低溫環(huán)境下早期養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

郭躍，周孝軍，白時(shí)明，彭健秋，丁慶軍

（1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041；2.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610039；3.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

0 引言

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的工程結(jié)構(gòu)處于非常嚴(yán)酷的建設(shè)與服役環(huán)境下，大部分混凝土工程都會(huì)經(jīng)歷冬季施工考驗(yàn)[1-3]。在低溫環(huán)境下，混凝土易受凍，其內(nèi)部的自由水結(jié)晶而體積增大，若混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，結(jié)晶膨脹應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，便會(huì)使混凝土產(chǎn)生永久的裂縫危害[4-5]。因此，提高混凝土的早期強(qiáng)度以避免受凍破壞十分關(guān)鍵。研究表明，混凝土強(qiáng)度不僅受材料組成、功能外加劑合理應(yīng)用與澆筑質(zhì)量等因素影響，養(yǎng)護(hù)方式對(duì)促進(jìn)混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展也至關(guān)重要[6]，特別是在低溫環(huán)境下，早期養(yǎng)護(hù)對(duì)水化溫度和相對(duì)濕度的控制尤為關(guān)鍵。早期養(yǎng)護(hù)溫度高不僅對(duì)混凝土凝結(jié)有促進(jìn)作用，也能加強(qiáng)膠凝材料的水化反應(yīng)，而養(yǎng)護(hù)相對(duì)濕度高則可以保證混凝土膠材水化反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生，提升微結(jié)構(gòu)密實(shí)度、優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)強(qiáng)度發(fā)展[7-8]。為此，實(shí)際工程中混凝土澆筑完成后一般要求立即采取措施進(jìn)行保水保濕養(yǎng)護(hù)。但由于建設(shè)環(huán)境條件的限制，養(yǎng)護(hù)條件通常無(wú)法做到標(biāo)準(zhǔn)要求。本文結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)比研究了自然養(yǎng)護(hù)、覆蓋棉被與發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)等方式對(duì)不同膠材組成體系的混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的影響，并與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行對(duì)比，為低溫環(huán)境下混凝土早期養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：峨勝P·O42.5R水泥，主要技術(shù)性能見(jiàn)表1；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，需水量比93%，燒失量2.5%；硅灰：SiO2含量94.8%，需水量比107%，燒失量2.4%，7 d活性指數(shù)105%；細(xì)集料：機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.8；粗集料：5～26.5 mm連續(xù)級(jí)配碎石；聚羧酸減水劑：減水率20%；引氣劑：減水率8.2%，含氣量3.5%，pH值為8.1。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土抗壓與抗折強(qiáng)度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；動(dòng)彈性模量按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)配合比

混凝土的配合比與工作性能如表2所示，試驗(yàn)對(duì)比研究了純水泥（C）、水泥+粉煤灰（CFA）、水泥+粉煤灰+硅灰（CFAS）等3種不同膠材體系C50混凝土在不同養(yǎng)護(hù)方式下早期強(qiáng)度的變化規(guī)律，水膠比均為0.36，引氣劑摻量為0.03%。

表2 混凝土的配合比與工作性能

1.4 養(yǎng)護(hù)方式

為模擬混凝土秋冬季施工環(huán)境條件，試驗(yàn)選擇在12月份進(jìn)行，混凝土分別采用自然養(yǎng)護(hù)、棉被養(yǎng)護(hù)、發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)4種不同養(yǎng)護(hù)方式（見(jiàn)圖1）。自然養(yǎng)護(hù)：試件成型后，一直放置于室外養(yǎng)護(hù)至28 d；棉被養(yǎng)護(hù)：試件拆模后覆蓋薄膜和棉被養(yǎng)護(hù)至28 d；發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)：試件拆模后，用薄膜覆蓋并覆蓋電發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)至7 d后，然后放置戶(hù)外養(yǎng)護(hù)至28 d；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：拆模后將試件放置標(biāo)準(zhǔn)室養(yǎng)護(hù)至28 d。每種養(yǎng)護(hù)方式均采用溫度、相對(duì)濕度測(cè)定儀同步測(cè)試其溫度與相對(duì)濕度變化情況，結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)溫度與相對(duì)濕度較穩(wěn)定；室外自然養(yǎng)護(hù)時(shí)環(huán)境溫度與相對(duì)濕度起伏不定，溫度在5～10℃變化，相對(duì)濕度在70%～90%變化；包裹塑料膜并覆蓋棉被后試件表面的溫度與相對(duì)濕度相對(duì)較穩(wěn)定，有一定的保溫保濕作用；發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)溫度較高，穩(wěn)定在40～50℃，而隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)，前7 d其相對(duì)濕度由30%逐漸降至15%左右。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表3）

表3 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表3可見(jiàn)，由于4種不同養(yǎng)護(hù)方式的早期養(yǎng)護(hù)溫度不同，發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)溫度最高（40～50℃），其次是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（20℃）、棉被養(yǎng)護(hù)（10℃）與室外自然養(yǎng)護(hù)（5～10℃），故各組試件3 d、7 d抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為：發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)＞標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)＞棉被養(yǎng)護(hù)＞自然養(yǎng)護(hù)，且3 d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)更顯著，7 d齡期時(shí)差異有所減小。養(yǎng)護(hù)溫度越高，混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展越快。隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)，到28 d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)＞發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)＞棉被養(yǎng)護(hù)＞自然養(yǎng)護(hù)。從7 d到28 d時(shí)，發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度僅有小幅增長(zhǎng)，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、棉被養(yǎng)護(hù)與室外自然養(yǎng)護(hù)時(shí)抗壓強(qiáng)度增幅較大，其中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)抗壓強(qiáng)度增幅最大且28 d抗壓強(qiáng)度最高。分析認(rèn)為，發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)雖然養(yǎng)護(hù)溫度較高，但相對(duì)濕度持續(xù)下降且沒(méi)有及時(shí)的補(bǔ)水保濕，因此強(qiáng)度發(fā)展較慢。另外，由于發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)溫度一直處于40℃以上，石子與砂漿的熱膨脹系數(shù)有所差異，加之高溫導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)相對(duì)濕度下降（最低相對(duì)濕度10%），造成漿體與骨料界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度發(fā)展不利，因而混凝土中后期的抗壓強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。覆蓋棉被養(yǎng)護(hù)時(shí)，溫度不高但其相對(duì)濕度相對(duì)較大（相對(duì)濕度85%左右），使得其中后期強(qiáng)度能有較好發(fā)展。而室外養(yǎng)護(hù)條件下由于溫度及相對(duì)濕度較低且變化大，中后期水化發(fā)展進(jìn)程較覆蓋棉被養(yǎng)護(hù)慢，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)較覆蓋棉被時(shí)有所下降。因此，低溫條件下混凝土早期養(yǎng)護(hù)應(yīng)注意保溫保濕，以促進(jìn)混凝土強(qiáng)度的持續(xù)發(fā)展。

對(duì)比研究相同養(yǎng)護(hù)方式下、不同膠材組成體系混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律可知：發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)時(shí)，由于養(yǎng)護(hù)溫度較高，有利于膠材水化反應(yīng)發(fā)展，3組試件的3 d抗壓強(qiáng)度差別不大，復(fù)摻粉煤灰與硅灰的CFAS組強(qiáng)度稍高于其它2組，此時(shí)膠材組成體系對(duì)早期抗壓強(qiáng)影響不大。而自然養(yǎng)護(hù)、棉被養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為：C組＞CFAS組＞CFA組，由此可見(jiàn)，早強(qiáng)型水泥對(duì)早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，摻入粉煤灰一定程度上影響早期強(qiáng)度發(fā)展，而硅灰活性較粉煤灰高，可以促進(jìn)早期強(qiáng)度發(fā)展。7 d、28 d齡期時(shí)，4種不同的養(yǎng)護(hù)方式下3組試件的抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為：CFAS組＞C組＞CFA組，此時(shí)膠材組成體系對(duì)強(qiáng)度的提高占主導(dǎo)因素。復(fù)摻粉煤灰與硅灰的CFAS組的強(qiáng)度增長(zhǎng)超過(guò)純水泥C組，而摻粉煤灰的CFA組強(qiáng)度仍為最低，主要因?yàn)榉勖夯业幕钚韵鄬?duì)較低，早期水化較慢，而硅灰顆粒細(xì)小、表面能高，其火山灰效應(yīng)與微集料效應(yīng)增加了C-S-H凝膠數(shù)量，改善了孔結(jié)構(gòu)及其孔徑分布，對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)貢獻(xiàn)較明顯，有利于混凝土抗凍性能的提高。因此，低溫條件下混凝土可復(fù)摻粉煤灰與硅灰，以協(xié)同提升混凝土工作性能與力學(xué)性能。

2.2 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

表4 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

由表4可見(jiàn)，對(duì)比3種不同的膠材體系，28 d抗折強(qiáng)度總體表現(xiàn)為：發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)＞標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)＞棉被養(yǎng)護(hù)＞自然養(yǎng)護(hù)，與抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律略有不同，早期養(yǎng)護(hù)溫度高更有利于混凝土抗折強(qiáng)度的發(fā)展。同時(shí)可以看到，各種養(yǎng)護(hù)方式下，復(fù)摻粉煤灰與硅灰的CFAS組的28 d抗折強(qiáng)度均為最高，主要是因?yàn)楦呋钚該胶狭细纳屏擞不z體微觀(guān)孔結(jié)構(gòu)，增加了微結(jié)構(gòu)密實(shí)度[9]，因而對(duì)提高混凝土抗折強(qiáng)度具有積極作用。

2.3 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土動(dòng)彈性模量的影響

抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量是評(píng)價(jià)混凝土抗凍性的重要指標(biāo)，兩者之間存在相關(guān)性[10]。3組試件動(dòng)彈性模量測(cè)試結(jié)果如表5所示，將4種養(yǎng)護(hù)方式下混凝土的抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量分別進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

表5 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土動(dòng)彈性模量的影響

由圖4可見(jiàn)，發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)下擬合曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)（0.72）和曲線(xiàn)參數(shù)（12.59、0.26）都與其他3種養(yǎng)護(hù)方式下的相差較大。在發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)下，前7 d的溫度維持在40～50℃、相對(duì)濕度維持在15%～30%，與自然養(yǎng)護(hù)、棉被養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的前7 d溫度維持在5～20℃、相對(duì)濕度在70%～90%形成了明顯的差異。因此，養(yǎng)護(hù)溫度和相對(duì)濕度是影響混凝土的抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量相關(guān)性的重要因素。

研究表明，摻合料對(duì)抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量之間的關(guān)系影響較小[11]，而細(xì)骨料的種類(lèi)和摻量、試件尺寸與骨料尺寸對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系影響顯著[12]。因此，本文將單摻粉煤灰的CFA組與復(fù)摻粉煤灰、硅灰的CFAS組的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)一進(jìn)行相關(guān)性分析，而采用純水泥的C組測(cè)試結(jié)果單獨(dú)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖5～圖6所示。

由圖5、圖6可見(jiàn)，C組混凝土抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量的相關(guān)系數(shù)僅為0.643，CFA、CFAS組混凝土試件抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量的相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.895，C組的相關(guān)性系數(shù)明顯低于另外2組。因此，其它條件相同時(shí)，骨料用量與砂率也是影響混凝土抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量之間相關(guān)性的重要因素。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）與棉被養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)相比，發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)可以顯著提高低溫環(huán)境下混凝土早期抗壓強(qiáng)度，7 d抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的97%。但持續(xù)的高溫使相對(duì)濕度下降，導(dǎo)致混凝土中后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢，28 d抗壓強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)低。采用發(fā)熱毯養(yǎng)護(hù)時(shí)，應(yīng)采取持續(xù)灑水保濕措施，以促進(jìn)混凝土強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)。

（2）復(fù)摻粉煤灰與硅灰的混凝土的力學(xué)性能與工作性能，均明顯強(qiáng)于單摻粉煤灰與純水泥膠材體系的混凝土。高活性硅灰的火山灰效應(yīng)與微集料填充效應(yīng)，促進(jìn)低溫條件下混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)，有利于提高混凝土的抗凍性能。

（3）混凝土抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量之間存在一定關(guān)聯(lián)性，養(yǎng)護(hù)溫度和相對(duì)濕度以及骨料用量和砂率是影響此關(guān)聯(lián)性的重要因素。