極旱、大溫差地區(qū)養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土橋墩性能的影響

，，，，，

(1.甘肅省交通運(yùn)輸廳，蘭州 730050；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；3.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，蘭州 730030)

1 研究背景

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)家在基礎(chǔ)交通建設(shè)中投入了大量的資金及人力，“一帶一路”的大力推進(jìn)使西北地區(qū)的交通建設(shè)達(dá)到了高峰期。與此同時(shí)，隨著高性能混凝土的出現(xiàn)及先進(jìn)的施工工藝、新型設(shè)備及新材料的豐富，混凝土在建設(shè)過(guò)程中被大量使用。西北地區(qū)大多為極旱、大溫差氣候條件，加之西北地區(qū)又多為鹽漬凍土，含有較多的鹽類，如硫酸鹽和氯鹽，在這種環(huán)境下施工的混凝土橋墩在澆筑結(jié)束后就可能產(chǎn)生裂縫，甚至出現(xiàn)大面積的龜裂。而開裂后的裂縫滲入易造成腐蝕性介質(zhì)和水分侵入，將導(dǎo)致混凝土劣化、鋼筋銹蝕，使混凝土耐久性降低，進(jìn)而縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命[1]，嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。如果養(yǎng)護(hù)不及時(shí)或不到位可能造成混凝土抗?jié)B性下降，引發(fā)一些耐久性的問(wèn)題。目前，對(duì)這種環(huán)境下混凝土橋墩的合理養(yǎng)護(hù)方式和養(yǎng)護(hù)天數(shù)的研究較少，且已在使用的一些養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土耐久性和微觀孔結(jié)構(gòu)的影響尚不明確，因此研究極旱、大溫差地區(qū)養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土橋墩的影響有其必要性。

目前，謝超等[2-3]學(xué)者研究了不同水灰比、養(yǎng)護(hù)條件下混凝土孔結(jié)構(gòu)、抗壓強(qiáng)度與分形維數(shù)間的關(guān)系；劉競(jìng)等[4]、殷惠光等[5]詳細(xì)地研究了養(yǎng)護(hù)措施和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)摻與不摻礦渣混凝土性能的影響；張戎令等[6]、李舟等[7]、周立霞[8]對(duì)西北地區(qū)嚴(yán)酷環(huán)境條件下混凝土橋墩養(yǎng)護(hù)的問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究；劉軍等[9]、趙霄龍等[10]、張明等[11]學(xué)者對(duì)混凝土材料孔結(jié)構(gòu)及孔結(jié)構(gòu)與滲透性能間的關(guān)系進(jìn)行研究。關(guān)于在極旱、大溫差氣候條件下，養(yǎng)護(hù)條件和養(yǎng)護(hù)天數(shù)對(duì)混凝土橋墩的抗?jié)B性、微觀孔結(jié)構(gòu)的影響的研究較少。選擇合理的養(yǎng)護(hù)天數(shù)、了解不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土耐久性與孔結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，是個(gè)值得研究的問(wèn)題。因此，本文研究了不同養(yǎng)護(hù)方式及不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下混凝土橋墩強(qiáng)度、抗?jié)B性及微觀孔結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

2 試 驗(yàn)

2.1 混凝土配合比

采用C35混凝土，水膠比為0.4,具體配合比見表1。

表1 每1 m3混凝土質(zhì)量配合比(C35)Table 1 Mass proportion of concrete per 1 m3(C35)

2.2 試驗(yàn)材料檢測(cè)結(jié)果

水泥、粗骨料、細(xì)骨料、水的性能指標(biāo)分別見表2—表5。

表2 水泥性能指標(biāo)Table 2 Indicators of cement performance

表3 粗骨料的性能指標(biāo)Table 3 Indicators of coarse aggregate performance

表4 細(xì)骨料的性能指標(biāo)Table 4 Indicators of fine aggregate performance

表5 水的性能指標(biāo)Table 5 Indicators of water performance

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C35，根據(jù)表2 可知試驗(yàn)所用水泥的各項(xiàng)指標(biāo)均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)中的技術(shù)要求；根據(jù)表2及表3可知，天然砂、粗集料各項(xiàng)指標(biāo)均符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)的要求；表4中所用水的各項(xiàng)指標(biāo)均符合混凝土拌合標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)方式下的橋墩Fig.1 Bridge pier maintained by different methods

2.3 試驗(yàn)方案

2.3.1 養(yǎng)護(hù)方式

采用土工包裹養(yǎng)護(hù)(TG)、新材料包裹養(yǎng)護(hù)(一種保溫保濕材料，相對(duì)土工布保濕效果較好)(XL)、自然養(yǎng)護(hù)(ZR)[12-13]3種養(yǎng)護(hù)方式來(lái)研究不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)試驗(yàn)橋墩的影響。土工布包裹養(yǎng)護(hù)、新材料包裹養(yǎng)護(hù)分別選用養(yǎng)護(hù)7，14，28 d，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將試驗(yàn)橋墩放置于大氣之中，共計(jì)制作橋墩7個(gè)，見圖1。同時(shí)制作了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(BZ)下的立方體試塊，用于與其他養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行各項(xiàng)性能的對(duì)比分析和研究。

2.3.2 測(cè)試取樣

對(duì)不同養(yǎng)護(hù)方式下的混凝土橋墩在齡期28時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度回彈，記錄其強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。在齡期28 d時(shí)對(duì)所有試驗(yàn)橋墩進(jìn)行鉆心取樣(圖2)，測(cè)試其抗?jié)B性(圖3(a))及微觀孔結(jié)構(gòu)(圖3(b))的變化，并分析微觀孔結(jié)構(gòu)與抗?jié)B性及強(qiáng)度的關(guān)系。

圖2 混凝土橋墩鉆心取樣Fig.2 Coring of concrete pier

圖3 混凝土抗?jié)B性測(cè)試及微觀孔結(jié)構(gòu)測(cè)試Fig.3 Test of impermeability and micro-pore structure of concrete

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1 強(qiáng)度測(cè)試

參與試驗(yàn)的各組混凝土試驗(yàn)橋墩都是根據(jù)表1中的配合比及表2—表5的原材料一次性制作成直徑1.4 m、高1.6 m的橋墩。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)測(cè)試混凝土橋墩強(qiáng)度。

2.4.2 微觀孔結(jié)構(gòu)測(cè)試

本試驗(yàn)選用氣孔分析(Rapid Air457) 對(duì)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。將取到的樣品切割成厚度為1～2 cm的試件，經(jīng)打磨、拋光、清潔、噴色并涂抹氧化鋅，待干燥后擦去表面氧化鋅放入試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試。在測(cè)試軟件中，輸入水膠比、測(cè)試范圍、閾值等參數(shù)，并用模板標(biāo)定尺寸后，由硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。

2.4.3 抗氯離子滲透試驗(yàn)

混凝土抗氯離子滲透性測(cè)定方法采用加速滲透法中的ASTMC1202直流電量法，即電通量法。參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)，將樣品制成100 mm×50 mm的圓柱體試件。試驗(yàn)前進(jìn)行真空飽水，試驗(yàn)時(shí)在試件軸向施加60 V直流電壓，試件的正、負(fù)極兩側(cè)的試驗(yàn)槽內(nèi)分別放置濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaCl溶液，記錄6 h內(nèi)通過(guò)試件的總電量。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 強(qiáng)度分析

根據(jù)圖4(a)可知，TG與XL均養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，28 d齡期時(shí)強(qiáng)度分別達(dá)到38.42 MPa及39.15 MPa。以BZ養(yǎng)護(hù)下28 d齡期時(shí)的強(qiáng)度為基準(zhǔn)，ZR,XL7,TG7分別是它的78.32%,87.93%,86.29%，按照保溫保濕效果的優(yōu)劣順序，強(qiáng)度呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。根據(jù)圖4(b)分析可知，TG與XL均養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)，28 d齡期時(shí)強(qiáng)度分別達(dá)到41.06 MPa及41.78 MPa，比養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)分別增加了6.71%及6.87%，說(shuō)明保溫保濕措施越好，對(duì)后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)越有利。根據(jù)圖4(c)可知，XL與TG均養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，兩者在齡期28 d時(shí)強(qiáng)度分別達(dá)到了42.95 MPa及43.02 MPa，相對(duì)養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的強(qiáng)度，XL28與TG28分別增加了11.7%及9.8%。以養(yǎng)護(hù)28 d齡期的強(qiáng)度為基準(zhǔn)，XL28,TG28,ZR養(yǎng)護(hù)分別是它的94.67%和96.63%。ZR養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度只有34.87 MPa，是BZ養(yǎng)護(hù)下的78.32%，說(shuō)明極旱、大溫差環(huán)境對(duì)混凝土橋墩影響極為嚴(yán)重，因此在此環(huán)境下應(yīng)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)。

圖4 養(yǎng)護(hù)不同天數(shù)時(shí)混凝土28 d強(qiáng)度Fig.4 The 28d strength of concrete cured for different ages

隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，不同養(yǎng)護(hù)方式下的混凝土橋墩的強(qiáng)度不斷增加，養(yǎng)護(hù)天數(shù)為7 d時(shí)強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的85%以上，而養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的92.22%。從此數(shù)據(jù)看，后期增長(zhǎng)的幅度明顯小于早期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度，說(shuō)明在這種極旱、大溫差地區(qū)早期養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要。因此應(yīng)該加強(qiáng)早期的養(yǎng)護(hù)，防止混凝土強(qiáng)度損失。隨著保濕的效果增強(qiáng)，養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越好，因此在這種特殊環(huán)境下應(yīng)該選擇保濕效果較好的養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。而隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)增加，強(qiáng)度的增加速度明顯下降，養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)強(qiáng)度就可達(dá)到要求，因此建議養(yǎng)護(hù)天數(shù)不宜過(guò)長(zhǎng)，選擇養(yǎng)護(hù)14 d左右即可。

3.2 抗?jié)B性分析

混凝土抗?jié)B性歷來(lái)是混凝土構(gòu)件檢測(cè)的重要指標(biāo)，抗?jié)B性能的考查是保證混凝土結(jié)構(gòu)使用年限的重要步驟。因此，對(duì)不同養(yǎng)護(hù)方式下及不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下混凝土抗?jié)B性進(jìn)行了測(cè)試和分析，以期得到的結(jié)論能給施工提供一些理論指導(dǎo)和幫助。

根據(jù)圖5(a)可知，TG與XL均養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的電通量分別達(dá)到了2 256.78 C及2 189.69 C。以BZ養(yǎng)護(hù)下混凝土電通量為基準(zhǔn)，ZR,TG7,XL7分別是其的1.38倍、1.34倍、1.30倍。造成此現(xiàn)象的原因是，養(yǎng)護(hù)方式越差，早期水泥水化反應(yīng)就越差，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部存在的自由水就越多，而自由水的存在使得混凝土產(chǎn)生更多的連通的孔。同時(shí)，由于后期養(yǎng)護(hù)無(wú)法提供水化反應(yīng)所需的濕度及溫度要求，致使混凝土水化反應(yīng)產(chǎn)物難以充分填充內(nèi)部的孔，從而也導(dǎo)致其抗?jié)B性下降。

圖5 養(yǎng)護(hù)不同天數(shù)時(shí)混凝土電通量Fig.5 Electric flux of concrete cured for different ages

根據(jù)圖5可知，隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，混凝土的電通量不斷減小，TG7,TG14,TG28分別是BZ的1.34倍、1.25倍、1.17倍，而XL7,XL14,XL28分別是BZ養(yǎng)護(hù)下的1.30倍、1.23倍、1.13倍。TG不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下分別是XL養(yǎng)護(hù)的1.03倍、1.01倍、1.04倍，說(shuō)明TG養(yǎng)護(hù)下混凝土的抗?jié)B性低于XL養(yǎng)護(hù)下的抗?jié)B性。因此，在這種特殊環(huán)境下養(yǎng)護(hù)方式的保濕效果越好，混凝土的抗?jié)B性越好。而ZR下的混凝土的電通量為2 329.78 C,是BZ養(yǎng)護(hù)下的1.38倍，說(shuō)明特殊的氣候環(huán)境對(duì)混凝土的抗?jié)B性影響極大。因此，在這種極旱、大溫差環(huán)境下應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)，防止混凝土抗?jié)B性不足而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)安全難以保證。

3.3 微觀孔結(jié)構(gòu)分析

3.3.1 孔徑分布

混凝土作為一種由凝膠材料將集料膠結(jié)成整體的工程復(fù)合材料，在制作開始到成型的過(guò)程中均有孔的形成。組成混凝土的粗細(xì)骨料自身含有孔隙和裂縫；其次，水泥石的收縮、溫度變化、成型條件等因素所引起的大孔洞、微裂縫等缺陷，很有必要研究混凝土孔結(jié)構(gòu)。我國(guó)吳中偉教授等[14]對(duì)混凝土的孔級(jí)劃分如下:孔徑<20 nm的孔為無(wú)害孔，孔徑20～50 nm的孔為少害孔，孔徑在50～200 nm的孔為有害孔，孔徑>200 nm的孔為多害孔。

由圖6(a)可看出:ZR和BZ養(yǎng)護(hù)下無(wú)害孔分別為12.33%,32.68%，而多害孔分別占20.51%,9.53%；XL7,XL14,XL28養(yǎng)護(hù)下無(wú)害孔分別為13.08%,16.73%,17.47%，是BZ養(yǎng)護(hù)下的59.21%,66.98%,75.61%，且多害孔分別占17.68%,13.71%,10.48%。由此可見養(yǎng)護(hù)時(shí)間越久，混凝土無(wú)害孔所占比例越大，而有害孔所占比例越小。養(yǎng)護(hù)14 d與養(yǎng)護(hù)28 d差別較小，因此推薦養(yǎng)護(hù)14 d。

根據(jù)圖6(b)可知，TG7，TG14，TG28養(yǎng)護(hù)下的多害孔(>200 nm)分別占18.72%，14.06%，10.95%，分別是XL7，XL14，XL28養(yǎng)護(hù)下的1.05倍、1.03倍、1.04倍。此現(xiàn)象說(shuō)明養(yǎng)護(hù)濕度越好，混凝土水化反應(yīng)程度更高，多害孔越少。而ZR養(yǎng)護(hù)下多害孔是BZ養(yǎng)護(hù)下的2.11倍，說(shuō)明這種特殊環(huán)境對(duì)混凝土的影響非常大，應(yīng)加強(qiáng)此地區(qū)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)下混凝土孔徑分布Fig.6 Pore size distribution of concrete maintained by different methods

3.3.2 最可幾孔徑

不同養(yǎng)護(hù)方式下最佳孔徑分布曲線的峰值最大處的孔徑為最可幾孔徑，其物理意義為：混凝土中小于該孔徑則不能形成連通的孔道，也即為出現(xiàn)幾率最大的孔徑。

根據(jù)圖7(a)可知，TG養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為28，14，7 d的最可幾孔徑分別為0.011，0.013，0.016 mm，而ZR和BZ養(yǎng)護(hù)下的最可幾孔徑分別為0.019 mm和0.009 mm。以BZ養(yǎng)護(hù)下的最可幾孔徑為基準(zhǔn)，TG28，TG14，TG7，ZR分別是它的1.3倍、1.6倍、2.0倍、2.3倍，而不養(yǎng)護(hù)混凝土的最可幾孔徑達(dá)到BZ的2.3倍。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：①極旱、大溫差的戈壁氣候?qū)炷劣绊戄^大；②隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，后期混凝土的水化程度越來(lái)高，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物填充了部分的孔，使得混凝土更加密實(shí)，從而減小大孔的出現(xiàn)。

根據(jù)圖7(b)可知，XL養(yǎng)護(hù)下養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為28，14，7 d的最可幾孔徑分別為0.010，0.012，0.015 mm，隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加最可幾孔徑逐漸增大，這就說(shuō)明混凝土的抗?jié)B性在逐漸下降。而養(yǎng)護(hù)14 d與養(yǎng)護(hù)28 d相差較小，因此在養(yǎng)護(hù)中建議養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14 d。對(duì)TG與XL進(jìn)行對(duì)比分析，XL養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為7，14，28 d的最可幾孔徑分別是TG養(yǎng)護(hù)下的90.09%，92.30%，81.25%，說(shuō)明在極旱、大溫差地區(qū)混凝土的保濕養(yǎng)護(hù)尤為重要，因此在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中應(yīng)選擇保濕效果較好的養(yǎng)護(hù)方式。

圖7 不同養(yǎng)護(hù)下混凝土孔徑分布最佳曲線Fig.7 Curves of optimum pore size distribution of concrete maintained by different methods

3.3.3 孔間距系數(shù)

根據(jù)表6可知，ZR，TG28，XL28，BZ的孔間距系數(shù)分別為0.280,0.199,0.120,0.090 mm-1，以BZ養(yǎng)護(hù)為基準(zhǔn)，ZR，TG28，XL28分別是它的3.1倍、2.2倍、1.3倍。而按此順序混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性、含氣量逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明孔間距系數(shù)越小，混凝土強(qiáng)度及抗?jié)B性就越好。

表6 不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土氣孔間距系數(shù)及含氣量變化Table 6 Air void coefficient and air content ofconcrete under different curing methods

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院和交通運(yùn)輸部一航局科研所等單位的大量試驗(yàn)結(jié)果表明[10-11]，硬化混凝土氣孔平均間距系數(shù)不超過(guò)0.300 mm-1時(shí)，混凝土抗凍等級(jí)即可達(dá)到F300(抗凍性)。從表6中可以看出，所有養(yǎng)護(hù)方式下混凝土的氣孔間距系數(shù)均<0.300 mm-1，所以所有養(yǎng)護(hù)方式下的混凝土均具有良好的抗凍性。

4 結(jié) 論

(1)極旱、大溫差地區(qū)養(yǎng)護(hù)方式保濕保溫效果越好，后期強(qiáng)度越高、抗?jié)B性越好；養(yǎng)護(hù)天數(shù)越長(zhǎng)，強(qiáng)度越高、抗?jié)B性越好。當(dāng)土工布包裹養(yǎng)護(hù)及新材料包裹養(yǎng)護(hù)天數(shù)為14 d時(shí)，28 d齡期時(shí)的強(qiáng)度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的94.67%和96.63%。因此，在極旱、大溫差地區(qū)選用灑水包裹養(yǎng)護(hù)時(shí)，建議養(yǎng)護(hù)天數(shù)為14 d。

(2)自然養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下電通量為2 329.78 C及1 683.12 C，土工布養(yǎng)護(hù)下TG7,TG14,TG28分別是BZ的1.34倍、1.25倍、1.17倍，新材料養(yǎng)護(hù)下XL7,XL14,XL28分別是BZ養(yǎng)護(hù)下的1.30倍、1.23倍、1.13倍。

(3)極旱、大溫差地區(qū)土工布包裹分別養(yǎng)護(hù)7，14，28 d下的混凝土最可幾孔徑是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的2.0倍、1.6倍、1.3倍，而新材料包裹分別養(yǎng)護(hù)7，14，28 d下混凝土最可幾孔徑是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的1.7倍、1.3倍、1.1倍。養(yǎng)護(hù)天數(shù)越長(zhǎng)，最可幾孔徑就越小。

(4)自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下無(wú)害孔分別占12.33%,32.68%，多害孔分別占20.51%,9.53%，而XL7,XL14,XL28養(yǎng)護(hù)下無(wú)害孔分別為13.08%,16.73%,17.47%，是BZ養(yǎng)護(hù)下的59.21%,66.98%,75.61%。多害孔分別為17.68%,13.71%,10.48%。TG7,TG14,TG28養(yǎng)護(hù)下的多害孔(>200 nm)分別為18.72%,14.06%,10.95，是XL7,XL14,XL28養(yǎng)護(hù)下1.05倍、1.03倍、1.04倍。

(5)通過(guò)對(duì)混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B性及微觀孔結(jié)構(gòu)的分析和研究，發(fā)現(xiàn)新材料包裹與土工包裹養(yǎng)護(hù)天數(shù)>14 d時(shí)各項(xiàng)性能均可滿足要求。