變溫養(yǎng)護下混凝土孔結構對抗凍性能及力學性能的影響研究

董陽濤，孟　磊，蘭　嵐，張亞昆，張明強(中鐵二十一局集團路橋工程有限公司，陜西西安　710000)

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變溫養(yǎng)護下混凝土孔結構對抗凍性能及力學性能的影響研究

董陽濤，孟磊，蘭嵐，張亞昆，張明強
(中鐵二十一局集團路橋工程有限公司，陜西西安710000)

摘要:當養(yǎng)護條件為在－20～10，－10～10，0～10℃區(qū)間內溫度每24 h按正弦曲線變化及標準養(yǎng)護時，對混凝土的孔結構、抗凍性能及力學性能進行測試，探討了混凝土孔結構與抗凍性能、力學性能之間的關系。結果表明:隨著變溫養(yǎng)護下最低溫度的增長，混凝土的氣泡平均弦長、氣孔間距系數、比表面積、孔隙率及膠空比呈規(guī)律變化，混凝土的抗凍性能增強，混凝土的立方體抗壓強度增加，但均小于標準養(yǎng)護下混凝土的抗凍耐久性及抗壓強度。

關鍵詞:混凝土變溫養(yǎng)護孔結構抗凍性能力學性能

在冬季，西北及東北大部分地區(qū)澆筑混凝土時溫度較低，且晝夜溫差較大，容易導致混凝土的開裂及剝落，大大縮短了混凝土的使用壽命，因此對混凝土開展凍融破壞機理及抗凍耐久性的研究顯得尤為重要［1］。趙宵龍等［2］通過凍融循環(huán)試驗，采用光學顯微鏡測孔法和壓汞法測試混凝土的孔結構，研究不同耐久性的混凝土其抗凍性能與孔結構的關系，并研究了凍融過程中混凝土性能劣化與其孔結構變化的關系;張粉芹等［3］通過壓汞法、快速凍融法、美國電量法、干濕循環(huán)腐蝕法等試驗分析了不同類型C30混凝土孔結構與性能的關系;李建新等［4］從水泥砂漿入手，通過對不同含氣量水泥砂漿的孔結構試驗與抗凍性能試驗，得到水泥砂漿孔結構與抗凍耐久性之間的變化規(guī)律;李盛等［5］利用彈性力學理論，基于熱力學平衡原理，對水飽和狀態(tài)下封閉孔隙在結冰壓力作用下的孔壁應力進行了力學計算分析，結果表明，在相同結冰壓力作用下由于球形孔隙較圓柱形孔隙受力更為均勻，其孔壁拉應力明顯小于圓柱形孔隙，有利于抗凍;段安等［6］以熱力學和孔隙彈性力學為基礎，在已有數值模型的基礎上，發(fā)展建立了一套混凝土凍融過程的控制方程，并應用有限元軟件Comsol Multiphysics對4個模型進行了模擬，預測出飽和砂漿試件受凍過程中的變形、孔隙壓力及溫度分布，實現了混凝土凍融過程的數值模擬;肖前慧等［7］主要測定了粉煤灰引氣混凝土在不同凍融循環(huán)次數下的質量損失、動彈性模量和抗壓強度，研究了其在凍融循環(huán)后的性能，并對試驗結果進行了分析，為凍融環(huán)境下混凝土水膠比、粉煤灰摻量和引氣劑摻量的選擇提出了合理建議。

以上研究主要針對恒溫養(yǎng)護條件下混凝土的抗凍性能及力學性能，幾乎沒有涉及變溫養(yǎng)護條件下混凝土的性能。本文通過對不同變溫養(yǎng)護條件下混凝土的孔結構、抗凍性能及力學性能的研究，探討了變溫養(yǎng)護條件下混凝土孔結構對抗凍性能及力學性能的影響規(guī)律。

1　試驗

1.1原材料及配合比

混凝土由水、水泥、礦物摻合料、砂、石組成。水為符合國家標準的飲用水;水泥為P.O42.5普通硅酸鹽低堿水泥，滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求;細骨料為細度模數2.15、含泥量1.23%的砂;粗骨料為顆粒級配5～31.5 mm的碎石，壓碎指標5.21% ;礦物摻合料按m粉煤灰∶m礦粉= 1∶1配合而成，粉煤灰燒失量2.78%，需水量比81.8%，SO3質量分數1.28%，比表面積483 m2/kg;礦粉燒失量0.179%，堿質量分數0.329%，SO3質量分數1.95%，比表面積488 m2/kg，滿足《高強高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T 18736—2002)的要求;減水劑為北京建筑工程研究院生產的AN4000聚羧酸減水劑;引氣劑為液體SJ-2型引氣劑，滿足《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》(GB 500119—2003)的要求?；炷僚浜媳热绫?所示。

表1　混凝土的配合比

混凝土水膠比為0.42，膠砂比為0.44，新拌混凝土的坍落度＞180 mm，擴展度＞480 mm，含氣量為3.2%，流動性好。新拌混凝土黏聚力較好，沒有分層和離析現象，保水性也較好。

1.2試驗方法

1.2.1測定含氣量方法

含氣量根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB/T 50080—2002)要求的方法，采用SANYO直讀式精密混凝土測定儀測定含氣量。

1.2.2養(yǎng)護方法

養(yǎng)護條件為在－20～10，－10～10，0～10℃區(qū)間內溫度每24 h成正弦曲線變化及標準養(yǎng)護。新拌混凝土配好后，一部分按上述變溫養(yǎng)護條件放入大氣模擬箱內帶模養(yǎng)護，5 d后脫模，脫模后再次放入大氣模擬箱進行變溫養(yǎng)護;另一部分先放入20℃的標準養(yǎng)護室，1 d后脫模再次放入標準養(yǎng)護室內養(yǎng)護。養(yǎng)護齡期分別為7，14，28 d。

1.2.3孔結構測試方法

將養(yǎng)護28 d的100 mm×100 mm×100 mm立方體試件切割成10～20 mm厚的試件，經打磨、噴涂熒光劑后，放入試驗儀器中測試。在測試軟件中，輸入混凝土測試范圍、水膠比等參數，并用模板標定尺寸后，由硬化混凝土氣孔結構分析儀自動采集數據［8］。孔結構的測試結果如表2所示。

1.2.4抗凍性能測試方法

根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)的試驗方法及檢測標準，制作100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，養(yǎng)護24 d后在水中浸泡4 d，采用快速凍融法，試件每隔25次循環(huán)用動彈儀測定動彈性模量，檢測依據為相對動彈性模量≥60%或者質量損失率≤5%［9-10］。

2　試驗結果及數據分析

2.1孔結構試驗分析

2.1.1變溫養(yǎng)護對混凝土氣孔平均弦長的影響

由表2可知，混凝土在標準養(yǎng)護條件下，氣孔平均弦長為0.067 6 mm;養(yǎng)護方式按－20～10，－10～10，0～10℃區(qū)間內溫度每24 h成正弦曲線變化時，混凝土的氣孔平均弦長分別為0.149 0，0.115 0，0.083 4 mm。當養(yǎng)護最高溫度均為10℃，最低溫度從－20℃過渡到0℃時，氣孔平均弦長隨著最低溫度的升高而減小，但是均大于標養(yǎng)下氣孔平均弦長，主要原因是隨著溫度升高，水泥水化反應速度加快，更多的水化產物填充原有孔隙，使得氣體孔徑減小。

2.1.2變溫養(yǎng)護對混凝土氣孔間距系數的影響

Powers等［11］給出的氣孔間距系數的定義為水泥石中的任一氣泡和相鄰任一氣泡球面之間的最大距離。由表2可知，當養(yǎng)護最高溫度均為10℃，最低溫度從－20℃過渡到0℃，隨著最低溫度的升高，混凝土的氣孔間距系數減小，但是均大于標養(yǎng)下混凝土的氣孔間距系數，可見水泥水化速度直接影響混凝土的孔結構。

表2　混凝土的孔結構測試結果

2.1.3變溫養(yǎng)護對混凝土比表面積的的影響

由表2可知，在變溫養(yǎng)護條件下，隨著最低溫度的升高，混凝土的比表面積從30.01 mm－1增大至41.27 mm－1，可知混凝土的比表面積隨著最低溫度的升高而增大，但均小于在標養(yǎng)下混凝土的比表面積。

2.1.4變溫養(yǎng)護對硬化后混凝土孔隙率的影響

4種養(yǎng)護方式下新拌混凝土的含氣量都為3.2%，而經過28 d不同養(yǎng)護方式后，由表2可知，硬化后混凝土的孔隙率分別為13.1%，10.2%，8.9%，7.6%，相比新拌混凝土的含氣量分別增加了9.9%，7.0%，5.7%，4.4%。說明在養(yǎng)護過程中混凝土內部水分蒸發(fā)所造成的孔隙增大量遠大于水泥水化產物填充孔隙所導致的減小量;并且隨著不同養(yǎng)護方式最低溫度的升高，硬化后混凝土孔隙率的變化幅度減小。

2.1.5變溫養(yǎng)護對膠空比的影響

由表2可得，養(yǎng)護28 d時不同養(yǎng)護方式下混凝土的膠空比不同，－20～10℃養(yǎng)護條件下混凝土的膠空比最小，標準養(yǎng)護條件下混凝土的膠空比最大，由此可得出在標準養(yǎng)護條件下混凝土的膠空比最優(yōu)，28 d之內溫度變化越大，混凝土的膠空比越小。

2.2抗凍性能試驗分析

在相同水膠比下，混凝土分別在－20～10，－10～10，0～10，20℃養(yǎng)護條件下進行75次、125次、175次及300次的凍融循環(huán)，然后測試其28 d時的相對動彈性模量及質量損失率，如表3所示。以不同養(yǎng)護方式下凍融循環(huán)75次為例，混凝土的相對動彈性模量依次為63.42%，94.35%，98.43%，99.53%，混凝土的質量損失率依次為2.19%，1.04%，0.43%，0.24%。由此可知，在凍融循環(huán)次數相同情況下，隨著各養(yǎng)護方式最低溫度的升高，混凝土的相對動彈性模量和質量損失率分別增大和減小，即混凝土抗凍耐久性增強。這主要是因為最低溫度升高時，水泥水化反應速度加快，使得混凝土的孔結構發(fā)生改變，孔隙內部結構得到改善;尤其是氣孔間距系數的減小，使得混凝土受凍后孔隙水結冰產生壓力時，水從毛細管經過沒有冰凍的孔擴散外逸至自由空間時所經歷的時間與所受的阻力減小，從而能及時緩解凍融過程中產生的冰脹壓力和毛細孔水的滲透壓力，因此混凝土抗凍耐久性水平得以提高［4］。

表3　混凝土凍融試驗試件的相對動彈性模量及質量損失率　%

2.3力學性能特性分析

不同養(yǎng)護方式下混凝土的實際抗壓強度如圖1所示。由圖1可知，以養(yǎng)護環(huán)境－10～10℃為例，混凝土在7，14，28 d齡期時，混凝土的立方體抗壓強度分別為13.2，21.8，28.9 MPa，隨著齡期的增長，混凝土的抗壓強度增加。再以齡期14 d為例，混凝土分別在－20～10，－10～10，0～10，20℃養(yǎng)護條件下，混凝土的立方體抗壓強度分別為17.9，21.8，28.8，33.5 MPa，可見隨著最低溫度的增長，混凝土的立方體抗壓強度增加，但均小于標養(yǎng)下混凝土的立方體抗壓強度。原因是溫度影響了水泥水化速度，造成混凝土的孔結構變化，以至于混凝土承載力截面發(fā)生變化，從而強度發(fā)生變化。

圖1　混凝土的實際抗壓強度

參照最薄弱斷面上材料的平均應力公式［1］，由表2中混凝土的孔結構數據及圖1中混凝土的實際抗壓強度，可計算出不同養(yǎng)護方式下28 d時的混凝土的理論計算抗壓強度(見圖2)分別為25.2，29.8，35.1，46.4 MPa。由于理論計算抗壓強度考慮混凝土的最薄弱的斷面，即斷面小于實際混凝土的表面積，因此混凝土的理論計算抗壓強度均大于實際抗壓強度。

圖2　28 d時的混凝土理論計算抗壓強度

3　結論

1)不同變溫養(yǎng)護方式對混凝土的孔結構即混凝土的氣孔平均弦長、氣孔間距系數、比表面積、孔隙率及膠空比產生不同影響。

2)不同變溫養(yǎng)護方式下，隨著各養(yǎng)護方式最低溫度的增長，混凝土的相對動彈性模量和質量損失率分別增大和減小，即混凝土的抗凍耐久性增強。

3)不同變溫養(yǎng)護方式下，隨著各養(yǎng)護方式最低溫度的增長，混凝土的立方體抗壓強度增加，但均小于標養(yǎng)下混凝土的立方體抗壓強度;混凝土的理論計算抗壓強度均大于實際抗壓強度。

參考文獻

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(責任審編周彥彥)

Influence of Concrete Pore Structure on Anti-frost Characteristics and Mechanical Performance under Varying Temperature Curing

DONG Yangtao，MENG Lei，LAN Lan，ZHANG Yakun，ZHANG Mingqiang

(China Railway 21st Bureau Group Road＆Bridge Engineering Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710000，China)

Abstract:T he pore structure，anti-frost characteristics and mechanical performance of concrete were tested under the curing condition where temperature changed per 24 h according to the sine curve in the range of－20～10℃，－10 ～10℃and 0～10℃and under the standard curing condition respectively，and the relationships among the pore structure，anti-frost characteristics and mechanical performance of concrete were discussed.T he experiment results show that average bubble chord length，bubble pore spacing coefficient，specific surface area，porosity and rubber air ratio of concrete have a regular change with the growth of minimum temperature under the varying temperature curing，the anti-frost characteristics and cube compressive strength of concrete enhance，both of which are less than frost durability and compressive strength of concrete under standard curing condition.

Key words:Concrete;Varying temperature curing;Pore structure;Anti-frost characteristics;M echanical performance

作者簡介:董陽濤(1983—)，男，工程師，碩士。

收稿日期:2015-10-11;修回日期:2015-12-19

文章編號:1003-1995(2016)03-0157-04

中圖分類號:TU528.1

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.37