蒸養(yǎng)對高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土的熱損傷效應(yīng)研究

段 運(yùn)，王起才*，2，楊子江，尚文杰，魏定邦

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；3.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，蘭州 730030）

隨著交通、水電、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模進(jìn)行，混凝土作為重要的結(jié)構(gòu)材料用量巨大.由于天然砂資源的短缺和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，機(jī)制砂替代天然砂配制混凝土已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢.眾所周知，機(jī)制砂源自于巖石的機(jī)械破碎，相比于天然河砂，機(jī)制砂通常具有更粗糙的表面紋理、更多的棱角以及更高的細(xì)粉（75μm以下）含量［1-3］.采用機(jī)制砂配制的混凝土，其工作性、需水量、力學(xué)性能以及耐久性均不同于河砂混凝土［4-6］.通常機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度高于同條件下的河砂混凝土［7］，但機(jī)制砂混凝土性能受機(jī)制砂顆粒級(jí)配、石粉含量及MB值影響波動(dòng)較大［4，8-9］；同時(shí)高品質(zhì)機(jī)制砂對生產(chǎn)工藝和設(shè)備的要求較高，因而導(dǎo)致機(jī)制砂在高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用較少［10-13］.

蒸汽養(yǎng)護(hù)可以顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益，因而常用于預(yù)制廠以及寒冷地區(qū)混凝土構(gòu)件的生產(chǎn).張耀煌等［14］研究發(fā)現(xiàn)延長預(yù)養(yǎng)時(shí)間和降低升、降溫速率可以提高低強(qiáng)混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度.Shi等［15］研究表明蒸汽養(yǎng)護(hù)會(huì)對混凝土的后期強(qiáng)度和表面滲透性產(chǎn)生不利影響.田耀剛等［16］基于壓汞法研究表明蒸養(yǎng)下混凝土的總孔隙率增加，混凝土的抗凍性能降低.馬昆林等［17］研究發(fā)現(xiàn)蒸養(yǎng)對漿體表層的孔結(jié)構(gòu)影響最大，表層孔隙率和200 nm以上的孔含量顯著增加.耿健等［18］研究表明蒸養(yǎng)下水泥石的孔隙率增大，尤其是有害孔和多害孔含量；孔隙率和平均孔徑均隨恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而增加.Zou等［19］認(rèn)為蒸養(yǎng)初期水蒸氣的膨脹壓力阻礙了水化物的析出和擴(kuò)散，致使蒸養(yǎng)下水泥漿體的界面過渡區(qū)相對較弱.

綜上所述，關(guān)于機(jī)制砂混凝土的研究大部分都是在常溫養(yǎng)護(hù)條件下開展的，而對蒸養(yǎng)混凝土性能的研究基本都是針對河砂混凝土，缺少對蒸養(yǎng)下機(jī)制砂混凝土性能的研究，尤其是高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土.因此，本文以高速鐵路軌枕混凝土的生產(chǎn)為研究背景，開展不同蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)長下高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土的宏觀性能研究，分析蒸養(yǎng)對水化產(chǎn)物形貌與結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)的影響，并從微觀層面探討蒸養(yǎng)對宏觀性能的熱損傷機(jī)理，以期為我國西北干寒地區(qū)高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土的應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與配合比

水泥采用P·Ⅱ52.5硅酸鹽水泥，特性指標(biāo)如表1所列.粗骨料采用5～20 mm的級(jí)配碎石，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.90的機(jī)制砂和細(xì)度模數(shù)為2.83的河砂，粗、細(xì)骨料的級(jí)配曲線如圖1所示.機(jī)制砂的石粉含量為5.6%，亞甲藍(lán)值為0.8 g／kg.減水劑采用聚羧酸型減水劑，減水率為29.1%.機(jī)制砂混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)為C60，采用中國高速鐵路中預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕常用的配合比［20］，具體如表2所列.

表2 混凝土配合比Tab．2 M ix proportion of concrete kg／m3

圖1 粗、細(xì)骨料的級(jí)配曲線Fig．1 G radation curves of coarse and fine aggregates

表1 水泥的基本指標(biāo)Tab．1 Basic properties of cement

1.2 試樣制備與養(yǎng)護(hù)

首先根據(jù)配合比稱量原材料，再將粗、細(xì)骨料和水泥依次倒入強(qiáng)制式攪拌機(jī)中攪拌90 s，最后再將水和減水劑倒入，并繼續(xù)攪拌2 min.將新拌混凝土部分裝入邊長為100 mm的立方體模具中，用于抗壓強(qiáng)度和孔結(jié)構(gòu)測試；部分裝入100 mm×100 mm×400 mm的長方體模具中，用于動(dòng)彈性模量的測試；部分裝入直徑為100 mm，高度為50 mm的圓柱體模具中，用于抗氯離子滲透性測試.

機(jī)制砂混凝土試樣采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)兩種制度.蒸汽養(yǎng)護(hù)制度主要包含靜養(yǎng)、升溫、恒溫和降溫四個(gè)階段，試樣的靜養(yǎng)在溫度20±2℃的室內(nèi)完成，蒸養(yǎng)各階段的控制參數(shù)如表3所列.蒸養(yǎng)結(jié)束后的試樣置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的溫度為20±2℃，濕度96%以上.為分析機(jī)制砂對蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，設(shè)置河砂混凝土為對照組.對照組采用T50-6 h和T50-12 h兩種蒸養(yǎng)制度.

表3 蒸養(yǎng)制度Tab．3 Steam curing system

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)規(guī)范［21］進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度測試.依據(jù)規(guī)范［22］進(jìn)行混凝土動(dòng)彈性模量和抗氯離子滲透性測試.

水化產(chǎn)物的微觀形貌與結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察，設(shè)備為蔡司GeminiSEM 500.測試樣品取自破碎混凝土中的漿體部分，樣品邊長約為2～4 mm，厚度約為1～2 mm，測試面不做任何打磨處理.樣品通過導(dǎo)電膠與樣品臺(tái)相連，為提高混凝土樣品的導(dǎo)電性，測試前對樣品進(jìn)行噴金處理，測試過程如圖2所示.

圖2 SEM 測試過程Fig．2 SEM testing process

采用低場核磁共振技術(shù)（NMR）進(jìn)行機(jī)制砂混凝土孔結(jié)構(gòu)測試.依據(jù)核磁共振原理［23］，橫向弛豫時(shí)間T2可表示為：

式中：T2，surface為表面弛豫時(shí)間（ms）；ρ為表面松弛系數(shù)（nm／ms）；r為孔隙半徑（nm）；k為孔隙形狀因子，假定孔形為柱形孔，則k值為2.混凝土表面松弛系數(shù)通常在10～15 nm／ms［24］，本研究中取12.5 nm／ms.由上式可知，孔隙半徑與橫向弛豫時(shí)間呈正比例關(guān)系.NMR測試前需對樣品進(jìn)行真空飽水24 h.

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

不同蒸養(yǎng)溫度和時(shí)長下機(jī)制砂混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度如圖3所示.可以看出：機(jī)制砂混凝土在50℃和60℃下分別恒溫養(yǎng)護(hù)12 h和6 h后，其抗壓強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)3 d時(shí)的強(qiáng)度基本相同，說明蒸養(yǎng)可以顯著提高混凝土早期抗壓強(qiáng)度.

圖3 不同養(yǎng)護(hù)制度下機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度Fig．3 Compressive strength of manufactured sand concrete under different curing systems

相比于標(biāo)養(yǎng)下，蒸養(yǎng)下機(jī)制砂混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度均較低，50℃和60℃下28 d抗壓強(qiáng)度分別降低了3.1%～5.2%和4.0%～7.7%，說明蒸養(yǎng)對機(jī)制砂混凝土后期抗壓強(qiáng)度造成了損傷，且恒溫養(yǎng)護(hù)溫度越高、時(shí)間越長，后期抗壓強(qiáng)度損傷程度越大.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是由于蒸養(yǎng)下機(jī)制砂混凝土的水化產(chǎn)物形貌與結(jié)構(gòu)以及孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，具體將在后續(xù)的SEM和孔結(jié)構(gòu)分析中展開.

蒸汽養(yǎng)護(hù)下機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土的抗壓強(qiáng)度如圖4所示.整體而言，蒸養(yǎng)下機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度高于河砂混凝土，這與常溫養(yǎng)護(hù)下的試驗(yàn)結(jié)果一致［7-8］.T50-6 h和 T50-12 h蒸養(yǎng)制度下，機(jī)制砂混凝土蒸養(yǎng)結(jié)束時(shí)的抗壓強(qiáng)度比河砂混凝土分別高2.9 MPa和2.5 MPa，28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度比河砂混凝土分別高1.1 MPa和1.3 MPa，說明蒸養(yǎng)下兩者的早期抗壓強(qiáng)度差異較大，后期抗壓強(qiáng)度差異較小.這是由于機(jī)制砂中的石粉能夠填充水化產(chǎn)物之間孔隙，增加微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)性［9］；同時(shí)石粉在早期水化過程中能夠?yàn)樗a(chǎn)物提供額外的成核位置，促進(jìn)水泥的水化［25］，因而蒸養(yǎng)機(jī)制砂混凝土早期抗壓強(qiáng)度較高，但這種促進(jìn)水化的作用會(huì)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而減弱，因而對后期強(qiáng)度的影響減小.

圖4 蒸養(yǎng)機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土抗壓強(qiáng)度Fig．4 Compressive strength of manufactured sand concrete and river sand concrete under steam curing

2.2 動(dòng)彈性模量

不同蒸養(yǎng)溫度和時(shí)長下機(jī)制砂混凝土28 d的動(dòng)彈性模量如圖5所示.相比于標(biāo)養(yǎng)下，不同蒸養(yǎng)溫度和時(shí)長下機(jī)制砂混凝土28 d的動(dòng)彈性模量普遍較低，50℃和60℃下動(dòng)彈性模量分別降低了1.6%～2.2%和1.8%～3.4%，說明蒸養(yǎng)對機(jī)制砂混凝土動(dòng)彈性模量造成了損傷，且恒溫養(yǎng)護(hù)溫度越高、時(shí)間越長，動(dòng)彈性模量的損傷程度越大.相比于蒸養(yǎng)對后期抗壓強(qiáng)度的損傷，蒸養(yǎng)對動(dòng)彈性模量的損傷較小.

圖5 機(jī)制砂混凝土的動(dòng)彈性模量Fig．5 Dynam ic elastic modulus of manufactured sand concrete

2.3 抗氯離子滲透性

不同蒸養(yǎng)溫度和時(shí)長下機(jī)制砂混凝土28 d的電通量如圖6所示，可以看出，相比于標(biāo)養(yǎng)下，蒸養(yǎng)下混凝土電通量均增大，50℃和60℃下電通量分別增大了8.5% ～11.7%和14.2% ～15.9%，說明蒸養(yǎng)對機(jī)制砂混凝土抗氯離子滲透性產(chǎn)生了不利影響，且恒溫養(yǎng)護(hù)溫度越高、時(shí)間越長，電通量的增大程度越大.不同恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間下機(jī)制砂混凝土在60℃下的電通量均高于50℃下，說明蒸養(yǎng)溫度對抗氯離子滲透性的影響程度高于恒溫時(shí)長，這主要是由于蒸養(yǎng)下孔隙的連通性增強(qiáng)導(dǎo)致.

圖6 機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性Fig．6 Chloride ion im permeability of manufactured sand concrete

2．4 SEM

機(jī)制砂混凝土在不同養(yǎng)護(hù)溫度下的SEM圖如圖7所示.可以看出：標(biāo)養(yǎng)下絮狀水化硅酸鈣（C-SH）凝膠的結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，C-S-H團(tuán)聚體之間的孔隙較??；氫氧化鈣（CH）晶體呈柱狀或板狀，且晶體尺寸較小；C-S-H凝膠與CH粘結(jié)緊密，C-S-H團(tuán)聚體與CH之間的孔隙較少且孔隙尺寸較??；水化產(chǎn)物之間連通孔的尺寸和長度也較小.50℃蒸養(yǎng)下，部分C-S-H容易生長成含有較多孔隙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，C-S-H團(tuán)聚體之間孔隙增大（相比于20℃）；部分CH晶體容易生長為層狀結(jié)構(gòu)，且各層之間出現(xiàn)明顯的間距，片狀的CH晶體尺寸也增大；C-S-H團(tuán)聚體與CH之間的孔隙尺寸增大；連通孔的尺寸和長度也增大.60℃蒸養(yǎng)下，絮狀的C-S-H內(nèi)出現(xiàn)微小孔隙；CH晶體容易生長為不規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)，且各片層之間出現(xiàn)較大的間距，這種彎曲的CH似乎是晶體生長受到限制后發(fā)生偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的；C-S-H團(tuán)聚體、CH、AFt（鈣礬石）之間孔隙尺寸明顯更大（相比于20℃和50℃）；連通孔的尺寸和長度也顯著增大.

圖7 機(jī)制砂混凝土SEM 圖Fig．7 SEM images of manufactured sand concrete

由Arrhenius方程可知，水泥的水化反應(yīng)速率受養(yǎng)護(hù)溫度影響［26］，蒸養(yǎng)下水泥水化反應(yīng)速率加快，水化產(chǎn)物在短時(shí)間內(nèi)大量生成，極易生長為不規(guī)則、大尺寸或含有較多孔隙的結(jié)構(gòu)，致使水化產(chǎn)物分布不均，水化產(chǎn)物之間的孔隙尺寸和含量增大，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土宏觀性能（抗壓強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、抗氯離子滲透性）降低.蒸養(yǎng)溫度越高，C-S-H團(tuán)聚體之間、C-S-H團(tuán)聚體與CH之間的孔隙越大，機(jī)制砂混凝土宏觀性能損傷越大.混凝土的抗氯離子滲透性除了與孔隙的尺寸和含量相關(guān)外，還與孔隙的連通狀態(tài)有關(guān)［27］，而蒸養(yǎng)下連通孔尺寸和長度的顯著增大是機(jī)制砂混凝土抗氯離子滲透性大幅降低的主要原因.

2.5 孔結(jié)構(gòu)

T2譜中分布曲線面積與混凝土的孔含量呈正比，橫向弛豫時(shí)間與孔徑大小呈正比［24］.為分析蒸養(yǎng)溫度和時(shí)長對孔結(jié)構(gòu)的影響，采用NMR對機(jī)制砂混凝土28 d的孔隙水弛豫信號(hào)進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖8所示.從圖8可以看出，蒸養(yǎng)下機(jī)制砂混凝土T2譜分布曲線的面積明顯大于標(biāo)養(yǎng)下；蒸養(yǎng)溫度越高、時(shí)間越長，T2譜分布曲線面積越大．相比于標(biāo)養(yǎng)下，蒸養(yǎng)機(jī)制砂混凝土T2譜中第一峰的峰值信號(hào)強(qiáng)度明顯增大，峰值信號(hào)向右輕微移動(dòng)；第二峰的峰值信號(hào)強(qiáng)度變化很小，但峰值信號(hào)向右移動(dòng)顯著，蒸養(yǎng)溫度越高、時(shí)間越長，這種現(xiàn)象越明顯．說明蒸養(yǎng)下機(jī)制砂混凝土的孔含量增大、孔徑粗化，這也是蒸養(yǎng)下機(jī)制砂混凝土宏觀性能降低的原因．T2譜中第一峰的變化主要表現(xiàn)為峰域面積的增大，即毛細(xì)孔含量增加，第二峰的變化主要表現(xiàn)為峰值信號(hào)的右移，即孔隙尺寸增大，部分毛細(xì)孔向大孔轉(zhuǎn)變.

圖8 機(jī)制砂混凝土的T2譜Fig．8 T2 spectrum of manufactured sand concrete

標(biāo)養(yǎng)和蒸養(yǎng)下機(jī)制砂混凝土中不同孔徑的孔含量占比如圖9所示，可以看出，相比于標(biāo)養(yǎng)下，50℃和60℃下機(jī)制砂混凝土T2譜分布曲線的總面積分別增大了13.2%～23.7%和21.4%～28.5%，蒸養(yǎng)溫度越高、時(shí)間越長，機(jī)制砂混凝土的總孔含量增幅越大.相比于標(biāo)養(yǎng)下，50℃下機(jī)制砂混凝土中100～1 000 nm的孔含量增幅最大，該孔徑范圍主要為C-S-H團(tuán)聚體之間的孔隙［28］，可從SEM圖片中得到證實(shí)；60℃下，恒溫養(yǎng)護(hù)6 h的機(jī)制砂混凝土中100～1 000 nm的孔含量增幅最大，恒溫養(yǎng)護(hù)12 h的機(jī)制砂混凝土中1 000 nm以上的孔含量增幅最大，1 000 nm以上的孔主要為C-S-H團(tuán)聚體、CH、AFt之間的孔隙［28］，也可從SEM圖片中得到證實(shí).說明蒸養(yǎng)下水化產(chǎn)物分布疏松，100 nm以上的孔含量顯著增加，致使蒸養(yǎng)機(jī)制砂混凝土宏觀性能降低；蒸養(yǎng)溫度越高、時(shí)間越長，1 000 nm以上的孔含量越高，孔徑粗化顯著，因而宏觀性能降低程度越大.也說明蒸養(yǎng)下機(jī)制砂混凝土宏觀性能的損傷主要由受100 nm以上孔的影響.

圖9 機(jī)制砂混凝土中不同孔徑的孔含量占比Fig．9 Ratio of pore content of different pore sizes in the manufactured sand concrete

3 結(jié)論

通過對不同蒸養(yǎng)溫度和時(shí)長下機(jī)制砂混凝土的宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）蒸養(yǎng)對機(jī)制砂混凝土的宏觀性能產(chǎn)生了不利影響，蒸養(yǎng)溫度越高、時(shí)間越長，宏觀性能的損傷越大.

2）蒸養(yǎng)溫度和時(shí)長對動(dòng)彈性模量的損傷較小，對抗氯離子滲透性的損傷較大，這主要是由于蒸養(yǎng)下孔隙的連通性增強(qiáng).

3）蒸養(yǎng)下C-S-H容易形成孔隙較大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，CH容易生長為含有明顯間距的層狀結(jié)構(gòu)，C-SH團(tuán)聚體、CH和AFt之間的孔隙增大.

4）蒸養(yǎng)使機(jī)制砂混凝土孔含量增大，尤其是毛細(xì)孔含量，部分毛細(xì)孔向大孔轉(zhuǎn)變，孔徑粗化明顯.100 nm以上孔的變化是造成蒸養(yǎng)下機(jī)制砂混凝土宏觀性能損傷的主要原因.