熱養(yǎng)護對礦物摻合料混凝土抗氯離子滲透性能及孔結(jié)構(gòu)的影響研究

柯正雄 岳 陽，2 李 峰，2

(1.甘肅五環(huán)公路工程有限公司 蘭州 730050； 2.甘肅省橋梁工程研究中心 蘭州 730050)

目前對于混凝土材料熱養(yǎng)護的研究較多，如田耀剛等[1-3]研究了熱養(yǎng)護的靜養(yǎng)時間、升溫降溫速率、恒溫溫度等各項熱養(yǎng)參數(shù)對混凝土抗硫酸鹽侵蝕、抗碳化性能以及抗凍性的的影響；賀智敏等[4]分析了熱養(yǎng)工藝和熱養(yǎng)護參數(shù)對混凝土的毛細吸水性的影響，以及熱養(yǎng)護后混凝土的表皮損傷，得出加入礦物摻合料能夠有效降低損傷程度的結(jié)論；劉寶舉等[5-6]通過復(fù)摻礦粉和粉煤灰改善了熱養(yǎng)混凝土的力學(xué)性能，增強了熱養(yǎng)混凝土后期強度，并且研究了超細粉煤灰代替等量的水泥材料后熱養(yǎng)混凝土的抗凍性、抗?jié)B性、氯離子擴散系數(shù)等耐久性指標。耿建等[7-11]通過壓汞法研究熱養(yǎng)制度對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,得出延長混凝土靜養(yǎng)時間能有效改善熱養(yǎng)混凝土的孔結(jié)構(gòu)的結(jié)論。本文主要對熱養(yǎng)礦物摻合料高性能混凝土的抗氯離子滲透性能、孔結(jié)構(gòu)，以及熱養(yǎng)護后補充養(yǎng)護對其抗氯離子滲透性能的影響進行研究，為實際工程中提升熱養(yǎng)高性能混凝土的耐久性提供參考依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用蘭州祁連山水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，水泥的各項指標見表1。

表1 P·O 42.5水泥各項指標

粉煤灰為蘭州鑫合源有限責(zé)任公司生產(chǎn)的II級粉煤灰，粉煤灰各項指標見表2。

表2 II粉煤灰各項指標

礦粉采用蘭州榆中鴻源有限責(zé)任公司生產(chǎn)的S95級礦粉，礦粉各項指標見表3。

表3 S95礦粉各項指標

減水劑采用上海三瑞聚羧酸系高性能減水劑；細骨料選用甘肅白銀天然河砂，II級砂細度為2.45，表觀密度為2 599 kg/m3，堆積密度為1 515 kg/m3；粗骨料選用5～25 mm連續(xù)級配碎石，緊密度為1 700 kg/m3。

1.2 試驗方法

1) 氯離子滲透試驗。將C50混凝土(設(shè)計配配合比見表4)在不同恒溫溫度和恒溫時長熱養(yǎng)護后，轉(zhuǎn)為標準養(yǎng)護的28 d齡期的150 mm×150 mm×150 mm標準試塊切割成長×直徑=50 mm×100 mm試件，以硅膠或樹脂密封其側(cè)面，然后放入VJH真空飽水機中飽水，待真空飽水結(jié)束后，將試件安裝于試驗槽內(nèi)，檢查密封性能。在電源負極注入3% NaCl溶液、在電源正極注入0.3 mol NaOH 溶液；保持試驗槽內(nèi)充滿溶液的情況下接通電源，對上述兩正負極施加(60±0.1)V 直流恒電壓，并每5 min記1次電流值，待通電6 h時后結(jié)束試驗，記錄此時機器打印的電通量測量值。

2) 微觀孔結(jié)構(gòu)試驗。將養(yǎng)護至相應(yīng)齡期的混凝土試塊，放入VJH真空飽水機，在-0.075 MPa條件下無水抽真空3 h，然后保持真空注入蒸餾水，濕抽1 h后轉(zhuǎn)為常壓浸泡，常壓浸泡18 h后取出試塊，用塑料保鮮膜纏繞包裹，放入核磁共振儀線圈，利用Macro MR12-150H-I核磁共振儀，進行孔結(jié)構(gòu)測試。

3) 補充養(yǎng)護試驗。將50，60，70，80 ℃熱養(yǎng)溫度下熱養(yǎng)9 h的混凝土試塊降至20 ℃后，分別轉(zhuǎn)為(20±1)℃標準養(yǎng)護、(20±1) ℃水養(yǎng)(飽和Ca(OH)2水溶液)、自然養(yǎng)護(出棚灑水養(yǎng)護2 d后覆塑料薄膜)，養(yǎng)護至28 d齡期，進行氯離子滲透試驗和孔結(jié)構(gòu)測試。

表4 混凝土配合比 kg

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 熱養(yǎng)護對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

將試塊放入熱養(yǎng)室，以10 ℃/h的升溫速率升至設(shè)定的恒溫溫度，養(yǎng)護至相應(yīng)時長后以10 ℃/h的降溫速率降至室溫，后立即取出測其抗壓強度。50，60，70，80 ℃恒溫溫度下，養(yǎng)護相應(yīng)時長的混凝土抗壓強度見圖1。

圖1 熱養(yǎng)護條件下混凝土抗壓強度

由圖1可見，礦物摻合料高性能混凝土在熱養(yǎng)護條件下，隨著熱養(yǎng)時長與熱養(yǎng)溫度的增加，混凝土早期強度也逐漸增長，并且熱養(yǎng)溫度越高，強度增長越快。50 ℃恒溫養(yǎng)護9 h時混凝土抗壓強度基本達到設(shè)計強度的75%以上，80 ℃恒溫養(yǎng)護9 h時抗壓強度達設(shè)計強度的95%以上，24～48 h時50，60，70 ℃恒溫養(yǎng)護下混凝土強度還在繼續(xù)增長，但80 ℃恒溫下的混凝土強度已基本不再增長，恒溫養(yǎng)護48 h之后各溫度下混凝土強度基本達到最大值。這是因為高溫高濕的養(yǎng)護條件加快了礦物摻合料高性能混凝土中水泥的水化速率生成CH，而高溫促使礦物摻合料中的SiO2和Al2O3能快速與CH生成水化CaSiO3和水化Ca(AlO2)2等一系列水化產(chǎn)物，所以在熱養(yǎng)護9 h內(nèi)混凝土強度增長較快，9～24 h時強度增長放緩，24～48 h混凝土強度增長進一步放緩。

將各恒溫溫度下養(yǎng)護相應(yīng)時長的試塊，降至20 ℃后從熱養(yǎng)室轉(zhuǎn)入標養(yǎng)室，進行恒溫(20±1)℃，濕度95%的標準養(yǎng)護，養(yǎng)護28 d齡期后測其電通量值，并與直接進行標養(yǎng)28 d齡期試塊的電通量值進行對比，其結(jié)果見圖2。

圖2 28 d氯離子電通量值

由圖2可見，礦物摻合料高性能混凝土與相關(guān)文獻中普通混凝土所表現(xiàn)的熱養(yǎng)后抗氯離子滲透性能有所不同。隨著熱養(yǎng)溫度和熱養(yǎng)時長的增加，礦物摻合料高性能混凝土氯離子電通量值逐漸減小；熱養(yǎng)溫度越高，恒溫時長越長，電通量值也越?。徊⑶蚁鄬τ谘娱L恒溫時間，提高熱養(yǎng)溫度更能激發(fā)礦物摻合料的活性，降低電通量的值，與50 ℃相比，80 ℃養(yǎng)護3 h的電通量值僅為50 ℃的56.5%。但是過高的熱養(yǎng)溫度和過長的恒溫時長會導(dǎo)致抗氯離子滲透性能變差，當80 ℃養(yǎng)護超過12 h時電通量值不減反增，70 ℃養(yǎng)護超過24 h時電通量開始增長，60 ℃和50 ℃超過48 h時，電通量值開始增加。通過分析發(fā)現(xiàn)，雖然熱養(yǎng)護能激發(fā)礦物摻合料活性，使水泥及其摻合料水化速度加快。但是過高的養(yǎng)護溫度和過長的養(yǎng)護時長，使水化產(chǎn)物迅速堆積分布不均，水化產(chǎn)物包裹著未水化的顆粒，水分子向未水化的水泥顆粒及其摻合料顆粒擴散速度減慢，并且由于水化產(chǎn)物迅速堆積而產(chǎn)生了一定的粗晶體，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多孔隙的同時，也產(chǎn)生了一定的拉應(yīng)力，造成更多有害孔和裂隙的出現(xiàn)。使得混凝土力學(xué)性能和抗氯離子滲透性能變差。

2.2 熱養(yǎng)護對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

采用Macro MR12-150H-I核磁共振儀對養(yǎng)護相應(yīng)齡期的混凝土進行孔結(jié)構(gòu)測試，48 h，28 d的T2譜分布和孔喉分布情況見圖3～圖6。

圖3 48 h T2譜分布

圖4 48 h孔喉分布

由圖3可見，4種熱養(yǎng)溫度下T2譜均為3個波峰，從左到右依次稱為第一波峰、第二波峰、第三波峰，3個波峰對應(yīng)有不同的馳豫區(qū)間和信號強度，而馳豫時間和信號強度代表孔徑的大小和相對應(yīng)孔徑孔隙的數(shù)量。通過數(shù)據(jù)可知，隨著熱養(yǎng)溫度升高信號強度逐漸增大，50 ℃下熱養(yǎng)48 h的第一峰信號強度為660.77 h/a，80 ℃的信號強度達到750.4 h/a，這說明混凝土中小孔的比例隨著熱養(yǎng)溫度的升高逐漸增大。圖4中的孔喉分布也證明了這一點，50 ℃時0～0.1 μm孔徑為86%，60 ℃時0～0.1 μm孔徑為87.6%，70 ℃時0～0.1 μm孔徑為88.5%，80 ℃時0～0.1 μm孔徑為90%。而隨著溫度的升高，大孔的比例逐漸減小，當熱養(yǎng)溫度達到80 ℃時，0.1～0.25 μm孔徑增加了3.39%，這說明隨著熱養(yǎng)溫度的升高，大孔慢慢向小孔轉(zhuǎn)化。但是隨著溫度的升高總孔隙率卻不斷增加，50，60，70，80 ℃熱養(yǎng)48 h的總孔隙率分別為5.61%，5.73%，6.0%，6.12%。這主要是因為混凝土中的礦物摻合料在較高的熱養(yǎng)溫度下，水化速度加快，反應(yīng)產(chǎn)生了更多的含有凝膠孔的凝膠，細化了混凝土內(nèi)部的孔徑，同時高溫?zé)狃B(yǎng)增加混凝土內(nèi)部有害孔的數(shù)量，導(dǎo)致總孔隙率的增加。

圖5 28 d T2譜分布

圖6 28 d孔喉分布

通過觀察圖5可知，熱養(yǎng)轉(zhuǎn)標養(yǎng)后T2譜第一峰小于標養(yǎng)28 d的峰值，其縱坐標隨著熱養(yǎng)溫度的升高而減小，橫坐標左移，第三峰的縱坐標與48 h的T2譜相比有所增加，且熱養(yǎng)溫度越高增加的幅度越大，這說明熱養(yǎng)轉(zhuǎn)標養(yǎng)28 d后混凝土內(nèi)部大孔和有害孔的數(shù)量增加導(dǎo)致內(nèi)部小孔的比例降低。

由圖6可見，50 ℃熱養(yǎng)轉(zhuǎn)標養(yǎng)28 d齡期時0～0.1 μm孔徑為88.02%，比48 h時增加2%，比標準養(yǎng)護小3.34%；0.10～0.25 μm孔徑為0.3%，比48 h時增加0.124%，比標準養(yǎng)護多0.14%。而80 ℃熱養(yǎng)轉(zhuǎn)標養(yǎng)28 d齡期時0～0.1 μm孔徑為85.01%，比48 h時降低了4.01%，比標準養(yǎng)護小6.35%；0.10～0.25 μm孔徑為2.43%，比48 h時減少0.54%，孔徑>0.25 μm比48 h時多4.54%，比標準養(yǎng)護多4.7%。50，60，70，80 ℃熱養(yǎng)48 h后轉(zhuǎn)標養(yǎng)28 d的總孔隙率分別為5.76%，5.95%，6.25%，6.41%，標準養(yǎng)護28 d的總孔隙率為7.42%。

2.3 補充養(yǎng)護對抗氯離子性能和孔結(jié)構(gòu)的影響

為探究熱養(yǎng)結(jié)束后補充養(yǎng)護對混凝土抗氯離子滲透性能的影響，將熱養(yǎng)9 h的試塊降至室溫后，分別轉(zhuǎn)為(20±1) ℃，濕度95%標準養(yǎng)護、水養(yǎng)護(飽和Ca(OH)2水溶液)以及自然養(yǎng)護(出棚灑水養(yǎng)護2 d后覆膜養(yǎng)護)，養(yǎng)護至28 d齡期后進行氯離子滲透試驗和孔結(jié)構(gòu)測試。電通量結(jié)果見圖7。

圖7 28 d氯離子電通量值

由圖7可見，對于礦物摻合料高性能混凝土而言，熱養(yǎng)護后轉(zhuǎn)為飽和Ca(OH)2水溶液進行補充養(yǎng)護至28 d齡期，其氯離子電通量的值小于熱養(yǎng)護后轉(zhuǎn)為標準養(yǎng)護和自然養(yǎng)護的值。與直接進行標準養(yǎng)護相比，80 ℃熱養(yǎng)后轉(zhuǎn)為水養(yǎng)護、標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護電通量值分別降低了61.6%，60.5%，59.8%；70 ℃熱養(yǎng)后轉(zhuǎn)為水養(yǎng)護、標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護，電通量值分別降低了50.9%，49.4%，48.6%。60 ℃熱養(yǎng)后轉(zhuǎn)為水養(yǎng)護、標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護電通量值分別降低了50.9%，49.4%，48.6%。50 ℃熱養(yǎng)后轉(zhuǎn)為水養(yǎng)護、標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護，電通量值分別降低了39.4%，36.4%，31.9%；這說明后期水養(yǎng)護對熱養(yǎng)礦物摻合料高性能混凝土的抗氯離子滲透性能有一定的提高，但是前期熱養(yǎng)溫度越高，補充養(yǎng)護的改善能力越弱。

圖8為補充養(yǎng)護下T2譜分布。

圖8 補充養(yǎng)護下T2譜分布

由圖8中各熱養(yǎng)溫度、不同補充養(yǎng)護條件下T2分布圖分析可知，相對于熱養(yǎng)后采用標準水養(yǎng)護和自然養(yǎng)護，水養(yǎng)護能夠有效增加熱養(yǎng)混凝土中孔徑<0.1 μm的小孔的比例，降低孔徑>10 μm有害孔的數(shù)量。50 ℃蒸轉(zhuǎn)水養(yǎng)護總孔隙率為5.22%，轉(zhuǎn)標準養(yǎng)護總孔隙率為5.61%，轉(zhuǎn)自然養(yǎng)護總孔隙率為5.79%。由此可見，進行水養(yǎng)護后膠凝材料中水泥和礦物摻合料能夠二次水化，促使混凝土內(nèi)部的大孔向小孔轉(zhuǎn)化，細化混凝土內(nèi)部孔隙，降低總孔隙率，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密穩(wěn)定，提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

3 結(jié)論

1) 熱養(yǎng)護能夠提升礦物摻合料高性能混凝土的早期強度。并且熱養(yǎng)溫度愈高，養(yǎng)護時間愈長，混凝土強度增長愈大；除此之外，進行熱養(yǎng)護能夠在一定程度上降低礦物摻合料高性能混凝土的電通量值，但養(yǎng)護溫度不宜太高，恒溫時間不宜太長。

2) 熱養(yǎng)護能夠促進膠凝體系中礦物摻合料的水化速度激發(fā)火山灰效應(yīng)，細化混凝土內(nèi)部孔徑，促使大孔向小孔的轉(zhuǎn)化，但同時也增多了有害孔的數(shù)量，增大了總孔隙率，熱養(yǎng)護后轉(zhuǎn)為標準養(yǎng)護28 d有害孔的孔徑和數(shù)量進一步增大，因此實際施工中應(yīng)注意過度熱養(yǎng)護對混凝土產(chǎn)生的損傷。

3) 熱養(yǎng)后采取Ca(OH)2水溶液養(yǎng)護的補充養(yǎng)護方式，對混凝土因熱養(yǎng)產(chǎn)生損傷有一定的修復(fù)作用，能夠優(yōu)化內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，降低總孔隙率，提升混凝土的抗氯離子滲透性能，但當熱養(yǎng)溫度過高時，這種修復(fù)作用不大。