關(guān)于強(qiáng)度倒縮的探究及規(guī)避分析

吳金龍

（湖北荊門安建混凝土有限公司，湖北 荊門 448000）

0 引言

混凝土是一種由膠凝材料將骨料膠結(jié)成整體的工程復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于土木工程，是為構(gòu)筑物提供強(qiáng)度的主要來源。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，混凝土的需求量越來越大，對(duì)強(qiáng)度及耐久性能的要求也越來越高?；炷恋膹?qiáng)度是如何發(fā)展的，是一直增長(zhǎng)還是存在衰退期？目前沒有一致的觀點(diǎn)。很多業(yè)內(nèi)人士在對(duì)混凝土試塊進(jìn)行 7 天和 28 天強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)后期強(qiáng)度有倒縮的現(xiàn)象，并對(duì)混凝土的耐久性能提出了質(zhì)疑。

混凝土企業(yè)在試塊檢測(cè)中偶爾碰到強(qiáng)度倒縮的情況，然而卻找不出倒縮的規(guī)律，在對(duì)水泥 3 天和 28 天強(qiáng)度記錄查閱后并未發(fā)現(xiàn)水泥存在后期強(qiáng)度的倒縮。筆者認(rèn)為，如果倒縮理論存在，倒縮的緣由應(yīng)該在水泥上。水泥 3 天和 28 天強(qiáng)度檢測(cè)可能避開了特定的強(qiáng)度倒縮期，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)彌補(bǔ)了倒縮期的倒縮量。本文從尋求水泥的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律出發(fā)，證實(shí)了“特定倒縮期”的存在，通過對(duì)普通硅酸鹽水泥和快硬硫鋁酸鹽水泥的倒縮期對(duì)比，分析水泥的礦物成分與強(qiáng)度倒縮期的相關(guān)性，并從微觀結(jié)構(gòu)的變化論證了強(qiáng)度倒縮的機(jī)理，為混凝土耐久性能的研究提供參考，及如何規(guī)避強(qiáng)度倒縮的發(fā)生提供建議。

1 原材料性能與試驗(yàn)原理及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)所使用的水泥為湖北省葛洲壩鐘祥水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥（P·O42.5），石膏摻量5.5%，粉煤灰摻量 6%，石灰石摻量 6%。水泥的主要礦物組成及性能見表 1。

試驗(yàn)用砂為標(biāo)準(zhǔn)砂；減水劑為荊門市漢鼎化工有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系減水劑，固含量 11%，摻量 2% 時(shí)砂漿減水率為 24.5%。

表 1 水泥主要礦物組成及性能

1.2 試驗(yàn)原理及方法

試驗(yàn)不考慮碎石的影響，只研究砂漿的強(qiáng)度增長(zhǎng)。為提高試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比性，試驗(yàn)中保持用水量和標(biāo)準(zhǔn)砂用量的不變，僅對(duì)水泥用量進(jìn)行增減，觀察不同水膠比的膠砂強(qiáng)度增長(zhǎng)情況。試驗(yàn)對(duì)低水膠比的膠砂制作采用減水劑，同時(shí)，對(duì)不摻減水劑和添加不同摻量減水劑的膠砂強(qiáng)度增長(zhǎng)情況進(jìn)行對(duì)比，分析外加劑對(duì)強(qiáng)度倒縮的影響，尋求強(qiáng)度倒縮的決定因素及其作用機(jī)理。

試驗(yàn)參照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》進(jìn)行，試件尺寸為 40mm×40mm×160mm 的長(zhǎng)方體。試驗(yàn)分兩組進(jìn)行：第一組試驗(yàn)，不摻減水劑。固定用水量為 225mL，標(biāo)準(zhǔn)砂一袋 1350g。計(jì)算水膠比分別為 0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60 時(shí)的水泥用量，制作對(duì)應(yīng)的膠砂試件各 6 組。因水膠比為 0.20和 0.25 時(shí)膠砂狀態(tài)呈粉狀，成型困難，在本組試驗(yàn)中不作考慮。第二組試驗(yàn)，添加不同摻量的減水劑。試驗(yàn)中扣除減水劑的水分含量，保持實(shí)際用水量為 225mL不變，標(biāo)準(zhǔn)砂一袋 1350g。計(jì)算水膠比分別為 0.20，0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60 時(shí)的水泥用量，制作對(duì)應(yīng)的膠砂試件各 6 組。試驗(yàn)中減水劑的摻量隨水泥用量的增加而增大，以保證有足夠的膠砂流動(dòng)度便于成型即可。

本試驗(yàn)中的膠砂試件數(shù)量較大，為保證養(yǎng)護(hù)環(huán)境的一致性，全數(shù)膠砂試件均采用水泥混凝土養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試件始終置于水面以下，溫度設(shè)定在 20℃。測(cè)定7d、14d、21d、28d、56d 及 84d 齡期膠砂的抗折和抗壓強(qiáng)度，繪制強(qiáng)度發(fā)展曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 第一組試驗(yàn)

在用水量和標(biāo)準(zhǔn)砂用量不變的基礎(chǔ)上，對(duì)水膠比為0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60 的膠砂進(jìn)行試驗(yàn)，僅分析唯一變量水泥量不同時(shí)的強(qiáng)度情況。觀察強(qiáng)度倒縮是否出現(xiàn)及強(qiáng)度的增長(zhǎng)情況，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。依據(jù)表 2 數(shù)據(jù)繪制出強(qiáng)度發(fā)展曲線，分析強(qiáng)度倒縮的規(guī)律，詳見圖 1 和圖 2。

表 2 不同水膠比膠砂試驗(yàn)及強(qiáng)度數(shù)據(jù)

圖 1 抗折強(qiáng)度曲線

圖 2 抗壓強(qiáng)度曲線

從表 2、圖 1 和圖 2 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)可以看出，抗折強(qiáng)度在特定時(shí)期存在倒縮的情況，抗壓強(qiáng)度一直保持增長(zhǎng)，抗壓的增長(zhǎng)速率在倒縮期有所減緩。圖中 1-3#、1-4#、1-5#、1-6#、1-7# 曲線均從 21 天開始出現(xiàn)抗折強(qiáng)度的倒縮且倒縮量較大；1-3# 曲線在 56天后再次開始增長(zhǎng)，1-4#、1-5#、1-6#、1-7# 曲線在 28天后再次開始增長(zhǎng)；1-8# 和 1-9# 曲線幾乎不存在強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的水膠比為 0.55 和 0.60，水泥用量為409g 和 375g。該批次膠砂試件唯一的變量是水泥的用量，表明強(qiáng)度的倒縮與水泥量的多少有關(guān)，當(dāng)水泥用量高于 409g 時(shí)存在抗折強(qiáng)度倒縮的風(fēng)險(xiǎn)。得出膠砂混合體單位體積內(nèi)的水泥量越多出現(xiàn)倒縮的可能性越大，且倒縮期越長(zhǎng)，倒縮量越大的結(jié)論。

膠砂的強(qiáng)度來源于內(nèi)部結(jié)構(gòu)中水泥石的生成，膠砂試件養(yǎng)護(hù)所需的水和溫度在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)得到充足的保證，水泥的水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，水泥石在不斷生成。隨著水泥水化的進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)該保持持續(xù)增長(zhǎng)，出現(xiàn)抗折強(qiáng)度的倒縮說明膠砂結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生了某種破壞。微觀結(jié)構(gòu)上，水泥的硬化是動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程，隨著水化產(chǎn)物的不斷產(chǎn)生，微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生著收縮及膨脹運(yùn)動(dòng)[1]。當(dāng)不利因素微裂縫出現(xiàn)時(shí)宏觀力學(xué)性能下降，強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮。

2.2 第二組試驗(yàn)

為彌補(bǔ)第一組試驗(yàn)無法制作 0.20 和 0.25 低水膠比膠砂試件的缺陷，本組試驗(yàn)中添加了減水劑，同時(shí)觀察減水劑對(duì)強(qiáng)度發(fā)展的影響。添加的減水劑扣除其中的水分含量，保持固定用水量為 225mL 不變。對(duì)水膠比為0.20，0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60的膠砂進(jìn)行試驗(yàn)，分析摻減水劑時(shí)水泥用量對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)的影響，并對(duì)強(qiáng)度倒縮出現(xiàn)的時(shí)期進(jìn)行觀察。相關(guān)數(shù)據(jù)見表 3，繪制強(qiáng)度發(fā)展曲線圖 3 和圖 4。

表 3 摻減水劑不同水膠比膠砂試驗(yàn)及強(qiáng)度數(shù)據(jù)

圖 3 摻減水抗劑壓強(qiáng)抗度折曲線強(qiáng)度曲線

圖 4 摻減水劑抗壓強(qiáng)度曲線

從表 3、圖 3 和圖 4 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)可以看出，抗折強(qiáng)度同樣有明顯的倒縮現(xiàn)象，抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)但增長(zhǎng)速率在倒縮期有所減緩。圖中 2-1# 和2-2# 曲線的水膠比分別為 0.20 和 0.25，曲線從 14 天開始出現(xiàn)抗折強(qiáng)度的倒縮且倒縮量很大；2-3# 和 2-4# 曲線從 21 天開始出現(xiàn)抗折強(qiáng)度的倒縮，與第一組試驗(yàn)的倒縮期相同但倒縮持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；2-5#、2-6# 和 2-7#曲線在 28 天后出現(xiàn)抗折強(qiáng)度倒縮，倒縮開始的時(shí)間相對(duì)第一組推后；2-8# 和 2-9# 曲線仍然不存在強(qiáng)度倒縮。

該組試驗(yàn)表明，隨著水泥用量的降低“特定倒縮期”出現(xiàn)的時(shí)間逐漸推后，大劑量的水泥用量（2-1#、2-2#）可使強(qiáng)度倒縮更早的發(fā)生，當(dāng)膠砂混合體單位體積內(nèi)的水泥量低于某個(gè)數(shù)值時(shí)強(qiáng)度倒縮不再發(fā)生（2-8#、2-9#）。試驗(yàn)中減水劑對(duì)水泥顆粒起到分散作用，增大了水泥顆粒間的間距，提高了膠砂混合體的均勻性。微觀結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力薄弱點(diǎn)減少，抵擋破壞應(yīng)力增強(qiáng)，起到了適當(dāng)延緩微裂縫產(chǎn)生的作用，所以出現(xiàn)2-5#、2-6#和 2-7# 的倒縮期推后的情況。當(dāng)減水劑對(duì)水泥顆粒的分散作用增強(qiáng)效應(yīng)不足以抵抗高水泥量時(shí)的微觀破壞力，微裂縫的延緩作用不再顯現(xiàn)。減水劑對(duì)微裂縫發(fā)生的推遲效應(yīng)使強(qiáng)度倒縮期推后，進(jìn)一步佐證了水泥硬化膠體內(nèi)的微裂縫是導(dǎo)致強(qiáng)度倒縮的原因。

以上兩組試驗(yàn)結(jié)果得出：膠砂強(qiáng)度倒縮主要表現(xiàn)為抗折強(qiáng)度的倒縮，是由水泥水化過程中微裂縫的產(chǎn)生所導(dǎo)致的，微裂縫對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響很??；膠砂混合體單位體積內(nèi)的水泥量大小決定了強(qiáng)度倒縮是否產(chǎn)生及快慢速度。

水泥硬化漿體通過水化反應(yīng)不斷的生成水化產(chǎn)物，水化物不斷堆積并填充內(nèi)部孔隙。當(dāng)水化產(chǎn)物足夠多且局部孔隙被完全填滿時(shí)，在周邊薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力的集中導(dǎo)致微裂縫的出現(xiàn)。對(duì)微裂縫產(chǎn)生機(jī)理的研究是解決強(qiáng)度倒縮的基礎(chǔ)。筆者從探究“特定倒縮期”著手對(duì)水泥的化學(xué)組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn) C3A、C3S 和 C2S 的水化速度及深度是決定微裂縫出現(xiàn)時(shí)期的關(guān)鍵因素。

安德勒格（Anderrgg）和呼貝爾（Hubbel）對(duì)直徑為 dm=25～30μm 的硅酸鹽水泥熟料及礦物成分在溫度20～25℃ 條件下，用顯微鏡測(cè)量不同齡期水泥水化深度（表 4）的研究表明：C3A 水化最快，3 天以后水化深度就無變化；C3S 的 7 天水化深度達(dá)到水化部分的97%，7～28 天水化速度非常緩慢，28 天后幾乎無變化；C2S水化最慢，對(duì)后期強(qiáng)度增長(zhǎng)起著重要作用。

表 4 硅酸鹽水泥熟料及礦物成分水化深度 μm

水化深度的研究結(jié)果與本試驗(yàn)中普通硅酸鹽水泥強(qiáng)度倒縮期為 14～28 天相符。該類水泥的強(qiáng)度倒縮由C3S 的水化深度決定，后期 C2S 逐步開始水化，其水化產(chǎn)物對(duì)微裂縫進(jìn)行自我修復(fù)使強(qiáng)度再次上漲。

肖忠明和郭俊萍對(duì)快硬硫鋁酸鹽水泥抗折強(qiáng)度倒縮機(jī)理的研究[2]（表 5、表 6）表明：抗折強(qiáng)度從 3 天開始出現(xiàn)倒縮，7 天后再次增長(zhǎng)，到 28 天時(shí)彌補(bǔ)倒縮量且高于 3 天的強(qiáng)度。此類水泥的強(qiáng)度倒縮由礦物成分C3A 的水化深度決定，微裂縫的自我修復(fù)由 C3S 的后續(xù)水化所實(shí)現(xiàn)。

表 5 試驗(yàn)用原材料的化學(xué)組成 %

表 6 水泥的配比、細(xì)度及強(qiáng)度

水泥的礦物成分與強(qiáng)度發(fā)展有著密切的關(guān)系，決定了強(qiáng)度倒縮的發(fā)生時(shí)期。合理的礦物組成可以讓水泥具有微裂縫自我修復(fù)的功能，保證強(qiáng)度的持續(xù)發(fā)展，提高耐久性能。

3 探討

在膠砂混合體系中，砂的空隙由水泥漿體填充，而水泥硬化漿體的空隙由硬化漿體單位體積內(nèi)的水泥量決定。當(dāng)用水量固定不變時(shí)，水泥的用量越大硬化漿體的密度越高，水泥顆粒間的間距就越小，水泥水化產(chǎn)物的填充空間就越少。當(dāng)微觀結(jié)構(gòu)的孔隙在水泥水化深度未達(dá)到最大前已被填充滿時(shí)，加之水化產(chǎn)物中的膨脹成分——鈣礬石的共同作用下，在微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的薄弱帶發(fā)生應(yīng)力集中出現(xiàn)開裂，形成微裂縫，導(dǎo)致膠砂體系的宏觀力學(xué)性能下降。當(dāng)水泥水化深度達(dá)到最大后微觀結(jié)構(gòu)中的孔隙仍未填滿時(shí)，微裂縫不易產(chǎn)生，強(qiáng)度倒縮也不會(huì)發(fā)生。因此，規(guī)避強(qiáng)度倒縮的發(fā)生應(yīng)該從減少硬化漿體單位體積內(nèi)的水泥量著手，在膠凝體系中摻加不同水化期的摻合料（如粉煤灰、礦粉、石粉等）可以減少水泥的用量，同時(shí)起到對(duì)水泥顆粒的分散作用。

現(xiàn)今，隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種礦物摻合料及高效減水劑等在混凝土中得到了應(yīng)用。膠凝材料不再由單一的水泥構(gòu)成，普通混凝土中的水泥用量不會(huì)很高。膠凝體單位體積內(nèi)的水泥量小，加上減水劑的分散作用，水泥顆粒的間距足夠大，不易出現(xiàn)微裂縫，混凝土強(qiáng)度倒縮的可能性很小。混凝土公司在試塊檢測(cè)過程中遇見的強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象多數(shù)為個(gè)例，應(yīng)該分析試塊制作過程中的代表性、均勻性、密實(shí)性及是否存在軟弱顆粒的情況[3]。

對(duì)于強(qiáng)度倒縮，筆者認(rèn)為不必太過擔(dān)憂。倒縮期只是特定的較短時(shí)段，且倒縮量是有限的。水泥礦物成分的水化過程是接力進(jìn)行的，具有微裂縫的自我修復(fù)能力?；炷?28 天的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度僅由小部分的水泥礦物提供，約一半以上的水泥礦物仍未水化，后期水化潛力還很大，水化期也很長(zhǎng)，足夠滿足混凝土材料的耐久性要求。

4 結(jié)論

通過以上試驗(yàn)、分析及探討，對(duì)于強(qiáng)度倒縮理論的認(rèn)識(shí)，可以得出以下結(jié)論：

（1）強(qiáng)度倒縮理論存在，混凝土中的水泥是關(guān)鍵因素，主要表現(xiàn)為水泥的抗折強(qiáng)度倒縮，抗壓強(qiáng)度倒縮的可能性很小。

（2）水泥硬化膠體微觀結(jié)構(gòu)中微裂縫的產(chǎn)生是導(dǎo)致強(qiáng)度倒縮的根源。微裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)物的抗拉、抗折性能影響較大，對(duì)抗壓性能影響很小。強(qiáng)度倒縮的時(shí)期只是特定的較短時(shí)段，且倒縮量是有限的。

（3）水泥的礦物組成決定著微裂縫的出現(xiàn)時(shí)段，合理的礦物組成可以對(duì)微裂縫進(jìn)行自我修復(fù)，保證后續(xù)強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

（4）減少硬化膠體單位體積內(nèi)的水泥量，增大水泥顆粒間距，可以防止微裂縫的出現(xiàn)。合理使用礦物摻合料及外加劑可以對(duì)水泥顆粒進(jìn)行分散，能有效規(guī)避強(qiáng)度倒縮的發(fā)生。