負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)下混凝土抗壓強度增長試驗研究

段　運，王起才，張戎令，代金鵬，徐瑞鵬

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州　730070)

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負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)下混凝土抗壓強度增長試驗研究

段運，王起才，張戎令，代金鵬，徐瑞鵬

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州730070)

本實驗主要研究負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件、水灰比、齡期對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律。通過測定持續(xù)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下三種水灰比(0.24、0.31、0.38)混凝土試塊在不同齡期下的抗壓強度值，分析混凝土強度增長機理和抗壓強度影響因素，得出負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件對三種水灰比混凝土抗壓強度增長有明顯的抑制作用，前7d內(nèi)影響最明顯，隨著齡期的增加影響逐漸減弱，而且對水灰比為0.24的混凝土抗壓強度造成了不可恢復(fù)的損傷；低水灰比由于水含量的不足導(dǎo)致其后期混凝土抗壓強度較低，高水灰比會由于混凝土內(nèi)部結(jié)冰量較大，體積發(fā)生膨脹形成微裂縫，導(dǎo)致其后期抗壓強度不高，故存在著與養(yǎng)護(hù)溫度對應(yīng)的最優(yōu)水灰比。

負(fù)溫； 水灰比； 齡期； 抗壓強度； 最優(yōu)水灰比

1　引　言

混凝土是由水泥、骨料和水共同組成的復(fù)雜多相聚集體。從宏觀結(jié)構(gòu)上看，可以把混凝土看成是連續(xù)相的水泥漿和離散相的嵌入在水泥漿中的骨料顆粒所組成的復(fù)合材料[1]，從微觀結(jié)構(gòu)上看，混凝土是由水泥凝膠、氫氧化鈣結(jié)晶、未水化的水泥顆粒、膠凝孔隙、毛細(xì)管、孔隙水以及氣泡等組成[2]。青藏鐵路中跨越溫度極不穩(wěn)定且高含冰量凍土區(qū)“以橋代路”的橋梁，大多數(shù)都采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)[3,4]。青藏鐵路沿線的凍土年平均溫度維持在0～-3.5 ℃[5,6]，而建設(shè)過程中混凝土的入模溫度一般控制為2～10 ℃[7]。巴恒靜等[8]測出了基準(zhǔn)混凝土在負(fù)溫下的早期凍脹應(yīng)力并得出早期凍脹應(yīng)力及強度的發(fā)展規(guī)律；楊少偉等[9]對負(fù)溫、自然變負(fù)溫及轉(zhuǎn)正溫標(biāo)養(yǎng)下混凝土動彈性模量與抗壓強度的變化規(guī)律以及損傷程度做了研究；鐔春來等[10]測出了基準(zhǔn)混凝土在負(fù)溫下的早期凍脹應(yīng)力并研究了早期凍脹應(yīng)力對混凝土強度及抗凍性能的影響；楊英姿等[11]認(rèn)為高防凍組分的防凍劑能夠促進(jìn)自然變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土強度的持續(xù)增長也抑制了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土后期強度的增長；周梅等[12]從理論上探討了外加劑及摻合料對負(fù)溫混凝土的作用機理并指出復(fù)合外加劑及摻合料是制備負(fù)溫混凝土的技術(shù)關(guān)鍵。以上學(xué)者從不同角度研究了負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的性能，但大部分研究都基于普通混凝土，對高強混凝土性能研究較少。試驗以凍土地區(qū)、北方冬季施工地區(qū)為背景，主要研究負(fù)溫(-3 ℃)條件下不同水灰比混凝土立方體抗壓強度，得出負(fù)溫環(huán)境下不同水灰比混凝土抗壓強度隨齡期變化的規(guī)律，分析負(fù)溫下混凝土抗壓強度損失的原因，進(jìn)而為負(fù)溫混凝土施工技術(shù)以及多年凍土區(qū)和冬季施工區(qū)混凝土強度提供理論依據(jù)。

2　試　驗

2.1試驗方案

混凝土強度試驗根據(jù)養(yǎng)護(hù)條件和水灰比的不同分為F1、F2、F3、F4、F5、F6六個試驗組。前三組F1、F2、F3混凝土的水灰比分別為0.24、0.31、0.38，在環(huán)境模擬箱中養(yǎng)護(hù)完成，入模溫度控制在18 ℃，養(yǎng)護(hù)溫度控制在(-3±1) ℃，養(yǎng)護(hù)濕度控制在85%以上；后三組F4、F5、F6混凝土的水灰比分別為0.24、0.31、0.38，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，入模溫度控制在20 ℃，養(yǎng)護(hù)溫度控制在(20±1) ℃，養(yǎng)護(hù)濕度控制在95%。在持續(xù)負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件下和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至3、5、7、10、14、21、28、56、128d時依據(jù)GB/T50081—2002[13]對混凝土立方體抗壓強度進(jìn)行測試。

2.2試驗儀器和原材料

本試驗儀器包括：環(huán)境模擬箱、標(biāo)養(yǎng)室、溫度自動巡檢儀、鉑電阻溫度傳感器、壓力試驗機等。環(huán)境模擬箱有效尺寸6m×3.5m×2.2m(長×寬×高)。溫度范圍：-20～80 ℃，升/降溫速率最大≥1 ℃/min，溫度變化可實現(xiàn)溫度荷載編程，溫度波動度≤±0.5 ℃；溫度均勻度≤2 ℃。濕度范圍：10%～90%RH；濕度偏差±5%RH(≤75%RH)。

圖1　環(huán)境模擬箱Fig.1　Environment simulation cabin

圖2　溫度自動巡檢儀Fig.2　Automatic temperature recorder

試驗中水泥采用P·O42.5的普通硅酸鹽水泥，蘭州甘草水泥集團(tuán)生產(chǎn)。水泥各項性能指標(biāo)實測值見表1，混凝土配合比見表2。

細(xì)骨料：河砂，細(xì)度模數(shù)為2.67，屬于中砂，表觀密度2643kg/m3，松散堆積密度1625kg/m3，緊密堆積密度1785kg/m3，含泥量3.4%。

粗骨料：碎石，連續(xù)級配，粒徑范圍5～26.5mm，表觀密度2798kg/m3，壓碎指標(biāo)6.7%。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑。

表1　P·O 42.5級硅酸鹽水泥性能指標(biāo)

表2　混凝土配合比

2.3試驗步驟

原材料各項指標(biāo)測定完之后，依據(jù)混凝土配合比進(jìn)行稱料攪拌，每個水灰比下的混凝土由專業(yè)攪拌機一次攪拌完成，試驗時室內(nèi)溫度為18 ℃，濕度為86%。試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，試模水平放置后灌入混凝土，經(jīng)振動臺振搗60s后抹平表面。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的混凝土試塊先在室內(nèi)(1d內(nèi)平均氣溫為18 ℃)帶模保水養(yǎng)護(hù)1d，然后脫模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)；負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件下的試塊帶模放入環(huán)境模擬箱中保水養(yǎng)護(hù)?；炷猎噳K在兩種養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至所需齡期依據(jù)GB/T50081—2002對其3、5、7、10、14、21、28、56、128d的立方體抗壓強度進(jìn)行測試,每個齡期下的試驗組試塊3個，試驗數(shù)值取3個試塊結(jié)果的平均值，當(dāng)單個試塊的實測值與平均值之差大于15%時，應(yīng)舍去該值，試驗結(jié)果取剩余試塊結(jié)果平均值。

3　結(jié)果與討論

六組混凝土試塊在不同齡期下的立方體抗壓強度值見表3。

表3　混凝土抗壓強度

3.1水灰比對混凝土抗壓強度的影響

負(fù)溫和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下不同水灰比混凝土抗壓強度隨齡期的變化關(guān)系曲線見圖3和圖4。由表3和圖3、圖4的試驗結(jié)果可知，相對于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，持續(xù)負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件對三種水灰比混凝土抗壓強度的增長有明顯的抑制作用。首先，負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件下三種水灰比的混凝土早期(前7d內(nèi))抗壓強度增長速率快，呈線性增長趨勢，7d之后抗壓強度增長速率開始變緩，隨著齡期的增大，變緩程度越明顯。

其次，由圖3可知，在前12d內(nèi)，水灰比小的混凝土抗壓強度相對較高，符合常規(guī)的混凝土抗壓強度變化規(guī)律，12d之后水灰比為0.31的混凝土抗壓強度開始超過水灰比為0.24的混凝土抗壓強度，并且在128d時仍高于水灰比為0.24的混凝土抗壓強度，但水灰比為0.24的混凝土抗壓強度在整個齡期內(nèi)都高于水灰比為0.38的混凝土抗壓強度。水灰比的不同，主要體現(xiàn)在單位水泥周圍水含量的不同，水灰比小，單位水泥顆粒周圍的水含量就少。盡管這三種水灰比都能完全滿足水泥完全水化的理論需水量，但是水含量的多少會直接影響水泥的早期水化程度[14]，進(jìn)而影響到早期混凝土的抗壓強度。負(fù)溫(-3 ℃)環(huán)境下，溫度較低，混凝土中大部分水已接近冰點，水的粘滯性大大增加，水泥水化反應(yīng)進(jìn)行緩慢，水化程度較低，混凝土早期抗壓強度較低，隨著齡期的增加，水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化程度增大，混凝土抗壓強度增大，混凝土早期結(jié)構(gòu)基本形成。對于水灰比為0.24的混凝土，由于水灰比值較小，本身含水量較少，外界環(huán)境雖然采取了保濕處理，但相對于混凝土內(nèi)部的濕度仍然較低，這樣混凝土內(nèi)部的一小部分水分由于濕度的差異會散失到混凝土周圍空氣中，由于混凝土試塊處于負(fù)溫環(huán)境中，散失的水分子遇冷凝華成固體小冰晶，又導(dǎo)致混凝土內(nèi)外濕度不平衡，水分子又從混凝土內(nèi)向周圍環(huán)境轉(zhuǎn)移，形成連鎖反應(yīng)，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，部分水已經(jīng)發(fā)生水化反應(yīng)，未水化的水含量減少，且由于處于負(fù)溫環(huán)境下，一部分水會形成小冰晶，無法直接參與水化反應(yīng)，這樣真正未水化的自由水含量就會變得很少，隨著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水灰比為0.24的混凝土內(nèi)部提供水泥繼續(xù)完全水化的自由水含量已經(jīng)不足，從而嚴(yán)重影響水化反應(yīng)的進(jìn)行，使水泥水化程度降低，混凝土抗壓強度增長很緩慢，中后期混凝土由于水的不足而使其抗壓強度相對于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下同水灰比混凝土強度變得很低。水灰比為0.38的混凝土，由于水灰比較大，本身抗壓強度低，內(nèi)部未水化的自由水含量又較大，在負(fù)溫(-3 ℃)條件下，混凝土內(nèi)部結(jié)冰量較大，水結(jié)冰以后體積發(fā)生膨脹，內(nèi)部形成凍脹應(yīng)力[15]，在形成冰晶的周圍應(yīng)力集中，而早期混凝土強度很低，凍脹應(yīng)力超過此時混凝土的抗拉強度值，形成許多微裂縫，已結(jié)冰的水會推動未結(jié)冰的水沿著這些裂縫遷移，在裂縫中繼續(xù)結(jié)冰，進(jìn)而促進(jìn)了裂縫的擴展，并且這些裂縫在后期養(yǎng)護(hù)中是無法愈合的[16]，0.38水灰比的混凝土內(nèi)可進(jìn)行遷移的水含量又較多，因此，不可恢復(fù)的裂縫數(shù)量較多，從而使混凝土的抗壓強度降低。水灰比為0.31的混凝土介于兩者之間，既能滿足后期水泥水化需水量的需求，也能有效的降低不可恢復(fù)裂縫的產(chǎn)生，因而合理的解釋了其后期抗壓強度最高的原因。

圖3　負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下不同水灰比混凝土抗壓強度Fig.3　Compressive strength of different water cement-ratio under minus temperature

圖4　標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下不同水灰比混凝土抗壓強度Fig.4　Compressive strength of different water cement-ratio under standard temperature condition

最后，負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件下三種水灰比混凝土28d的抗壓強度都比較低，水灰比為0.24、0.31和0.38的混凝土抗壓強度分別為40.1、43.4和34.7MPa，分別達(dá)到了其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28d抗壓強度的58.8%、75.6%和78%。表明負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)對三種水灰比28d的抗壓強度有明顯的抑制作用，尤其對水灰比為0.24的混凝土抗壓強度影響程度最大。

3.2養(yǎng)護(hù)溫度對混凝土抗壓強度的影響

圖5、圖6和圖7分別為三種水灰比混凝土在持續(xù)負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件下和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強度與時間的關(guān)系圖，從這些圖中可以分析出不同養(yǎng)護(hù)條件對混凝土抗壓強度的影響。

圖5　0.24水灰比混凝土抗壓強度Fig.5　Compressive strength of 0.24 water-cement ratio concrete

圖6　0.31水灰比混凝土抗壓強度Fig.6　Compressive strength of 0.31 water-cement ratio concrete

圖7　0.38水灰比混凝土抗壓強度Fig.7　Compressive strength of 0.38 water-cement ratio concrete

由圖5、圖6和圖7可以看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下三種水灰比的混凝土抗壓強度在前5d內(nèi)增長非?？?，可以達(dá)到較高的值，抗壓強度增長速率呈直線型增長，5d之后混凝土抗壓強度增長速率開始變緩，隨著齡期的增加，抗壓強度趨于穩(wěn)定。負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件下，三種水灰比下的混凝土抗壓強度在前7d內(nèi)增長速率較快，但明顯低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的增長速率。在試驗所設(shè)定的所有齡期內(nèi)，同一齡期下三種水灰比的混凝土在負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強度都明顯低于對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗壓強度，而這兩種養(yǎng)護(hù)條件下抗壓強度的差值會隨著齡期的增大而逐漸的減小，說明負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件對三種水灰比混凝土抗壓強度的增長在整個養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)都有明顯的影響。這是由于外部壓力發(fā)生變化、水中溶有空氣時，水的冰點都會發(fā)生改變[17]，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥石中會形成多種鹽類，而鹽類的加入也會使水的冰點降低， 而且由于冰晶引起基模勢或滲透勢的變化，未凍水會向凍區(qū)運動[18,19]，因此，在-3 ℃時，混凝土中的自由水部分結(jié)冰，部分與水泥發(fā)生反應(yīng)，大大降低了水泥的水化程度；混凝土中部分水結(jié)冰體積發(fā)生膨脹，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松、不密實[20]；并且隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，自由水遷移、泌出所造成的氣孔含量也相應(yīng)的增多，部分小的氣孔會連通合并成大的氣孔，所以在負(fù)溫下養(yǎng)護(hù)，混凝土的抗壓強度變得很低。

以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土28d的抗壓強度值作為基準(zhǔn)計算兩種養(yǎng)護(hù)條件下三種水灰比混凝土抗壓強度的增長程度，具體數(shù)值見表4。由表4可以看出負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件下三種水灰比(0.24、0.31、0.38)混凝土128d的抗壓強度都沒達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28d的強度值,此時的強度損失分別為28.4%、5.6%和7.2%，表明負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件，對三種水灰比的混凝土抗壓強度增長的抑制作用時期比較長，而且水灰比越小，抑制時期越長。

表4　混凝土抗壓強度增長程度

水灰比為0.24的混凝土抗壓強度在128d時只達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的71.6%，遠(yuǎn)低于水灰比為0.31和0.38混凝土達(dá)到其標(biāo)養(yǎng)的百分比，說明負(fù)溫(-3 ℃)對水灰比為0.24的混凝土抗壓強度不是簡單的抑制作用，而是由于其內(nèi)部水含量缺失，外界的水分又很難進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，水化不完全造成一定程度的損傷，從而導(dǎo)致其后期抗壓強度不可能達(dá)到設(shè)計強度值。因此負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下存在著與之對應(yīng)的最優(yōu)水灰比，即該養(yǎng)護(hù)條件下能達(dá)到最高設(shè)計強度的水灰比，小于最優(yōu)水灰比時，混凝土?xí)驗槿彼_(dá)不到設(shè)計強度，大于最優(yōu)水灰比時，會因為水灰比本身太大和混凝土內(nèi)少部分水結(jié)冰產(chǎn)生裂縫，混凝土不密實使其達(dá)不到最高設(shè)計強度。

4　結(jié)　論

(1)負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件下三種水灰比混凝土28d的抗壓強度都比較低，水灰比分別為0.24、0.31和0.38的混凝土抗壓強度分別為40.1、43.4和34.7MPa，分別達(dá)到了其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28d抗壓強度的58.8%、75.6%和78%，說明負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)對三種水灰比混凝土抗壓強度的增長有明顯的抑制作用，尤其對水灰比小的混凝土抗壓強度影響最大；

(2)負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件對混凝土早期抗壓強度增長的影響最為顯著，隨著齡期的增長，這種影響會逐漸減弱，但對水灰比為0.24混凝土抗壓強度明顯造成了一定程度的不可恢復(fù)的損傷；

(3)負(fù)溫下(-3 ℃)參與水化反應(yīng)的水含量多少直接影響混凝土抗壓強度的增長，低水灰比(0.24)由于水含量的不足導(dǎo)致其后期混凝土抗壓強度很低，高水灰比(0.38)會由于混凝土內(nèi)部結(jié)冰量較大，體積發(fā)生膨脹，形成許多微裂縫，導(dǎo)致其后期抗壓強度不高；

(4)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下，并不是水灰比越小，混凝土抗壓強度就越高，存在著與養(yǎng)護(hù)溫度對應(yīng)的最優(yōu)水灰比，即該養(yǎng)護(hù)條件下能達(dá)到最高設(shè)計強度的水灰比。

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CompressiveStrengthGrowthofMinusTemperature(-3 ℃)CuringConcrete

DUAN Yun,WANG Qi-cai,ZHANG Rong-ling,DAI Jin-peng,XU Rui-peng

(SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

Thisexperimentstudiesconcretecompressivestrengthchangingruleunderthreedifferentcircumstances,namely,minustempe-raturecuring(-3 ℃),water-cementratioandage.Bymeasuringconcretecompressivestrengthofconcretetestcubesindifferentagesunderasustainedminustemperatureandthreewater-cementratiorangefrom0.24, 0.31to0.38,wecancometoaconclusionthatminustemperaturehasanobviousinhibitoryeffectonconcretecompressivestrengthofthosethreedifferentwater-cementratio.Theeffectgoeshighestwithinthefirst7d,withtheincreaseofage,theinfluencedecreases,anditmakesirreversibledamagetoconcretecompressivestrengthwithacorrespondingwater-cementratioof0.24.Lowwater-cementratioduetolackofwatercontentledtoitslatecompressivestrengthofconcreteisverylow,whilehighwater-cementratioconcreteduetoalargeamountofinternalicing,micro-cracksformationappearbecauseofvolumeswell,resultingnotsohighcompressivestrengthinlaterperiod.Thereisacorrespondingoptimalcuringtemperatureandwater-cementratio.

minustemperature;water-cementratio;age;compressivestrength;optimalwater-cementratio

國家自然科學(xué)基金(51268032);長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃(IRT1139)

段運(1990-)，男，碩士研究生.主要從事混凝土方面的研究.

王起才，教授，博導(dǎo).

TU528

A

1001-1625(2016)01-0244-06