負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下水化硅酸鈣晶種對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

鄭新國(guó) 郁培云 段林鋒 李書(shū)明 張馳 鄧青山

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.中鐵上海工程局集團(tuán)第七工程有限公司，上海 710061

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的鐵路工程將在嚴(yán)寒地區(qū)修建，而混凝土在負(fù)溫環(huán)境下施工易出現(xiàn)凝結(jié)硬化時(shí)間長(zhǎng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)受凍破壞、后期強(qiáng)度損失大等問(wèn)題。文獻(xiàn)［1］通過(guò)試驗(yàn)分析了負(fù)溫下普通水泥混凝土的凍脹規(guī)律，以及基準(zhǔn)混凝土早期凍脹應(yīng)力對(duì)混凝土強(qiáng)度及抗凍性能的影響；文獻(xiàn)［2］研究了正負(fù)溫交替養(yǎng)護(hù)下混凝土動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度以及損傷程度的變化規(guī)律。目前，負(fù)溫環(huán)境下混凝土施工主要采用保溫養(yǎng)護(hù)、摻加鹽類防凍劑等方法。鐵路無(wú)砟軌道為板條狀結(jié)構(gòu)，平面尺寸大，施工線路長(zhǎng)，采用保溫養(yǎng)護(hù)措施費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此通常采用摻加防凍劑的方法。鹽類防凍劑在負(fù)溫下可使水泥石中水處于液相，促進(jìn)水化反應(yīng)，緩解凍脹應(yīng)力，提高混凝土強(qiáng)度，然而當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度轉(zhuǎn)為正溫后摻加鹽類防凍劑會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。這是因?yàn)辂}類防凍劑使拌和水成為鹽溶液，導(dǎo)致水泥顆粒不能充分水化，同時(shí)未完全水化的鹽類防凍劑殘留在水泥漿體內(nèi)部，在后期不斷結(jié)晶析出。因此，研究低含鹽量的混凝土防凍劑是目前的主要發(fā)展方向。

摻入水化硅酸鈣晶種是近年發(fā)展起來(lái)的一種混凝土早強(qiáng)技術(shù)。通過(guò)將人工合成的水化硅酸鈣摻入混凝土中誘導(dǎo)水化產(chǎn)物更快結(jié)晶析出，加速早期水泥水化，提高早期強(qiáng)度，同時(shí)可以避免傳統(tǒng)早強(qiáng)劑帶來(lái)的不足。文獻(xiàn)［3-4］提出了單礦水化法、水熱合成法、溶液沉淀法等多種水化硅酸鈣晶種制備方法，探究了水化硅酸鈣晶種對(duì)水泥水化放熱速率、混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律，明確了水化硅酸鈣晶種的作用機(jī)理。然而，現(xiàn)有研究主要在常溫養(yǎng)護(hù)下進(jìn)行，負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下水化硅酸鈣晶種對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響研究鮮有報(bào)道。因此，本文針對(duì)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土強(qiáng)度發(fā)展緩慢問(wèn)題，探究水化硅酸鈣晶種對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律，為新型混凝土防凍劑研究提供技術(shù)支持。

1 水泥混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成和物理力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰，礦粉為礦渣粉。骨料采用5～20 mm級(jí)配碎石，砂子采用細(xì)度模數(shù)2.6的河砂。減水劑采用非引氣類聚羧酸減水劑。水化硅酸鈣采用自制的水化硅酸鈣懸浮液，

表1 普通硅酸鹽水泥的化學(xué)組成 %

表2 普通硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

合成工藝采用硅酸鈉和硝酸鈣溶液沉淀法，水化硅酸鈣平均粒徑38.5μm。

1.2 配合比

以鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)常用的C30、C40、C50混凝土的配合比為基準(zhǔn)，設(shè)置了不同晶種摻量的配合比，見(jiàn)表3。

表3 水泥混凝土配合比

1.3 試件養(yǎng)護(hù)及抗壓強(qiáng)度測(cè)試

考慮嚴(yán)寒地區(qū)混凝土施工環(huán)境溫度特點(diǎn)，分別設(shè)置正溫養(yǎng)護(hù)、負(fù)溫養(yǎng)護(hù)、正負(fù)溫交替養(yǎng)護(hù)等多種養(yǎng)護(hù)制度。

正溫養(yǎng)護(hù)：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于正溫20℃環(huán)境箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，再拆模進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

負(fù)溫養(yǎng)護(hù)：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于負(fù)溫（-5℃或-10℃）環(huán)境箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，拆模后在20℃環(huán)境放置2 h進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

負(fù)溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護(hù)：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于負(fù)溫（-5℃或-10℃）環(huán)境箱養(yǎng)護(hù)7 d后再移入20℃環(huán)境箱養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，再拆模進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

正溫轉(zhuǎn)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于20℃環(huán)境箱養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，然后置于負(fù)溫（-5℃或-10℃）環(huán)境箱養(yǎng)護(hù)6 h，再拆模進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 正溫養(yǎng)護(hù)下晶種對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

20℃養(yǎng)護(hù)下混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化見(jiàn)圖1。其中，C30-1.0表示摻入1%晶種的C30混凝土，其他以此類推?？芍孩贀饺刖ХN后不同等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度均有所提升，且混凝土等級(jí)越高抗壓強(qiáng)度提升值越大，但抗壓強(qiáng)度提升比例越低。摻入1%晶種后C30、C40、C50混凝土24 h抗壓強(qiáng)度較不摻晶種時(shí)分別提高8.0、9.8、12.5 MPa，抗壓強(qiáng)度提升比例分別為61%、58%、37%。②隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)，晶種對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升作用逐漸減弱，且混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高減弱現(xiàn)象越明顯。與不摻晶種時(shí)相比，摻入1%晶種后C30混凝土1、3、7 d抗壓強(qiáng)度分別提升61%、24%、20%，C40混凝土1、3、7 d抗壓強(qiáng)度分別提升58%、21%、7%?？梢?jiàn)晶種對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升作用更加明顯。這是因?yàn)榈偷燃?jí)混凝土中水膠比較大，水化產(chǎn)物中結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松的Ca（OH）2含量較高，摻入晶種后可以增加水泥水化過(guò)程中的成核位點(diǎn)數(shù)量，降低成核位壘，促進(jìn)水化硅酸鈣結(jié)晶反應(yīng)進(jìn)行，使得水化產(chǎn)物中結(jié)構(gòu)較為致密的水化硅酸鈣含量提高［5］。

圖1 20℃養(yǎng)護(hù)下混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

2.2 負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下晶種對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化見(jiàn)圖2。對(duì)比圖1、圖2可知：①負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于正溫養(yǎng)護(hù)，且在-10℃養(yǎng)護(hù)混凝土抗壓強(qiáng)度較在-5℃養(yǎng)護(hù)更低。不摻晶種時(shí)養(yǎng)護(hù)溫度從20℃降至-5、-10℃，C30混凝土1 d抗壓強(qiáng)度分別下降74%、77%。②負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下?lián)饺刖ХN后，不同等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度均有所提升，且由于負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土強(qiáng)度發(fā)展延后，3 d時(shí)晶種對(duì)強(qiáng)度的提升作用較1 d和7 d高。在-5℃養(yǎng)護(hù)，與不摻晶種時(shí)相比，摻入1%晶種后C30混凝土1、3、7 d抗壓強(qiáng)度分別提升60%、82%、36%，C40混凝土1、3、7 d抗壓強(qiáng)度分別提升24%、70%、65%。③雖然負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土抗壓強(qiáng)度較低，但摻入晶種后抗壓強(qiáng)度最大提升比例比正溫養(yǎng)護(hù)下有所提高。

圖2 負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

2.3 負(fù)溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護(hù)時(shí)晶種對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

負(fù)溫養(yǎng)護(hù)7 d后再轉(zhuǎn)入20℃養(yǎng)護(hù)?；炷量箟簭?qiáng)度隨齡期的變化見(jiàn)圖3。

圖3 負(fù)溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

對(duì)比圖1、圖3可知：①不摻晶種時(shí)負(fù)溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于正溫養(yǎng)護(hù)的混凝土，且低強(qiáng)度等級(jí)混凝土負(fù)溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度損失更大，C30、C40、C50混凝土在-5℃養(yǎng)護(hù)56 d后轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度比20℃養(yǎng)護(hù)分別下降48%、45%、40%。②摻入晶種后不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度均有所提升，且在-10℃養(yǎng)護(hù)，晶種對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升作用較在-5℃養(yǎng)護(hù)更加明顯。這是因?yàn)樵谪?fù)溫下?lián)饺刖ХN可以提高混凝土的早期強(qiáng)度，使得混凝土具有一定的抗凍性，且混凝土在-10℃養(yǎng)護(hù)更需要一定的早期強(qiáng)度。③摻入晶種后高強(qiáng)度等級(jí)混凝土在負(fù)溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護(hù)下抗壓強(qiáng)度下降比例顯著小于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土。摻入1%晶種后C30、C40、C50混凝土在-5℃養(yǎng)護(hù)56 d后轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度較20℃養(yǎng)護(hù)分別下降47%、42%和11%。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，水膠比逐漸降低，凍結(jié)應(yīng)力逐漸減小；同時(shí)摻入晶種后高強(qiáng)度等級(jí)混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較快，抗凍能力提高。

2.4 正溫轉(zhuǎn)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)時(shí)晶種對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

20℃養(yǎng)護(hù)至一定齡期再轉(zhuǎn)入負(fù)溫養(yǎng)護(hù)6 h。混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化見(jiàn)圖4?？芍孩俨粨骄ХN時(shí)正溫轉(zhuǎn)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度較正溫養(yǎng)護(hù)混凝土有所降低，且溫度越低抗壓強(qiáng)度損失越大。C30混凝土在20℃養(yǎng)護(hù)1 d后轉(zhuǎn)入-5、10℃養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度分別下降11%、23%。隨著混凝土齡期增長(zhǎng)，負(fù)溫養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致的抗壓強(qiáng)度損失逐漸減小，且低強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度損失更大。C30混凝土在20℃養(yǎng)護(hù)28 d轉(zhuǎn)入-5、-10℃養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度分別下降8%、14%。C50混凝土在20℃養(yǎng)護(hù)28 d后轉(zhuǎn)入-5、-10℃養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度分別下降3%、8%。②不摻與摻入晶種混凝土正溫轉(zhuǎn)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相似，但摻入晶種正溫轉(zhuǎn)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度降幅減小。C30混凝土不摻晶種正溫養(yǎng)護(hù)1 d轉(zhuǎn)入-5、-10℃養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度分別下降11%、23%；摻入1%晶種正溫養(yǎng)護(hù)1 d轉(zhuǎn)入-5、-10℃養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度分別下降7%、15%。

圖4 正溫轉(zhuǎn)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

3 結(jié)論

1）正溫養(yǎng)護(hù)下晶種對(duì)不同等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度均有提升作用，且混凝土等級(jí)越低抗壓強(qiáng)度提升比例越大。隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)，晶種對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升作用逐漸減弱，且混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高減弱現(xiàn)象越明顯。

2）負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下不摻晶種混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于正溫養(yǎng)護(hù)，隨著溫度下降混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下?lián)饺刖ХN可提高不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度，摻入1%晶種后C30混凝土3 d抗壓強(qiáng)度較不摻晶種時(shí)提高82%。雖然負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土抗壓強(qiáng)度較低，但摻入晶種后抗壓強(qiáng)度最大提升比例顯著高于正溫養(yǎng)護(hù)。

3）正負(fù)溫交替養(yǎng)護(hù)下不摻晶種混凝土抗壓強(qiáng)度低于正溫養(yǎng)護(hù)，且低強(qiáng)度等級(jí)混凝土受凍后抗壓強(qiáng)度損失更大。摻入晶種可提升負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土抗壓強(qiáng)度，且負(fù)溫越低晶種對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升作用越明顯。