寒區(qū)冬季施工對混凝土耐久性的影響研究

何承義，王景波，張顯軍，楊 揚

(黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

寒區(qū)冬季施工對混凝土耐久性的影響研究

何承義，王景波，張顯軍，楊 揚

(黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

通過對不同養(yǎng)護制度下的寒區(qū)冬季施工混凝土氯離子擴散、凍融循環(huán)試驗，探究養(yǎng)護制度對其耐久性的影響，結(jié)果顯示出不同的養(yǎng)護溫度和相對濕度組合對冬季橋梁用混凝土滲透性能、質(zhì)量損失率、相對動彈模量的影響。寒區(qū)橋梁用混凝土養(yǎng)生，高溫高濕的養(yǎng)護條件優(yōu)于低溫低濕和高溫干燥的養(yǎng)護條件。

寒區(qū)；養(yǎng)生；耐久性；橋梁用混凝土

冬季施工養(yǎng)護方法主要有綜合蓄熱法和外部加熱法，嚴(yán)寒時節(jié)只能使用外部加熱法[1]。黑龍江省屬于寒溫帶，與我國北方其它地區(qū)混凝土冬季施工相比有很大不同。寒區(qū)橋梁混凝土冬季施工外部加熱可通過紅外線加熱、電加熱、蒸汽加熱、火爐等來實現(xiàn)。在嚴(yán)寒的冬季進行混凝土養(yǎng)生一直沒有科學(xué)規(guī)范的方法。事實上，混凝土的強度及耐久性與養(yǎng)護條件(尤其是溫度、濕度條件)關(guān)系很大，冬季施工混凝土的養(yǎng)生條件、溫度、濕度交替循環(huán)變化，混凝土強度增長與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生下強度增長有較大差異，因而現(xiàn)場養(yǎng)生的混凝土品質(zhì)會存在較大差異性[2]。近年來，由于交通設(shè)施建設(shè)的需要，有很多橋梁(特別是一些特大橋)采用了跨越嚴(yán)冬時節(jié)的冬季施工，為保證混凝土施工質(zhì)量，研究混凝土養(yǎng)生條件(溫度、濕度條件)對混凝土力學(xué)性質(zhì)及耐久性的影響十分必要。

1 試驗材料配合比與試驗方法

1.1 原材料

試驗中水泥選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。碎石為5～20 mm連續(xù)級配，表觀密度2 712 kg/m3，堆積密度1 475 kg/m3，壓碎值8.9%，含泥量<1%；砂子細(xì)度模數(shù)為2.4，含泥量<3%，最大粒徑5 mm，表觀密度2 620 kg/m3，堆積密度1 346 kg/m3；粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，燒失量為3.5%，比表面積為5 400 cm2/g；減水劑采用萘系減水劑。

1.2 混凝土配合比

通過對黑龍江省目前一些預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)所使用的混凝土配合比調(diào)查，確定本試驗所使用混凝土配合比，并按此配合比制備試塊。試驗用混凝土配合比如表1所示。

1.3 試驗方法

通過對黑龍江省及吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)橋梁冬季施工養(yǎng)生方法的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，施工企業(yè)最常使用搭棚覆蓋配合焦炭爐加熱、 搭棚覆蓋配合焦炭爐與蒸汽加熱組合3種方法進行橋梁冬季施工養(yǎng)生。本研究針對性地設(shè)計了3種室內(nèi)試驗：養(yǎng)生溫度5 ℃、相對濕度(RH)為50%；養(yǎng)生溫度60 ℃、相對濕度(RH)為30%；養(yǎng)生溫度60 ℃、相對濕度(RH)為95%，用來模擬實際施工的搭棚覆蓋(低溫低濕)、搭棚覆蓋加焦炭爐加熱法(高溫干燥)、搭棚覆蓋加焦炭爐再加蒸汽加熱(高溫高濕)養(yǎng)生環(huán)境。試驗時分3組制作混凝土試件，用于3種養(yǎng)護組合的試驗。每組試件養(yǎng)護一定齡期后對其進行氯離子擴散系數(shù)快速測定(RCM法)和凍融循環(huán)試驗。

表1 試驗用混凝土配合比 kg/m3

2 混凝土抗?jié)B試驗

2.1 試驗方法

試驗采用混凝土圓柱體試件Φ100 mm×100 mm規(guī)格，試件制作和養(yǎng)護及試驗操作按GBT50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行。

試驗設(shè)計了3種養(yǎng)護制度，養(yǎng)護制度一設(shè)計為養(yǎng)生溫度5 ℃、相對濕度(RH)50%；養(yǎng)護制度二設(shè)計為在60 ℃，相對濕度(RH)30%環(huán)境養(yǎng)生；養(yǎng)護制度三設(shè)計為在60℃，相對濕度(RH)95%環(huán)境養(yǎng)生。

2.2 試驗結(jié)果分析

使用氯離子擴散系數(shù)快速測定(RCM法)的養(yǎng)護方法共進行7種，養(yǎng)護方式一的試件標(biāo)為C1，采用養(yǎng)護制度一到56 d；養(yǎng)護方式二的試件標(biāo)為C2，分別在養(yǎng)護制度二既60℃相對濕度(RH)30%環(huán)境養(yǎng)生3 d、7 d、14 d后再在養(yǎng)護制度一中養(yǎng)生到56 d；養(yǎng)護方式三的試件標(biāo)為C3，分別在養(yǎng)護制度三既60 ℃相對濕度(RH)95%環(huán)境養(yǎng)生3 d、7 d、14 d 后放入養(yǎng)護制度一的環(huán)境養(yǎng)生到56 d。齡期56 d結(jié)束后分別對3種方式下的試件進行氯離子擴散系數(shù)快速測定(RCM法)，其結(jié)果見表2。

試驗結(jié)果顯示在相同的齡期下，溫度為5 ℃，相對濕度(RH)50%養(yǎng)護時(低溫低濕)，氯離子擴散系數(shù)小于養(yǎng)生溫度60 ℃、相對濕度(RH)為30%養(yǎng)護時(高溫干燥)，在60 ℃相對濕度(RH)95%環(huán)境養(yǎng)生(高溫高濕)氯離子擴散系數(shù)最小。先期進行溫度60 ℃、相對濕度(RH)為30%(高溫干燥)養(yǎng)護3 d、7 d、14 d后，再進行溫度為5 ℃，相對濕度(RH)50%養(yǎng)護到56 d，氯離子擴散系數(shù)隨先期高溫干燥養(yǎng)護天數(shù)增加而增大，表明先期的高溫干燥環(huán)境對混凝土抗?jié)B性能不利。先期進行溫度60 ℃、相對濕度(RH)為95%(高溫高濕)養(yǎng)護3 d、7 d、14 d 后，再進行溫度為5 ℃，相對濕度(RH)50%養(yǎng)護到56 d，氯離子擴散系數(shù)隨先期高溫高濕養(yǎng)護天數(shù)增加而減小，表明先期的高溫高濕環(huán)境對增加混凝土抗?jié)B性能有利。

表2 不同養(yǎng)護制度下混凝土的滲透性性能

3 凍融循環(huán)試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗方案

試驗試件采用100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm兩種規(guī)格，第一種養(yǎng)護制度采用溫度60 ℃，相對濕度分別為30%、50%、70%，養(yǎng)護時間28 d；第二種養(yǎng)護制度采用相對濕度95%時不同溫度30 ℃、60 ℃，養(yǎng)護時間28 d。

混凝土的凍融循環(huán)試驗根據(jù)GBT50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗凍性能試驗的快凍法進行。

在氯化鈉溶液中進行凍融循環(huán)試驗時參照國內(nèi)一些試驗方法以及歐洲共同體通用試驗標(biāo)準(zhǔn)RILEM TC117-FDC/95、美國材試驗協(xié)會ASTMC672提出的試驗方法。

混凝土在氯化鈉溶液中凍融循環(huán)，鹽溶液濃度對混凝土的表面剝落影響較大，濃度過高或過低混凝土剝落都會減小，經(jīng)試驗分析，采用3.0%濃度的氯化鈉溶液，凍融效果明顯[3]。

3.2 試驗結(jié)果及分析

試件經(jīng)快凍法試驗和在3.0%氯化鈉溶液中凍融循環(huán)試驗后，同組試件在無氯化鈉水中的凍融次數(shù)明顯高于在3.0%濃度的氯化鈉溶液中的凍融次數(shù)?；炷猎跓o氯化鈉水中快速凍融時，質(zhì)量損失率小于在3.0%濃度的氯化鈉溶液中凍融時質(zhì)量損失率。且在3.0%濃度的氯化鈉中凍融循環(huán)可使動相對彈性模量下降較在無氯化鈉水中快速凍融時加劇。其兩種養(yǎng)護制度下的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率見表3與表4。

表3 不同濕度養(yǎng)護試件凍融循環(huán)試驗的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率

注：表中B代表混凝土的相對動彈性模量，M代表混凝土的質(zhì)量損失率；E1代表3%氯化鈉溶液凍融循環(huán)的相對動彈性模量，M1代表3%氯化鈉溶液凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率。

如果將快凍法凍融循環(huán)試驗看成單因素的凍融循環(huán)試驗，添加3.0%氯化鈉溶液的凍融循環(huán)試驗則看成是雙因素凍融循環(huán)試驗。從表3與表4發(fā)現(xiàn)，單因素與雙因素兩種凍融循環(huán)試驗隨著循環(huán)次數(shù)增加，單因素凍融循環(huán)相對彈性模量變化與雙因素的相對彈性模量變化趨勢近于相同，且雙因素相對彈性模量下降幅度比單因素凍融循環(huán)的相對彈性模量大。同樣，隨著循環(huán)次數(shù)增加，單因素凍融循環(huán)質(zhì)量損失率變化與雙因素凍融循環(huán)質(zhì)量損失率變化趨勢近于相同，且雙因素凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率下降幅度比單因素凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率大。

表4 不同溫度養(yǎng)護試件凍融循環(huán)試驗的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率

從表3可見，相同溫度不同濕度養(yǎng)護試件隨著養(yǎng)護濕度的提升抗凍融性能也有所提升，說明養(yǎng)護中保證濕度有利于混凝土抗凍性的提高。

從表4可見，相同濕度下不同溫度養(yǎng)護試件，高溫高濕養(yǎng)護有利于混凝土抗凍性的提高，高溫低濕的養(yǎng)護濕度混凝土的抗凍性不及高溫高濕養(yǎng)護。如同為凍融循環(huán)100次高溫低濕的養(yǎng)護試件相對彈性模量為高溫高濕養(yǎng)護試件相對彈性模量的84%；高溫低濕的養(yǎng)護試件質(zhì)量損失率為高溫高濕養(yǎng)護試件質(zhì)量損失率的133%。

4 結(jié) 論

1)溫度變化與濕度變化對氯離子擴散系數(shù)影響不可忽視，高溫高濕環(huán)境對增加混凝土抗?jié)B性能有利。

2)養(yǎng)護條件對混凝土抗凍性有不同程度的影響，養(yǎng)護溫度升溫速度過快時混凝土表面的水分會大量蒸發(fā)，使混凝土后期強度發(fā)展緩慢。高溫養(yǎng)護期混凝土保持充分濕度十分必要。高溫高濕養(yǎng)護條件的混凝土抗凍性能優(yōu)于高溫干燥和低溫低濕養(yǎng)護條件下養(yǎng)生的混凝土。

3)處于寒區(qū)的橋梁用混凝土養(yǎng)生，高溫高濕的養(yǎng)護條件優(yōu)于低溫低濕和高溫干燥的養(yǎng)護條件。工程實際中搭棚覆蓋加焦炭爐與蒸汽加熱養(yǎng)生較搭棚覆蓋加焦炭爐加熱法對混凝土耐久性有利。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

A study of the effect of the durability of concrete in cold region

HE Chengyi, WANG Jingbo, XIAN Junzhang, YANG Yang

(College of of Architectural and Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,China)

The experimental study on the durability of concrete in the bridge is carried out. The influence of different curing temperature and relative humidity combination concrete of the cold region construction bridges are used durability is obtained. The conclusion shows that, The late strength of concrete is slow when the curing temperature heats up too fast. Because The water on the concrete surface evaporates in large quantities .It is necessary for the high temperature curing of concrete to keep enough moisture.

cold region;curing; concrete durability；bridge concrete

2017-03-22

黑龍江省自然科學(xué)基金項目(E201325)

何承義(1962-)，男，教授， 研究方向：土木工程.

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.04.001

TU528

A

1671-4679(2017)04-0001-03