是實際紙本上題名為英文題名，如表中序號為2、4、8、15、16、17、19、28的博士論文。有些論文授予名單上題名是英文題名，而實際紙本題名為中文題名，如表中序號為7、9、11、12、13、18、21、22的論文。還有的論文授予名單上題名與紙本論文題名存在差異，如序號為14的論文。

1.3 測試方法

1.3.1 抗壓強度

混凝土力學性能測試參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081）中的附錄C。試件在標準養護室養護至28d 后被分別取出，切割為直徑100mm、高度200mm 的試塊進行抗壓強度測試。

1.3.2 抗氯離子滲透性能

混凝土抗氯離子滲透試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082）和《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》（JTG/T B07-01）中的快速氯離子遷移系數法（RCM 法），測定氯離子在28d 混凝土試件中非穩態遷移的遷移系數來確定混凝土抗氯離子滲透性能。

1.3.3 氣孔結構

采用精密切割機將各試驗組養護28d 的試件切割3個40mm×40mm×10mm 的試塊，分別取自原試件上、中、下部位。將試樣待測面置于研磨機上依次用粒度為80、240、400、800、1200（單位待返）的砂紙打磨拋光后，利用記號筆涂黑待測面并均勻涂抹納米級碳酸鈣粉末。運用硬化混凝土氣孔結構分析儀測試混凝土孔結構，獲得硬化混凝土的平均氣泡半徑等氣泡特征參數，結果取平均。

1.3.4 顯微硬度

采用精密切割機將養護28d 的試件切割為40m m×40mm×10mm 的試塊。將試樣待測面置于研磨機上依次用粒度為80、240、400、800、1200 目的砂紙打磨拋光。各試塊選取2 個骨料測試，其中各骨料沿界面法線方向測試17 點（各點間隔10μm），沿不同法線方向測試3 次，結果取平均。

2.試驗結果

2.1 外增壓對抗壓強度的影響

各試驗組在28d 養護齡期的抗壓強度如圖2所示。

圖2 28d 齡期下混凝土抗壓強度

由圖可知，不同壓力下成型的混凝土在28d 齡期下抗壓強度均有不同程度的提升。其中，P5 組在齡期28d時的抗壓強度比S 組提高了12.7%； P10 組的抗壓強度比S 組提升了27.4%，增幅最為顯著。然而，P15組并未實現抗壓強度的進一步提升，與S 組相比，其在28d 齡期的抗壓強度提高了11.9%，提升效果與P5 組相近。

2.2 外增壓對抗氯離子滲透性能的影響

各試驗組混凝土試件的非穩態氯離子遷移系數結果如圖3所示。

圖3 不同增壓壓力下混凝土非穩態氯離子遷移系數

由圖可知，持續增壓成型對混凝土的抗氯離子滲透性能有明顯的提升效果。其中，P5 組、P10 組及P15 組的非穩態氯離子遷移系數相比S 組，分別降低了36.2%、48.9%及34%，P10 組的抗氯離子滲透性能提升最為顯著。

2.3 外增壓對氣孔結構的影響

圖4 表示不同增壓壓力下成型的混凝土通過氣孔結構分析儀所測得的氣泡平均半徑及含氣量。

圖4 不同增壓壓力下混凝土氣泡參數

從圖4 中可知，增壓試件組的含氣量相較于S 組均在一定程度上減少。P5 組的含氣量比S 組減少了33.3%，P10 組的含氣量比S 組減少了50%，說明在混凝土成型期對其施加壓力時，其內部的部分空氣被擠壓而出，致使混凝土含氣量減少。P5 組和P10 組的氣泡平均半徑與S 組分別減小了20%和30%。P15 組表現出不同的變化特征，其含氣量下降量少，且氣泡平均半徑與S 組接近。分析其原因為：當增壓壓力為5MPa和10MPa 時，水泥砂漿中氣泡平均半徑顯著減小，說明混凝土拌合物受到壓力作用，水泥砂漿更容易向孔隙擠壓填充，硬化后更加密實。另一方面，氣泡所受到的液體靜壓力越大，根據理想氣體狀態方程（2）可知，氣泡的體積越小，因此氣泡的平均半徑越小[7]。而P15 在壓力卸載后，回彈的體積較大，可能混凝土內部在體積回彈的過程中受到拉應力影響，原本被壓密實的部分出現缺陷，測得的氣泡參數劣化。

式中，p 為壓強，Pa；V 為氣體體積，m3；T 為溫度，K；n 為氣體的物質的量，mol；R 為摩爾氣體常數，J/（mol.K)。

2.4 外增壓對界面過渡區的影響

圖5 是不同外增壓壓力下混凝土界面過渡區顯微硬度的變化規律，粉色區域代表增壓混凝土砂漿基體部分的顯微硬度。

由圖5 可知，S 組在界面過渡區的顯微硬度最小值為77.8MPa，而P10 在界面過渡區的顯微硬度最小值為122.8MPa，與S 相比顯著提升57.8%，明顯改善界面過渡區薄弱處；P5、P15 的混凝土在界面過渡區的最小顯微硬度值相較于S 分別高約38MPa 和23MPa。

圖5 不同增壓壓力下混凝土界面過渡區顯微硬度

增壓試件的砂漿基體部分的平均顯微硬度值，隨增壓壓力增大分別達到156.2MPa、166MPa、154.8M Pa，比S 組分別提升10%、17%、9%。同時，增壓混凝土界面過渡區的寬度均比S 組小。由測試結果可知，持續壓力下成型的混凝土界面過渡區及砂漿基體的顯微硬度值均比無增壓混凝土高，且界面過渡區寬度減小。在增壓壓力作用下，水泥砂漿與骨料相互擠壓，原本自然產生的虧缺帶擠進了更多的水泥顆粒，使得界面過渡區比普通混凝土更加密實且窄小。

3.討論與分析

3.1 持續加壓的增強原因分析

通過對新拌混凝土加壓，首先拌合物體積將會明顯縮小。在初步加壓的過程中，水泥砂漿和骨料在壓力作用下移動并填充孔隙。部分孔隙內部空氣受擠壓排出，使混凝土含氣量明顯下降。與未增壓混凝土相比，相同體積下增壓混凝土的密度更大，硬化后水泥砂漿的密實程度更高。

氣泡受到液體靜壓力的影響，氣泡體積減小，從而減小了氣泡半徑。同時，骨料附近的水泥顆粒不再隨機分布，而是在壓力作用下靠近并填充骨料邊緣的疏松區，致使混凝土界面過渡區密實程度提高，疏松的孔洞減少。

因此，持續加壓成型對混凝土性能優化主要體現改善混凝土內部孔隙結構，混凝土更加均勻致密，從而阻礙或切斷氯離子滲入途徑，增強了混凝土抗氯離子滲透性能，提升了混凝土的耐久性。

3.2 壓力過大的不利影響分析

持續加壓的試件在卸壓時也面臨回彈變形的問題，這時混凝土雖然已經產生一定程度抵抗應力的能力，但可能不足以抵抗回彈拉應力而導致損傷。在施加壓力過大的情況下，卸壓時混凝土回彈變形的體積更大，拉應力更大。原本擠壓密實的內部結構在過大的拉應力下開裂，出現更多微缺陷與孔隙，與持續加壓作用的積極效應相抵消，從而表現出混凝土力學性能與耐久性能提升不明顯的現象。

結語：

對混凝土拌合物進行持續加壓成型的試驗研究，測試硬化后混凝土的力學性能和抗氯離子滲透性能，并且對試件氣孔結構和界面過渡區進行測試分析，得到如下結論：（1）持續壓力作用下，混凝土體積明顯縮小、含氣量減少；氣泡受壓力影響，硬化后氣孔平均孔徑減小；同時骨料邊緣水泥顆粒密集，砂漿-骨料界面過渡區增強。（2）持續加壓成型混凝土的細微觀結構得到改善，混凝土內部界面強化，混凝土力學性能及耐久性能提升。在10MPa 壓力作用下，混凝土28d 抗壓強度提升了31.1%，抗氯離子滲透性能提升了48.9%。（3）增壓壓力并非越大越好，本文P15 組的混凝土性能提升效果不及P10 組，其主要原因為卸壓時混凝土內部產生拉應力造成混凝土的內部缺陷，抵消了增壓的部分有利影響。受限于加壓過程不便在線檢測，損傷的定量分析有待進一步明確。