入模和養護溫度對水工混凝土強度的影響研究

謝昌明

(北票市水務事務服務中心,遼寧 北票 122100)

水工混凝土性能的優劣直接關系著下游防洪安全、水利工程的長效穩定運行及區域經濟發展,為更好地適應各種復雜環境和水利現代化發展要求,高性能水工混凝土性能研究逐漸引起國內外專家學者的廣泛關注[1]。現有研究主要集中于抗凍性能和抗壓強度等方面,例如張凱認為引氣混凝土孔結構劣化與多年凍土活動層區有關,控制混凝土含氣量為3.2%時可以達到最優抗凍性能;曾文波等、朱張豐、董玉文等研究了引氣劑的作用機理及其優劣性能、混凝土抗凍性受持續荷載作用的影響、凍融循環下其力學性能與引氣劑間的關系;張乘波等揭示了混凝土孔結構、抗壓強度隨-3℃養護溫度的變化特征;喻林等研究認為礦粉與粉煤灰雙摻相比于單摻條件下,在-25℃環境下的試件強度最高。因此,大多數研究較少考慮入模溫度與抗壓強度之間的關系,本試驗重點分析不同養護溫度、入模溫度對引氣混凝土不同齡期抗壓強度的影響及其離散變化程度[2-7]。

1 試驗方法

1.1 原材料

試驗試驗沈陽冀東P·O 42.5級水泥,其主要性能指標如表1所示,經測試各參數滿足《通用硅酸鹽水泥》中的要求。

表1 水泥的物理參數

試驗采用渾河天然河砂和大連建材廠提供的花崗巖碎石,砂的含泥量0.4%,細度模數2.9,堅固性1.7%,表觀密度2650kg/m3,碎石級配5～25mm,經檢測砂石骨料各性能指標均符合水工混凝土用砂、石質量標準及施工規范要求。

試驗采用安徽森普SPJS-1聚羧酸高性能減水劑和蘇博特GYQ?-Ⅲ高效引氣劑,拌和水用實驗室自來水。

1.2 試驗配合比

根據《水工混凝土配合比設計規程》合理確定實驗配合比,為保證試驗數據可比性各組基本配合比相同,控制變量為引氣劑摻量,如表2所示。

表2 試驗配合比

為了更加直觀的對比分析數據,將摻0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%蘇博特GYQ?-Ⅲ引氣劑標養試件標記成J1～J5組,將相同引氣劑摻量-5℃養護試件標記成S1～S5組,如表3。其中,J1、S1組為基準對照組。

表3 引氣劑摻量設計

1.3 養護方式

在20℃室溫條件下,按照試驗配合比將各種摻合料和骨料倒入小型攪拌機,加入后拌合均勻并精準測定入模溫度。然后將部分試件室內靜置1d后脫模,并移入標養室養護,將另一部分試件放入大氣模擬箱(設定溫度-5℃)中3后脫模。為了減少養護過程中的水分散失,用塑料薄膜覆蓋表面,之后移入大氣模擬箱養護至規定齡期。

1.4 測試方法

參照《水工混凝土試驗規程》中的方法測定不同齡期各組標準試件抗壓強度,養護齡期為3d、7d、14d、21d、28d、35d、42d、49d、56d、63d、70d、77d和84d。

2 結果與分析

2.1 引氣劑對強度的影響

在入模溫度20℃條件下,養護3d～84d齡期時水工混凝土強度隨引氣劑摻量變化的影響規律如圖1所示。

(a)標準養護條件

由圖1可知,標準養護前期J1、J2組試件強度近似呈線性上升趨勢,抗壓強度增長率隨養護齡期的延長逐漸減小,曲線變化逐漸平緩,究其原因是養護前期具有較高的含水率和較快的水化反應速率,隨著時間的推移水分子和反應速率、水化程度均逐漸減小,強度增速逐漸平緩;抗壓強度隨引氣劑摻量的增大出現一定的下降,如摻0%引氣劑的J1組試件標養28d時的強度41.1MPa,摻0.05%、0.10%、0.15%、0.20%引氣劑的J2、J3、J4、J5組試件標養28d的強度分別為38.2MPa、32.8MPa、27.1MPa和20.4MPa,摻0%引氣劑J1組試件為摻0.20%引氣劑J5組28d強度的2.01倍;負溫養護條件下,摻0%引氣劑S1組試件28d強度48.6MPa為摻0.20%引氣劑S5組28d強度22.1MPa的2.20倍。J5組試件77d強度25.5MPa與J2組試件7d強度24.2MPa相當,J4組試件70d強度32.1MPa與J2組試件14d強度31.5相當,通過對比分析發現存在一定的“齡期滯后”,且這種現象同樣也存在于負溫養護。這主要與引氣劑有關,引氣劑是一種由親水與憎水基團組成的分子結果,摻入引氣劑會改變基體內部的分子運動特征,由于受到作用力牽引空氣-水-水泥體系中的分子可吸附于各相界面,從而降低體系的界面能和自由能,這些分子在攪拌作用下被吸入旋渦并受到剪切作用,在與細骨料的引氣作用下可以生成大量微小氣泡,從而增大水泥基體孔隙,降低整體密實性和抗壓強度,并且摻量越高降幅越明顯[8]。

均值μ是衡量數據集中程度的主要參數,標準差σ是衡量平均數偏離各數據的距離程度,計算公式如下:

(1)

(2)

式中:xi、N為不同強度數據和一組數據的個數。

根據誤差分析軟件和離散性評價模型可以確定數據的離散程度,結果顯示在標養和負溫養護情況下,初始齡期各組試件的強度均值μ均較小,隨著齡期的延長均逐漸增大。3d齡期時標養和負溫養護時的試件強度均值μ是分別為22.50MPa、17.24MPa,84d齡期時標養和負溫養護時的試件強度均值μ是分別為43.62MPa、39.16MPa,抗壓強度的變化差異性隨著齡期的延長而增大,如圖2所示。

圖2 不同養護條件下的強度標準差

由圖2可知,標養條件下隨著齡期增長試件的強度標準差表現出先上升后下降再上升的變化趨勢,強度標準差最小、最大值時為35d齡期時的8.0和84d齡期時的19.7。負溫養護條件下隨著齡期增長試件的強度標準差整體呈上升趨勢,并且42d齡期前增幅較小,42d后增幅較大。另外,48d之前標養條件下高于負溫養護時的強度標準差,49d以后則低于負溫養護時的標準差,換而言之就是養護前中期標養條件下具有較大的強度離散性,水化速率存在較大差異性,養護后期水化完全充分,強度發展趨于穩定,強度離散性下降,而負溫養護仍持續發生反應,由于水化速率較慢而具有較高的強度離散性。

2.2 養護溫度對強度的影響

混凝土強度隨養護溫度變化的影響規律如圖3所示。

(a)不摻引氣劑

由圖3可知兩個曲線具有相似的變化趨勢,標養條件下同一配合比試件強度約為負溫養護的1.2～1.5倍,強度發展具有一定的“齡期滯后”特征。例如,不摻引氣劑S1組試件49d強度45.2MPa與J1組試件28d強度46.1MPa基本相當,摻0.20%引氣劑S5組試件77d強度25.5MPa與J5組試件42d強度26.7MPa基本相當。這是由于標準養護遠高于持續負溫(-5℃)養護下水泥水化產生的熱量,試塊內部溫度隨水化熱量的散失逐漸下降,反應速率下降,并且持續負溫養護使得大部分水達到臨界結冰點,水分子的黏滯性增大導致孔隙水壓力提高,水化反應速率和產物摻量下降,無法有效填充內部孔隙致使孔結構更加疏松,混凝土強度下降并出現“齡期滯后”的情況。

2.3 入模溫度對強度的影響

不同養護齡期混凝土抗壓強度隨入模溫度變化的影響特征如圖4所示,結果顯示在負溫和標養條件下,抗壓強度均與入模溫度存在正相關性,28d之前的強度基本呈線性上升趨勢。負溫養護條件下,20℃入模溫度試件28d強度達到41.0MPa,而5℃、10℃、15℃入模溫度試件28d強度只有26.7MPa、28.8MPa、35.0MPa。究其原因是水的溫度與水化速率存在密切聯系,水溫越高則水化越快,相應的強度就越大。

(a)標準養護 (b)-5℃養護

通過非線性擬合分析確定抗壓強度與養護溫度、入模溫度、引氣劑摻量間的非線性關系,均滿足如下關系:

y=a-b×cx

(3)

式中:a、b、c為常數;x、y為因素值和強度值。抗壓強度與各因素之間的擬合相關系數如表4所示,相關系數>0.8代表關聯度極高,結果表明抗壓強度與養護溫度、入模溫度、引氣劑摻量之間均高度相關。

表4 非線性擬合系數

3 結 論

1)引氣劑摻量與抗壓強度之間存在負相關性,經誤差分析發現同一齡期強度離散性變化受養護溫度的影響較大,標準養護高于負溫養護的強度離散性,后期則低于負溫養護的強度離散性。

2)標養條件下同一配合比試件強度約為負溫養護的1.2～1.5倍,抗壓強度還與入模溫度有關,在20℃入模溫度時的28d強度最優,這是水的溫度與水化速率存在密切聯系,水溫越高則水化越快,相應的強度就越大。

3)入模溫度、養護溫度和引氣劑摻量等因素均在不同程度上影響著水工混凝土抗壓強度,實際工程中應充分考慮各因素的綜合影響合理選擇最優配合比。