負(fù)溫環(huán)境下商品混凝土力學(xué)性能及水化特征分析

師 琦 ，廖國勝 ，2

（1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.武漢科技大學(xué)高性能工程結(jié)構(gòu)研究院，湖北 武漢 430065）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國家相關(guān)部門提出了“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略，尤其對(duì)寒冷偏遠(yuǎn)地區(qū)及相關(guān)地帶的施工項(xiàng)目的順利進(jìn)行予以高度重視，在此種情況下，整個(gè)施工建設(shè)的環(huán)境相對(duì)特殊，如何在低溫的施工環(huán)境下進(jìn)行混凝土施工建設(shè)成為混凝土工程廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外已有大部分學(xué)者對(duì)低（負(fù)）溫環(huán)境下商品混凝土早期抗凍能力，受凍機(jī)制及防凍劑作用機(jī)制進(jìn)行了多元研究，進(jìn)一步證實(shí)施工企業(yè)在應(yīng)對(duì)寒冷氣候地區(qū)的施工建設(shè)時(shí)，要求混凝土材料不但應(yīng)具備國家城建部門規(guī)定的基本力學(xué)性能外，還應(yīng)同時(shí)具備低溫環(huán)境下早強(qiáng)性、抗凍性、抗?jié)B性及抗裂性等性能，管理人員應(yīng)嚴(yán)格遵守各項(xiàng)施工管理要求，確保整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)主體安全性和穩(wěn)定性能夠達(dá)到預(yù)設(shè)施工標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)配合比

根據(jù)試驗(yàn)條件選擇低溫地區(qū)P.O 42.5 水泥，細(xì)度模數(shù)為2.8 的機(jī)制砂、Ⅰ級(jí)粉煤灰（細(xì)度篩余不超過12%），粒徑為5~20mm 級(jí)配良好的石灰石碎石，減水劑為高性能聚羧酸減水劑，減水率在27%左右；同時(shí)采購由江蘇博特有限公司生產(chǎn)的引氣劑材料，整個(gè)引氣劑的密度在1.05g/cm3左右，引氣劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.015%~0.035%；此外，還應(yīng)復(fù)配相應(yīng)的防凍劑材料，整體含固量為35%[1]。

在試驗(yàn)過程中，為了確?；炷敛牧夏軌蛟冢?10±2）℃的低溫環(huán)境下使得防凍劑摻量最佳，應(yīng)調(diào)整負(fù)溫混凝土的配合比例。因此，通過查閱資料并結(jié)合防凍劑廠家的專業(yè)介紹試配混凝土，針對(duì)混凝土防凍劑的摻量范圍設(shè)計(jì)了4 組試驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)際測(cè)驗(yàn)表明，最佳狀態(tài)下混凝土的水膠比W/B 為0.41，砂率為40%，且粉煤灰摻量為膠材總量的20%，引氣劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%[2]。具體的減水劑、防凍劑摻量配比如表1 所示[3]，整個(gè)試驗(yàn)試件的尺寸為150mm×150mm×150mm。

表1 減水劑、防凍劑摻量

對(duì)此采用3 種不同方法對(duì)混凝土試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理：①在-12℃的環(huán)境下將試件放入冰柜中進(jìn)行全面的負(fù)溫養(yǎng)護(hù)；②在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)將整個(gè)混凝土試件進(jìn)行基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)；③在-12℃和22℃的環(huán)境下每4.5h 交替變換相應(yīng)的試驗(yàn)溫度，繼而完成養(yǎng)護(hù)管理。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試方法

首先，測(cè)定各齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度。利用3000kN 電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，并全面參照相關(guān)普通混凝土力學(xué)性能的規(guī)范，整個(gè)試驗(yàn)過程的加載速率應(yīng)保持在1.25kN/s 左右；同時(shí)借助混凝土彈性模量測(cè)定儀器，并結(jié)合規(guī)定的混凝土長(zhǎng)期性能檢驗(yàn)方法完成彈性模量的測(cè)定，整個(gè)測(cè)試過程應(yīng)確保測(cè)量誤差不超過2%。

其次，選用河北省唐山市試驗(yàn)儀器有限公司制造的HZ-20 型鉆孔取芯機(jī)器設(shè)備對(duì)混凝土試件的內(nèi)芯進(jìn)行取樣處理，采用分析純無水乙醇材料浸泡72h 后，妥善放置于62℃的真空干燥箱內(nèi)部，在將其置于24h 后，利用美國科技公司生產(chǎn)的FEI3D 型掃描電子顯微鏡進(jìn)行全面的SEM 分析。在實(shí)際的測(cè)試前，應(yīng)及時(shí)對(duì)混凝土樣品上方噴金并進(jìn)行導(dǎo)電處理。

此外，對(duì)混凝土樣品芯部進(jìn)行取樣后同樣利用分析純無水乙醇浸泡72h 且不再進(jìn)行水化，放置于62℃的真空干燥箱內(nèi)部，也將其置于24h，然后進(jìn)行破碎處理并獲取漿體部分，并在研磨后通過45μm 篩，最后利用德國科技公司生產(chǎn)的D8Discovery 型X 射線衍射儀進(jìn)行XRD 分析。整個(gè)分析過程的掃描速率為4°/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 負(fù)溫混凝土力學(xué)性能

（1）防凍劑摻量對(duì)負(fù)溫混凝土力學(xué)性能的影響。

經(jīng)過大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，防凍劑摻量不同導(dǎo)致不同負(fù)溫環(huán)境下，混凝土的抗壓強(qiáng)度有所差異。例如，在-12℃的環(huán)境下，不同試驗(yàn)組混凝土在3d 和7d 的抗壓強(qiáng)度數(shù)值均相對(duì)較低，沒有摻加防凍劑的混凝土甚至在3d 內(nèi)都無法測(cè)量出相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度，一旦摻入相應(yīng)的防凍劑后，抗壓強(qiáng)度效果會(huì)隨之提升，當(dāng)達(dá)到最高數(shù)值時(shí)，實(shí)際的混凝土抗壓強(qiáng)度只能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的26.4%，由此可以推斷，在-12℃下，水泥水化的過程相對(duì)緩慢，整體的抗壓強(qiáng)度也不理想[4]。值得注意的時(shí)，當(dāng)防凍劑摻量為4.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提升效果最為明顯，因此，可以設(shè)定4%作為負(fù)溫混凝土試驗(yàn)的最佳防凍劑摻量[5]。具體變化如圖1 所示。

圖1 不同防凍劑摻量下負(fù)溫混凝土抗壓強(qiáng)度

（2）負(fù)溫養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。

通過反復(fù)試驗(yàn)得到相應(yīng)的力學(xué)性能趨勢(shì)變化，對(duì)趨勢(shì)變化進(jìn)行擬合分析。表明隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，在養(yǎng)護(hù)齡期7d 內(nèi)，負(fù)溫環(huán)境下的混凝土的抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量上升速度較快，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期不斷增加后，整體混凝土的抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量增長(zhǎng)幅度較大，3 組混凝土試件28d 抗壓強(qiáng)度均能夠達(dá)到預(yù)設(shè)的工作要求。因此，早期混凝土試件強(qiáng)度發(fā)展可能與區(qū)域溫差較大溫度較低存在直接的聯(lián)系[6]。

（3）交變溫度養(yǎng)護(hù)制度下混凝土力學(xué)性能的發(fā)展趨勢(shì)。

為了進(jìn)一步證實(shí)交變溫度養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，兩組混凝土試件分別由 C（F0）、CA（F4）代表，即為整個(gè)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期，交變溫度養(yǎng)護(hù)期由VT（F0）、VA（F4）表示。通過反復(fù)試驗(yàn)獲取混凝土在不同養(yǎng)護(hù)制度下的力學(xué)性能變化如圖2、圖3 所示。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的動(dòng)彈性模量變化

通過對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析可知，混凝土試件抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量在前期階段上升幅度較為明顯，后期階段發(fā)展趨勢(shì)相對(duì)平緩甚至趨于穩(wěn)定。例如，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)模式下，交變溫度養(yǎng)護(hù)的混凝土早期抗壓強(qiáng)度僅為前者的70%~92%，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，摻入防凍劑的混凝土在28d 內(nèi)的抗壓強(qiáng)度不超過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)模式下混凝土抗壓強(qiáng)度的35%[7]，且C（F0）的早期抗壓強(qiáng)度明顯低于CA（F4），后期CA（F4）的抗壓強(qiáng)度明顯降低，由此可以證實(shí)，摻入防凍劑的混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，早期抗壓強(qiáng)度有所提高，然而對(duì)后期抗壓強(qiáng)度可能產(chǎn)生諸多不利影響。

2.2 負(fù)溫混凝土的水化特征

2.2.1 負(fù)溫混凝土水化產(chǎn)物分析

通過微觀試驗(yàn)獲取CA（F4）混凝土和C（F0）混凝土28d 水化產(chǎn)物的X 射線衍射示意圖譜，如圖4[8]所示。圖4 中1 為鈣礬石（AFt）的峰，由于防凍劑的防凍作用可知，CA（F4）混凝土其水泥成分中的鋁酸三鈣（C3A）能更好地參與水化反應(yīng)，造成AFt 含量比不摻防凍劑的C（F0）混凝土多。大量實(shí)踐表明鈣礬石能提高混凝土的早期強(qiáng)度[9]，所以C（F0）混凝土早期強(qiáng)度會(huì)明顯低于CA（F4）混凝土。

圖4 CA（F4）混凝土和 C（F0）混凝土 28d 化產(chǎn)物的X 射線衍射示意圖譜

2.2.2 負(fù)溫混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

在獲取樣品相應(yīng)的掃描電鏡結(jié)果后通過相關(guān)照片可以得知，低溫混凝土的結(jié)構(gòu)密度較基準(zhǔn)混凝土低，試件表面呈現(xiàn)不同規(guī)則大小的微孔，粉煤灰玻璃微珠與周圍接觸面較少，導(dǎo)致負(fù)溫混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，封閉球形微孔明顯增加，具體情況如圖5[10]所示。此外，在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)模式下，外界溫度逐漸降低，早期混凝土部分水轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，體積逐漸膨脹且在產(chǎn)生相應(yīng)微裂縫的同時(shí)，沒有結(jié)冰的部位還會(huì)順著微裂縫遷移并結(jié)冰，進(jìn)而導(dǎo)致微裂縫的面積逐漸擴(kuò)大[11]，由此推斷在交變溫度養(yǎng)護(hù)下，摻入防凍劑的VA（F4）混凝土的微裂縫寬度可能比沒有摻入防凍劑的VT（F0）混凝土的更小。

圖5 負(fù)溫混凝土的掃描電鏡照片

2.2.3 成熟度理論解釋

在相繼引入等效齡期成熟度模型后，進(jìn)一步論證混凝土抗壓強(qiáng)度和成熟度的關(guān)系，具體計(jì)算公式如式（1）所示。

式（1）中，成熟度由M1表示，其標(biāo)準(zhǔn)值一般小于840℃·h。相對(duì)抗壓強(qiáng)度由fcu，1表示，即為某個(gè)混凝土特定齡期抗壓強(qiáng)度與其28d 的抗壓強(qiáng)度之比。將實(shí)際測(cè)定得到的抗壓強(qiáng)度代入式（1）中，通過計(jì)算分析進(jìn)一步得出結(jié)論：在早期階段各組混凝土的成熟度增長(zhǎng)幅度不一，但在后期時(shí)均能達(dá)到甚至超過標(biāo)準(zhǔn)值，這為各種環(huán)境和養(yǎng)護(hù)方式下混凝土的抗壓強(qiáng)度特別是早期抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)工作奠定了夯實(shí)基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

總而言之，負(fù)溫環(huán)境下商品混凝土力學(xué)性能及水化特征涉及多個(gè)方面，施工企業(yè)應(yīng)積極學(xué)習(xí)并引進(jìn)國內(nèi)外優(yōu)良的混凝土養(yǎng)護(hù)方式，并根據(jù)不同負(fù)溫環(huán)境下混凝土的力學(xué)特征和實(shí)際情況，摻入適量防凍劑，避免混凝土微裂縫現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)，確保建筑結(jié)構(gòu)的主體穩(wěn)定和質(zhì)量安全。