養(yǎng)護(hù)溫度和外加劑摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)的影響＊

郭永勝，周有祿

（1.甘肅祁連山水泥集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

青藏高原地區(qū)溫差大，常年四季存在正負(fù)溫度交替變化，混凝土施工過(guò)程中其材料內(nèi)部水分經(jīng)受反復(fù)凍融，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響極大[1]。混凝土前28 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，混凝土強(qiáng)度對(duì)養(yǎng)護(hù)溫度的變化比較敏感，養(yǎng)護(hù)溫度在小范圍內(nèi)變動(dòng)將導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生很大的變動(dòng)，因此，精確地控制養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土的力學(xué)性能特別重要[2]。嚴(yán)小衛(wèi)和劉昌永[3]通過(guò)試驗(yàn)研究了嚴(yán)寒地區(qū)大體積混凝土不同保溫養(yǎng)護(hù)措施下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化規(guī)律，并進(jìn)行了不同齡期下試驗(yàn)強(qiáng)度與理論預(yù)測(cè)計(jì)算強(qiáng)度的對(duì)比分析研究。范利丹等[4]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了不同養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度和混凝土與巖石的黏結(jié)強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，當(dāng)混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度在25～40 ℃時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高混凝土強(qiáng)度及混凝土與巖石的黏結(jié)強(qiáng)度均有所增加。李月霞等[5]通過(guò)在高強(qiáng)度混凝土中摻入不同養(yǎng)護(hù)溫度下的膨脹劑進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下，外加劑HCSA摻量為8%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。張少華等[6]開(kāi)展了不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下混凝土強(qiáng)度和抗氯離子滲透性的試驗(yàn)研究，分別從低、負(fù)溫養(yǎng)護(hù)和標(biāo)養(yǎng)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)果表明，在低、負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土的早期強(qiáng)度低于標(biāo)養(yǎng)下混凝土強(qiáng)度，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)快于標(biāo)養(yǎng)。譚克鋒和劉濤[7]通過(guò)常溫、高溫養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明早期的高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土后期強(qiáng)度相比于常溫養(yǎng)護(hù)下降很多，當(dāng)在混凝土中摻入粉煤灰或降低水灰比可以部分消除高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的負(fù)面效應(yīng)。李?yuàn)^等[8]研究了不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下發(fā)展規(guī)律，研究結(jié)果表明，在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土強(qiáng)度由C25增加到C40時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨混凝土等級(jí)提高而增大，并且抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)函數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。謝子令和李顯[9]研究了粉煤灰聚合物混凝土在不同養(yǎng)護(hù)溫度、不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土強(qiáng)度的影像研究。研究表明，在20～80 ℃時(shí)養(yǎng)護(hù)溫度和混凝土抗壓強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)系增長(zhǎng)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度過(guò)高時(shí)混凝土試塊表面出現(xiàn)微裂紋，強(qiáng)度有所下降；地質(zhì)聚合物水泥和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)強(qiáng)度的影像可用指數(shù)函數(shù)來(lái)表述。張潤(rùn)瀟等[10]、譚克鐸和蒲心誠(chéng)[11]通過(guò)混凝土在恒定低溫條件下養(yǎng)護(hù)，研究混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律，得到了不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。濕集料混凝土在養(yǎng)護(hù)溫度超過(guò)50 ℃時(shí)強(qiáng)度急劇下降，干集料混凝土強(qiáng)度對(duì)養(yǎng)護(hù)溫度不敏感。為了研究高寒地區(qū)不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律，通過(guò)設(shè)置4組養(yǎng)護(hù)溫度和5組引氣劑摻量，研究混凝土在養(yǎng)護(hù)溫度和引氣劑摻量共同作用下對(duì)抗壓強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)高寒地區(qū)混凝土工程滿(mǎn)足強(qiáng)度條件下研究混凝土抗凍性具有重要意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用格爾木宏揚(yáng)水泥有限公司生產(chǎn)的金圓牌P.O42.5級(jí)水泥，水泥物理性能指標(biāo)詳見(jiàn)表1。粗集料采用5～31.5 mm的連續(xù)粒徑碎石，含泥量為0.3%，表觀密度為2 720 kg/m3；細(xì)集料采用格爾木砂廠(chǎng)的水洗河砂（中砂），其含泥量為2.9%，堆積密度為1 660 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.7，表觀密度為2 690 kg/m3，拌和用水選用自來(lái)水；引氣劑采用青海橋通建材有限公司生產(chǎn)的QT-07型。

表1 P.O42.5級(jí)水泥物理性能指標(biāo)

1.2 混凝土配合比

試驗(yàn)過(guò)程中混凝土配合比保持不變，混凝土配合比詳見(jiàn)表2。

表2 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方案

混凝土式樣采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的立方體試塊。將不同引氣劑摻量的混凝土試塊進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)溫度下養(yǎng)護(hù)1 d后進(jìn)行拆模，詳見(jiàn)表3。拆模之后將混凝土試塊放入不同養(yǎng)護(hù)溫度的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保證養(yǎng)護(hù)室內(nèi)濕度大于95%，當(dāng)齡期達(dá)到28 d時(shí)，取出試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表3 混凝土養(yǎng)護(hù)溫度及引氣劑摻量

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度結(jié)果分析

引氣劑摻量為0%時(shí)，不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線(xiàn)

由圖1可知，不同養(yǎng)護(hù)溫度下，混凝土抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而提高，并且前7 d養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響較大。在15 ℃的養(yǎng)護(hù)溫度下，7 d的抗壓強(qiáng)度為34.4 MPa，后期21 d的養(yǎng)護(hù)齡期抗壓強(qiáng)度提高了6.7 MPa，由此可知，早期養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度尤為重要。在28 d齡期下，15 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土抗壓強(qiáng)度比0 ℃養(yǎng)護(hù)下提高了45.1%，由此表明，在0～15 ℃，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高混凝土抗壓強(qiáng)度不斷增大。由于混凝土試塊的水灰比、養(yǎng)護(hù)濕度和養(yǎng)護(hù)齡期相同，不同的養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥的水化熱產(chǎn)生影響，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度升高時(shí)加快了混凝土的水化反應(yīng)速度，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)溫度和引氣劑摻量下的混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期均呈正相關(guān)關(guān)系，即抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加不斷提高，從圖中還可以看出，引氣劑摻量在0%～4%時(shí)，隨著摻量的增加混凝土抗壓強(qiáng)度不斷降低，相同養(yǎng)護(hù)齡期下，不同引氣劑摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而提高，如養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，引氣劑摻量為0%，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度從0 ℃增加到15 ℃時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度從36.8 MPa增加到39.8 MPa。

當(dāng)齡期和養(yǎng)護(hù)溫度保持恒定，引氣劑摻量在0%～4%時(shí)，隨著摻量的增加混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。例如，養(yǎng)護(hù)齡期28 d，養(yǎng)護(hù)溫度15 ℃時(shí)，引氣劑摻量從0%增加到4%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低了12.9 MPa。其主要原因是隨著引氣劑摻量的增加混凝土中孔隙率不斷增大，使混凝土密實(shí)性降低，從而導(dǎo)致了抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

28 d齡期下，引氣劑摻量為0%時(shí)，不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土孔隙分布規(guī)律如圖3所示。從圖中可以看出養(yǎng)護(hù)溫度從0 ℃升至15 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的總孔隙度分別為15.6%、13.4%、12.3%、10.6%，由此可知，養(yǎng)護(hù)溫度升高時(shí)混凝土的孔隙率呈現(xiàn)逐漸降低規(guī)律。并且，從圖中還可以得出，在4組不同的養(yǎng)護(hù)溫度中，混凝土孔徑主要分布在1 000 nm以?xún)?nèi)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度逐漸升高時(shí)，孔徑分布曲線(xiàn)逐漸向左移動(dòng)，這時(shí)小孔徑的占比進(jìn)一步得到了升高，從而影響了混凝土抗壓強(qiáng)度，使得混凝土力學(xué)性能得到提升。其主要原因是隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高加快了混凝土的水化反應(yīng)速度，使得混凝土大孔徑數(shù)量不斷減小，孔隙率逐漸降低混凝土就更密實(shí)，力學(xué)性能有所提高。

圖3 引氣劑摻量為0%時(shí)不同養(yǎng)護(hù)溫度下孔隙分布曲線(xiàn)

混凝土內(nèi)孔徑大小分布方式的不同直接影響著其強(qiáng)度和耐久性，研究表明，20 nm以下的孔為無(wú)害孔，20～50 nm的為少害孔，50～200 nm的為有害孔，200 nm以上的為多害孔[12]。引氣劑摻量為0%的混凝土試件在不同養(yǎng)護(hù)溫度下孔體積占比分布如圖4所示。由圖4可知，引氣劑摻量為0%，養(yǎng)護(hù)溫度從0 ℃升高至15 ℃時(shí)，混凝土中小于20 nm的孔隙占比增長(zhǎng)速率在逐漸下降，即無(wú)害孔孔體積占比增長(zhǎng)速率不斷降低。混凝土在不同養(yǎng)護(hù)溫度（0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃）下，有害孔占總孔體積比分別為42.23%、25.13%、15.34%、9.56%；多害孔的占比分別為11.77%、8.87%、3.66%、1.44%。由此可知，提高養(yǎng)護(hù)溫度不僅能夠優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)分布，還改善了混凝土的力學(xué)性能及耐久性。

圖4 引氣劑摻量為0%的不同養(yǎng)護(hù)程度下孔體積占比

養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時(shí)，引氣劑摻量為0%、1%、2%、3%、4%的混凝土試件的孔徑分布如圖5所示。由圖5可知，28 d齡期下，引氣劑摻量為0%、1%、2%、3%、4%的混凝土試件總孔隙度分別為12.4%、15.3%、18.5%、21.3%。由此可知，引氣劑摻量的增加導(dǎo)致了混凝土中總孔隙度不斷增大。5組不同摻量引氣劑下的混凝土試件平均孔徑分別為38.5 nm、51.8 nm、67.8 nm、87.5 nm、110.6 nm，引氣劑摻量的增加導(dǎo)致混凝土的平均孔徑不斷增大，從而使得孔徑分布曲線(xiàn)向右移動(dòng)。當(dāng)總孔隙度增加時(shí)混凝土的密實(shí)度就會(huì)逐漸降低，最終導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

圖5 不同引氣劑摻量下孔徑占比分布曲線(xiàn)

不同引氣劑摻量下孔體積占比分布曲線(xiàn)如圖6所示。由圖可知，當(dāng)引氣劑摻量從0%增加到4%時(shí)，混凝土中無(wú)害孔和少害孔的孔體積占比在不斷降低，分別降低了28.12%和34.5%；而有害孔和多害孔的孔體積占比分別增加了35.58%和27.04%。由此可知，引氣劑摻量不僅影響了混凝土的總孔隙率，而且還改變了孔隙的分布規(guī)律。不同引氣劑摻量下5組混凝土試件的有害孔孔體積占比為15.87%、22.57%、30.17%、49.68%、51.45%；多害孔的孔體積占比為4.04%、4.64%、10.34%、19.84%、31.08%。當(dāng)有害孔和多害孔的增加導(dǎo)致了混凝土力學(xué)性能的減損，改善了混凝土的抗凍性能。其主要原因是引氣劑摻量多的混凝土中小孔增多，在凍結(jié)過(guò)程中引起的膨脹壓力使未凍水發(fā)生遷移時(shí)的阻力，其他多余水滲入到周邊孔隙中，隔斷了溫度在混凝土中的傳播路徑。

圖6 不同引氣劑摻量下混凝土孔體積占比分布

3 結(jié)論

（1）提高養(yǎng)護(hù)溫度能加快混凝土的水化反應(yīng)速度，降低孔隙率，增加密實(shí)度，從而使混凝土的力學(xué)性能得到提升。

（2）養(yǎng)護(hù)溫度在0～15 ℃，混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期呈線(xiàn)性增加趨勢(shì)的關(guān)系。而引氣劑摻量對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度起到反作用，引氣劑的增加削弱了混凝土的力學(xué)性能。

（3）當(dāng)引氣劑摻量為0%時(shí)，養(yǎng)護(hù)溫度的升高加速了混凝土水化反應(yīng)速度，降低孔隙率，增加密實(shí)度，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)分布，從而提高了混凝土抗壓強(qiáng)度。

（4）引氣劑摻量從0%增加到4%時(shí)，不僅使混凝土的總孔隙率增大，而且還改變了初始孔隙結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律，有害孔和多害孔的占比逐步增加，削弱了混凝土的力學(xué)性能，但同時(shí)混凝土的抗凍性得到改善。