養(yǎng)護(hù)材料對混凝土強(qiáng)度、抗裂性與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響分析

，,b，,b，，

(蘭州交通大學(xué) a.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

1 研究背景

混凝土作為目前最主要的建筑材料，廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、水利、工民建等行業(yè)的工程建設(shè)中。然而，我國幅員遼闊，各地區(qū)氣候環(huán)境差異巨大，因此混凝土材料在不同地區(qū)間的使用往往會(huì)表現(xiàn)出一定的差異性。究其原因，這是由于混凝土的性能除了要受到自身的水膠比、摻合料、外加劑等因素的制約外，還會(huì)受到養(yǎng)護(hù)溫度、濕度等環(huán)境因素以及養(yǎng)護(hù)方式的影響[1-3]。基于此，許多學(xué)者研究了特殊環(huán)境及不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土的性能：謝超等[4]對-3 ℃、3 ℃、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)等養(yǎng)護(hù)條件下低水膠比混凝土性能的研究表明養(yǎng)護(hù)溫度對混凝土的強(qiáng)度、氣孔結(jié)構(gòu)、抗氯離子滲透性等有很大的影響；李雪峰等[5]研究了低氣壓環(huán)境對混凝土含氣量及氣泡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明低氣壓環(huán)境會(huì)使混凝土的氣泡間距系數(shù)明顯增大；郭寅川等[6]研究了高寒地區(qū)橋梁混凝土的抗氯離子滲透性能；張豐等[7]研究了碳化養(yǎng)護(hù)對鋼渣混凝土強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性的影響，得到了碳化養(yǎng)護(hù)下鋼渣粉能夠顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、改善混凝土體積穩(wěn)定性的結(jié)論；李美利等[8]探討了自然環(huán)境、水中養(yǎng)護(hù)、薄膜覆蓋3種養(yǎng)護(hù)條件對不同粉煤灰摻量混凝土表面吸水率以及表面層混凝土的電阻率影響；王衍森等[9]則研究了凍結(jié)井外壁混凝土的早期強(qiáng)度增長規(guī)律，結(jié)果表明外壁混凝土的早期強(qiáng)度增長速度快，且沿厚度方向呈現(xiàn)為“表面低、內(nèi)部高”的分布特征。從以上針對特殊環(huán)境及不同養(yǎng)護(hù)方式的混凝土性能的影響的研究結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，與一般環(huán)境下的混凝土相比，特殊環(huán)境及不同養(yǎng)護(hù)方式下的混凝土性能確實(shí)表現(xiàn)出了明顯的差異。

本文針對干寒、大溫差的自然環(huán)境采取了多種養(yǎng)護(hù)材料對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，通過對試件抗壓強(qiáng)度、抗裂性以及細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究分析，以期發(fā)現(xiàn)較適合此類特殊環(huán)境下混凝土的發(fā)展的養(yǎng)護(hù)材料。

2 試驗(yàn)概況

格庫鐵路東起青海省格爾木市，西至新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市，線路全長1 213.9 km。線路新疆段為跨越臺特瑪湖區(qū)采取“以橋代路”的方式，橋梁全長約24 km。該地區(qū)氣候類型屬典型的大陸型干旱性氣候，異常干旱、寒冷、晝夜溫差大，平均氣溫1～3 ℃，白天最高氣溫能夠達(dá)到33～35 ℃，夜間最低氣溫約為-29～-33 ℃，年平均降水量27～43 mm，年平均蒸發(fā)量>2 800 mm。

本次試驗(yàn)儀器主要有SYE-2000BS型液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、測微儀、放大鏡、RapidAir457孔結(jié)構(gòu)分析儀、烘箱等。水泥采用新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級低堿水泥，成分組成如表1所示；粉煤灰采用巴州泛宇建材科技有限公司生產(chǎn)的I級粉煤灰；粗骨料為碎石，5～20 mm連續(xù)級配；引氣劑和減水劑均采用中建材中巖科技有限公司生產(chǎn)的引氣劑和聚羧酸減水劑；養(yǎng)護(hù)劑采用山西三維建材有限公司生產(chǎn)的SX-7型混凝土養(yǎng)護(hù)劑；土工布和橡塑板采用普通類型。

表1 水泥原料化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of cement

注：該表在文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上做了修正

強(qiáng)度測試和圓環(huán)法測試混凝土的早期抗裂性的方法均按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行。氣孔結(jié)構(gòu)測試采用氣孔結(jié)構(gòu)分析儀測試，具體測試方法與文獻(xiàn)[4]相同。

試驗(yàn)中配合比采用工程實(shí)際配比0.24，坍落度為(180±5)mm，配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete kg/m3

本次試驗(yàn)的養(yǎng)護(hù)方式分為自然養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)、橡塑板養(yǎng)護(hù)和土工布養(yǎng)護(hù)4種。按照混凝土配合比制作試件后，將試件先放入室溫為18 ℃的室內(nèi)帶模養(yǎng)護(hù)1 d之后脫模，然后按照不同養(yǎng)護(hù)條件分別進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

圖1給出了不同材料養(yǎng)護(hù)下混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。對試驗(yàn)結(jié)果分析得，7 d齡期時(shí)，養(yǎng)護(hù)劑、橡塑板、土工布3種養(yǎng)護(hù)材料養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度分別為自然養(yǎng)護(hù)下的1.04，1.15，1.07倍；28 d齡期時(shí)，這個(gè)相對強(qiáng)度比例變?yōu)?.91，1.09，1.02倍。不難看出，水膠比一定時(shí)，采用養(yǎng)護(hù)材料包裹養(yǎng)護(hù)的這種形式更有利于混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展，并且土工布和橡塑板的養(yǎng)護(hù)效果較養(yǎng)護(hù)劑要好；隨著齡期的增大，采取了養(yǎng)護(hù)方式的混凝土強(qiáng)度增長減緩，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度值甚至小于自然養(yǎng)護(hù)。

圖1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Test result of compressive strength

圖2 測試齡期內(nèi)某天的溫濕度變化情況Fig.2 Changes of temperature and humidity in one day during test age

混凝土的抗壓強(qiáng)度本質(zhì)上表征的是水泥水化程度，水化反應(yīng)越快，同齡期內(nèi)的水化程度越大，混凝土抗壓強(qiáng)度就會(huì)越高。就橡塑板的養(yǎng)護(hù)形式而言，黑色橡塑板吸熱會(huì)使混凝土所處的溫度升高，水化反應(yīng)速度較快，同齡期內(nèi)的水化反應(yīng)程度更大，抗壓強(qiáng)度更高。土工布養(yǎng)護(hù)形式與此類似，養(yǎng)護(hù)材料在一定程度上起到了保溫隔熱作用，使混凝土處于一個(gè)相對恒定的溫度范圍，促進(jìn)了混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)。自然養(yǎng)護(hù)下混凝土外表面直接與空氣接觸，溫度變化速度快、幅度大，低溫對水化反應(yīng)影響更顯著，水化反應(yīng)速度相對較慢，抗壓強(qiáng)度也較低。養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下的混凝土蒸發(fā)量小，內(nèi)部自由水含量高，理論上其水化程度實(shí)際上要比自然養(yǎng)護(hù)更大，但由于自由水凝結(jié)硬化過程中形成的泌水遷移通道更多，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度反而更低。從圖1中還可以看出，自然養(yǎng)護(hù)與土工布養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度值大致相同。這是由于夜間低溫時(shí)(見圖2)，混凝土內(nèi)部的自由水會(huì)結(jié)冰發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，對混凝土內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞[11]，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度有一定程度的減小。相較于普通養(yǎng)護(hù)形式，“包裹”式的養(yǎng)護(hù)方式一方面保障了混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)速率，同時(shí)也在一定程度上防止混凝土內(nèi)部的自由水結(jié)冰，因此抗壓強(qiáng)度反而較高。

為了能夠了解不同材料養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土強(qiáng)度增長規(guī)律，為施工提供相應(yīng)的理論指導(dǎo)，利用數(shù)據(jù)擬合工具對混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度的增長規(guī)律進(jìn)行了分析。表3是不同材料養(yǎng)護(hù)下的混凝土強(qiáng)度擬合結(jié)果。從表3中可知，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，對各齡期而言，最大相對誤差在1.07%～2.37%之間。這說明該擬合公式對各種養(yǎng)護(hù)方式下的抗壓強(qiáng)度均具有良好的擬合性，可以較為準(zhǔn)確地反映干寒大溫差的特殊環(huán)境下混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度與齡期之間的關(guān)系。

表3 強(qiáng)度擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of compressive strength

注:x是齡期；y是強(qiáng)度；a,b是擬合參數(shù)

3.2 抗裂性能

表4是不同材料養(yǎng)護(hù)下試件立面的開裂時(shí)間及開裂觀測結(jié)果。從表4中分析可知，養(yǎng)護(hù)方式對混凝土的開裂性影響明顯，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)和土工布養(yǎng)護(hù)能夠明顯提高混凝土的抗裂性，而橡塑板養(yǎng)護(hù)卻恰好相反。與自然養(yǎng)護(hù)相比，養(yǎng)護(hù)劑、土工布養(yǎng)護(hù)下混凝土的初裂時(shí)間推遲了4，11 h，橡塑板養(yǎng)護(hù)則提前了2.5 h；除橡塑板養(yǎng)護(hù)外，其余養(yǎng)護(hù)方式的裂縫總條數(shù)相較而言均呈減小趨勢；此外，就初裂長度、初裂寬度而言，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下試件初裂長度、初裂寬度分別減小了10.2%和38.2%，土工布養(yǎng)護(hù)下則減小了27.1%和47%，橡塑板養(yǎng)護(hù)下初裂寬度較自然養(yǎng)護(hù)有所增大，約為80.9%，初裂長度卻僅減小了4.4%，同時(shí)，裂縫總條數(shù)與自然養(yǎng)護(hù)下相同。這說明，養(yǎng)護(hù)劑、土工布養(yǎng)護(hù)方式有利于抑制混凝土的開裂，橡塑板養(yǎng)護(hù)則不利于混凝土的抗裂。

表4 裂縫觀測結(jié)果Table 4 Observation results of cracks

對小體積混凝土而言，硬化過程中的失水收縮是影響其早期開裂的主要因素[12]。在自然養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土表面水分蒸發(fā)量較大，水分遷移程度較高，在混凝土內(nèi)部形成了較多的毛細(xì)孔，使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的塑性收縮；此外，混凝土內(nèi)部由于水化放熱溫度較高，表面溫度卻較低，形成了較大的溫度差，產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，而此時(shí)混凝土的強(qiáng)度卻較低，抵抗拉應(yīng)力的能力較弱，這也是混凝土開裂的原因之一。橡塑板養(yǎng)護(hù)相較于自然養(yǎng)護(hù)，雖然溫度應(yīng)力較小，但水化反應(yīng)快，水化程度高，混凝土內(nèi)部也會(huì)造成局部失水，從而產(chǎn)生較大的塑形收縮，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，使得其開裂較為嚴(yán)重?？紤]到其初裂時(shí)間僅為4.5 h，即在白天時(shí)就發(fā)生了開裂，因此溫度應(yīng)力對其初裂過程影響并不大。養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)過程中由于混凝土表面的水分蒸發(fā)小，失水并不嚴(yán)重，所以混凝土開裂并不嚴(yán)重。土工布養(yǎng)護(hù)形式則是減弱了混凝土表面的水分散失，相對減小了混凝土的失水收縮；同時(shí)也減弱了混凝土內(nèi)部水化熱產(chǎn)生的溫度差，降低了溫度應(yīng)力，最終提高了混凝土的抗裂性。

3.3 細(xì)觀結(jié)構(gòu)

3.3.1 孔隙率

圖3是不同材料養(yǎng)護(hù)下混凝土28 d齡期的孔隙率試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 孔隙率試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of porosity

從圖3中可以看出，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下試件的孔隙率較自然養(yǎng)護(hù)下有一定程度的增大，約為47.3%，橡塑板、土工布養(yǎng)護(hù)則相對有所減小，分別為17.8%,13.1%。這是因?yàn)楫?dāng)實(shí)際水膠比大于理論上水泥完全水化的水膠比時(shí)，混凝土內(nèi)部的孔徑形成是由過量的自由水在凝結(jié)硬化過程中形成的泌水通道以及混凝土表面水分蒸發(fā)過程中的遷移通道決定的[4]，自由水越多，水分蒸發(fā)越快，混凝土的孔隙率就越大。養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下，雖然水分蒸發(fā)速度慢，但混凝土內(nèi)部的自由水含量最多，凝結(jié)硬化過程中形成的泌水通道更多，因此孔隙率最大；橡塑板、自然養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土蒸發(fā)量大，水分蒸發(fā)形成的遷移通道較多，自由水凝結(jié)硬化的泌水通道則較小，總體來看，其孔隙率較養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下的混凝土要??；土工布養(yǎng)護(hù)下，雖然其蒸發(fā)量小，但由于土工布的保溫隔熱作用，混凝土內(nèi)部水化程度較高，故其自由水含量并非很大，因此孔隙率與橡塑板的養(yǎng)護(hù)形式大致相同。除此之外，由于大溫差的特殊環(huán)境，夜間低溫混凝土內(nèi)部的水凍結(jié)冰，發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，當(dāng)這種凍脹應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，也會(huì)形成許多微裂縫[13]，這也會(huì)對氣孔結(jié)構(gòu)的發(fā)展有一定的影響。

此外，有研究表明，混凝土的孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系[14-15]：混凝土的孔隙率越大，其內(nèi)部的相對受力面積就越小，單位面積承受的壓力就越小。這也從細(xì)觀角度說明：養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下的混凝土孔隙率最大，抗壓強(qiáng)度最?。幌鹚馨屦B(yǎng)護(hù)下的混凝土孔隙率最小，抗壓強(qiáng)度最大。

3.3.2 氣泡平均弦長

氣泡平均弦長可以用來表征混凝土氣泡的孔徑分布狀態(tài)。其值越大，表示混凝土大孔徑的孔含量越多，反之則表示小孔含量更多。圖4是不同材料養(yǎng)護(hù)下混凝土28 d齡期的氣泡平均弦長試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 氣泡平均弦長試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of average chord length

從圖4中可以看出，不同養(yǎng)護(hù)方式下的混凝土氣泡平均弦長從大到小依次為養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)、土工布養(yǎng)護(hù)、橡塑板養(yǎng)護(hù)。這是因?yàn)樵谡駬v方式、外加劑等條件相同時(shí)，混凝土內(nèi)部氣泡大小與水泥水化程度有很大關(guān)系，此外自由水的泌水及蒸發(fā)遷移也對氣泡間距系數(shù)有一定程度的影響?；炷了潭仍礁?，孔徑就會(huì)有朝著小孔徑的方向發(fā)展的趨勢。橡塑板的養(yǎng)護(hù)形式水化程度最高，氣泡平均弦長最小，土工布次之。養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下的混凝土水化程度較自然養(yǎng)護(hù)更大一些，但其內(nèi)部自由水遷移等因素對混凝土的影響要大于自然養(yǎng)護(hù)下水分蒸發(fā)遷移等對混凝土的影響，因此，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下的混凝土氣泡平均弦長較自然養(yǎng)護(hù)下更大一些。這從孔隙率及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果也能看出來。

3.3.3 氣泡間距系數(shù)

圖5是不同材料養(yǎng)護(hù)下混凝土28 d齡期的氣泡間距系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。從圖5中可以看出，不同材料養(yǎng)護(hù)下混凝土的氣泡間距系數(shù)也表現(xiàn)出一定的差異，從大到小依次為：橡塑板、自然養(yǎng)護(hù)、土工布和養(yǎng)護(hù)劑。一般而言，氣泡間距系數(shù)與氣泡含量及氣泡大小有關(guān)，氣泡含量越多，氣泡孔徑越大，氣泡間距系數(shù)就會(huì)越小。而氣泡含量即為混凝土的孔隙率，氣泡直徑則能通過氣泡平均弦長體現(xiàn)出來。養(yǎng)護(hù)劑的養(yǎng)護(hù)形式孔隙率與氣泡平均弦長均最大，氣泡間距系數(shù)最??；橡塑板的養(yǎng)護(hù)形式其孔隙率與氣泡平均弦長均較小，氣泡間距系數(shù)反而最大。此外，夜間低溫下水結(jié)冰體積膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也會(huì)造成氣泡間距系數(shù)在一定程度上增大[11]，于是自然養(yǎng)護(hù)下的氣泡間距系數(shù)較土工布的養(yǎng)護(hù)形式更大一些。

圖5 氣泡間距系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of void spacing factor

氣泡間距系數(shù)在物理意義上表示的是混凝土中可凍水在結(jié)冰膨脹時(shí)向氣泡遷移的距離[16]，被認(rèn)為是決定混凝土抗凍性最關(guān)鍵的指標(biāo)，并且研究指出當(dāng)混凝土中氣泡間距系數(shù)在200～300 μm之間時(shí)混凝土具有優(yōu)良的抗凍性能[17]。因此，通過氣泡間距系數(shù)可以間接地研究混凝土的抗凍性能。從圖5中可以看出，土工布養(yǎng)護(hù)形式下混凝土的氣孔間距系數(shù)在200～300 μm之間，說明土工布養(yǎng)護(hù)形式下的混凝土有較好的抗凍性能。

4 結(jié) 論

通過對干寒、大溫差環(huán)境下不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗裂性能及其細(xì)觀氣孔結(jié)構(gòu)的分析，得出了以下結(jié)論：

(1)相比于自然養(yǎng)護(hù)，“包裹”式養(yǎng)護(hù)可以在一定程度上消除外界環(huán)境帶來的影響，相對地提高了水泥水化反應(yīng)的速率，同齡期內(nèi)的水化程度更大，因此混凝土抗壓強(qiáng)度較自然養(yǎng)護(hù)形式要高。此外，夜間低溫的養(yǎng)護(hù)環(huán)境不僅會(huì)制約混凝土水化反應(yīng)速率，混凝土內(nèi)部的自由水在凍結(jié)成冰的過程中也會(huì)對混凝土內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)造成損傷，對抗壓強(qiáng)度造成一定的影響。

(2)小體積混凝土的開裂本質(zhì)上是混凝土的失水收縮造成的，溫度應(yīng)力也會(huì)有一定的影響，因此養(yǎng)護(hù)形式對混凝土抗裂性能的影響主要在失水及溫度方面。從初裂時(shí)間、初裂寬度、初裂長度以及裂縫總條數(shù)等方面來說，養(yǎng)護(hù)劑、土工布養(yǎng)護(hù)能夠提高混凝土的抗裂性，橡塑板養(yǎng)護(hù)下的混凝土抗裂性最差。

(3)混凝土的孔隙率是由內(nèi)部的自由水在凝結(jié)硬化過程中形成的泌水通道以及表面水分蒸發(fā)過程中的遷移通道決定的。自由水含量越多，蒸發(fā)速度越快，混凝土的孔隙率就越大；此外，還與混凝土內(nèi)部自由水的凍結(jié)程度有關(guān)。就孔隙率而言，養(yǎng)護(hù)劑的養(yǎng)護(hù)形式最大，自然養(yǎng)護(hù)次之，橡塑板與土工布較小。

(4)混凝土的氣泡平均弦長與氣泡間距系數(shù)在一定程度上表征了混凝土的氣泡分布狀態(tài)。前者與混凝土的水化程度有關(guān)，后者則是由水化程度、自由水的泌水、遷移及凍脹等因素共同決定的。

(5)通過綜合對比分析不同材料養(yǎng)護(hù)下混凝土的強(qiáng)度、抗裂性與細(xì)觀結(jié)構(gòu)，可知土工布養(yǎng)護(hù)最適合作為干寒、大溫差環(huán)境下的混凝土養(yǎng)護(hù)材料，其抗壓強(qiáng)度、抗裂性及細(xì)觀結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)都較自然養(yǎng)護(hù)有一定程度的增強(qiáng)。相對而言，橡塑板養(yǎng)護(hù)抗裂性較差，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)形式的力學(xué)性能較差。