于本田,孫佳佳,楊斌,程冠之,吳平,謝超
(1.蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070;2.中國國家鐵路集團有限公司 工程管理中心,北京 100844;3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081;4.中國市政工程西北設計研究院有限公司,甘肅 蘭州 730099)
青藏高原地區(qū)平均海拔高度約4 000~5 000 m,遠高于同緯度其他地區(qū)。大氣壓強與相對濕度低、蒸發(fā)大是該地區(qū)的典型氣候特征[1-6],根據(jù)道爾頓蒸發(fā)定律,環(huán)境氣壓與相對濕度低,水泥基材料孔隙中的自由水散失速率會加快,水泥水化變慢,從而影響水泥基材料的性能[7]。葛昕等[8]研究了不同相對濕度和氣壓條件下混凝土的抗壓強度和劈裂強度,發(fā)現(xiàn)低氣壓、低濕度環(huán)境條件會抑制混凝土強度的發(fā)展。GE 等[9]測試了不同氣壓、濕度環(huán)境下混凝土的收縮率,發(fā)現(xiàn)環(huán)境氣壓越低混凝土收縮率越大,收縮開裂的風險越大。與養(yǎng)護360 d 齡期的混凝土相比,養(yǎng)護7 d 齡期的混凝土收縮率受氣壓影響更加顯著。何銳等[10]研究了低壓、低濕環(huán)境制備低壓標準養(yǎng)護,常壓、常濕環(huán)境制備常壓標準養(yǎng)護,低壓、低濕環(huán)境制備低壓低濕自然養(yǎng)護的混凝土強度、抗?jié)B性、氣孔結構、顯微硬度等性能,得到高原環(huán)境對混凝土性能的負面影響主要在于室外養(yǎng)護條件,而非制備過程這一結論。陳歆等[11]在研究低氣壓與標準大氣壓下攪拌成型的非引氣水泥基材料水化進程與孔結構差異時,發(fā)現(xiàn)攪拌成型過程中的低氣壓環(huán)境基本不會對水泥基材料性能帶來不良影響。ZHANG 等[12]也發(fā)現(xiàn)將水泥膠砂標準養(yǎng)護3 d 后置于低壓環(huán)境中繼續(xù)養(yǎng)護25 d 后的強度受后續(xù)養(yǎng)護環(huán)境的低氣壓影響較小。CULLINGFORD 等[13-14]將養(yǎng)護并硬化的混凝土置于真空環(huán)境中,同樣發(fā)現(xiàn)在真空(極端低壓、低濕)環(huán)境下已經(jīng)硬化的混凝土力學性能與孔隙結構未發(fā)生明顯劣化,同樣說明低壓低濕環(huán)境對前期經(jīng)充分養(yǎng)護后的混凝土性能無負面影響。因此,養(yǎng)護方式,尤其早期養(yǎng)護方式是影響高原低氣壓、低濕度環(huán)境條件下混凝土性能的關鍵。目前,國內外對低氣壓與低濕度耦合作用下混凝土性能劣化規(guī)律研究較多,但針對高原低氣壓、低濕度環(huán)境條件下混凝土采用何種養(yǎng)護方式及養(yǎng)護效果的研究相對較少。鑒于此,本文以青藏高原低氣壓、低濕環(huán)境條件下水泥基材料為研究對象,開展模擬環(huán)境條件下標準養(yǎng)護、塑料薄膜包裹養(yǎng)護、養(yǎng)護膜包裹養(yǎng)護及自然養(yǎng)護4種不同養(yǎng)護方法及養(yǎng)護齡期的水泥砂漿試件的抗壓強度、化學結合水量性能測試,研究養(yǎng)護方式對青藏高原地區(qū)水泥基材料性能影響程度和規(guī)律,并結合核磁共振(NMR)和掃描電子顯微鏡(SEM)測試的孔結構與微觀形貌結果,進行了不同養(yǎng)護方式對低氣壓、低濕環(huán)境下水泥基材料性能影響機理的分析。最后建立了抗壓強度與凝膠孔占比和孔隙率間的數(shù)學模型。研究成果可為青藏高原地區(qū)混凝土養(yǎng)護提供理論支持,保障混凝土性能及結構使用壽命。
所用水泥為甘肅永登祁連山42.5 級普通硅酸鹽水泥,其性能見表1。細骨料為蘭州市皋蘭河砂,細度模數(shù)為2.8,符合2 區(qū)級配,含泥量為1.0%。水為蘭州市政自來水。減水率為30%的聚羧酸高性能減水劑。水泥砂漿配合比見表2。
表1 水泥物理力學性能Table 1 Properties of cement
表2 水泥砂漿配合比Table 2 Mixture ratio of cement mortar kg/m3
試驗用塑料薄膜為市售聚乙烯薄膜,厚度為5 μm。養(yǎng)護膜采用中國鐵道科學研究院集團有限公司的養(yǎng)護膜,該養(yǎng)護膜由3 部分組成[15-16],如圖1 所示。使用時先向親水性微孔無紡布側灑水至儲釋水材料吸水飽和后包裹水泥砂漿試件。
圖1 混凝土養(yǎng)護膜Fig.1 Concrete curing film
在氣壓為101 kPa,溫度為(20±5) ℃,相對濕度大于50%的環(huán)境下,按要求進行水泥砂漿攪拌,并成型相應尺寸試件,在該環(huán)境24 h 后拆模放入不同的養(yǎng)護環(huán)境中。低氣壓采用真空箱控制,真空箱如圖2所示。相對濕度采用干燥劑控制。其中標準養(yǎng)護氣壓為101 kPa,溫度為(20±2) ℃、相對濕度大于95%;自然養(yǎng)護溫度為(20±2) ℃,相對濕度為30%,氣壓分別為101 kPa 和60 kPa。具體養(yǎng)護方式與制度見表3。
圖2 真空箱Fig.2 Vacuum box
表3 養(yǎng)護方式與制度Table 3 Curing methods
1.4.1 抗壓強度試驗
制備尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的水泥砂漿試件,采用《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JG/T 70—2009)[17]中規(guī)定的試驗方法,進行不同養(yǎng)護方式下的水泥砂漿試件28 d抗壓強度測試。
1.4.2 化學結合水量測試
將在不同養(yǎng)護方式下的試件表面取水泥漿碎屑置于無水乙醇中浸泡,終止水化后,研磨成粉后用75 μm 方孔篩篩分,保留粒徑小于75 μm 的顆粒。試驗時先將樣品在烘箱中烘干至恒重,冷卻后稱取1.5 g,在1 050 ℃的馬弗爐內灼燒至恒重,置于干燥皿中冷卻稱取質量,灼燒前后的質量差即為化學結合水含量[16]。
1.4.3 核磁共振測試(NMR)
采用蘇州紐邁MacroMR12-150H-I 大孔徑核磁共振成像分析儀測試不同養(yǎng)護方式、齡期下的試件孔結構。試件尺寸為φ50×100 mm 圓柱體,測試前先將試件置于-0.1 MPa 的負壓下真空飽水24 h,使試件達到飽和狀態(tài)。
四是深化科技體制改革,推進科技創(chuàng)新體系建設。結合事業(yè)單位分類改革,積極推進南京水文自動化所等4個轉制科研機構重新分類定性,努力解決歷史遺留問題。穩(wěn)步推進國家、流域和地方三個層次水利科技創(chuàng)新中心建設,積極爭取國家重大創(chuàng)新基地建設試點。流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室和國家大壩安全工程技術研究中心順利通過科技部驗收,正式運行。
1.4.4 電子掃描電鏡(SEM)試驗
在養(yǎng)護28 d 的試件上敲取約5 mm×5 mm 的試樣,浸泡在無水乙醇中終止水化后,在烘箱中烘干至恒重,對其進行噴金干燥處理后,用日本JEOL 公司生產(chǎn)的型號為JSM-5600LV 的掃描電子顯微鏡進行微觀形貌測試。
圖3 和圖4 為不同養(yǎng)護方式下水泥砂漿試件28 d的抗壓強度與化學結合水量。由圖可知,在相同養(yǎng)護方式和齡期條件下,環(huán)境氣壓越低,對應水泥砂漿試件水泥化學結合水量越低,抗壓強度越低,說明水泥水化不充分。M60S7,M60S14,M60S28試件28 d 抗壓強度較M101S7,M101S14和M101S28分別降低了8.06,6.74 和7.41 MPa;M60Y7,M60Y14和M60Y28試件28 d 抗壓強度較M101Y7,M101Y14和M101Y28分別降低了5.39,7.03 和6.17 MPa。由于環(huán)境氣壓降低會加速水泥砂漿中水分向空氣中散失,在試件內外形成一定的濕度梯度,由于內部水分的不足導致力學性能下降[18]。M101Z28與M60Z28為24 h拆模后未采取任何養(yǎng)護就置于不同氣壓,濕度為30%的環(huán)境中,由圖3 可知,2 組試件的抗壓強度在所對應相同氣壓條件下均為最低,但M101Z28試件強度與M60S7,M60S14和M60S28試件強度相差不大,后三者采用了塑料薄膜包裹養(yǎng)護,這說明一定程度上氣壓對水泥砂漿試件力學性能的影響要比環(huán)境濕度的影響大,這與葛昕[19]的研究結果一致。
圖3 砂漿試件28 d抗壓強度Fig.3 28 days compressive strength of mortar specimens
圖4 化學結合水的含量Fig.4 Content of chemically bound water of mortar specimens
對比圖3 和圖4 中相同氣壓條件下,塑料薄膜包裹養(yǎng)護、養(yǎng)護膜包裹養(yǎng)護相同齡期的水泥砂漿試件強度發(fā)現(xiàn),養(yǎng)護膜包裹養(yǎng)護的水泥砂漿試件28 d抗壓強度均高于對應齡期塑料薄膜包裹養(yǎng)護的試件。這是因為塑料薄膜養(yǎng)護雖然一定程度上可延緩水泥砂漿試件內部水分散失,但其搭接及邊緣處仍具有一定的透水性。而采用養(yǎng)護膜包裹養(yǎng)護的砂漿試件在養(yǎng)護階段,養(yǎng)護膜的儲釋水材料可通過親水性底層向水泥砂漿緩慢釋水,而面層薄膜防止水分散失,因此會使試件在養(yǎng)護期內能保持濕潤狀態(tài),從而使強度提高[16]。但無論采用何種養(yǎng)護方式的水泥砂漿試件,其28 d 抗壓強度都低于標準養(yǎng)護28 d 的試件,由此可見水泥砂漿試件抗壓強度與養(yǎng)護方式密切相關,保證環(huán)境濕度,水泥砂漿試件強度就會隨養(yǎng)護齡期延長不斷提高[20]。
由圖3 可知,養(yǎng)護齡期為28 d 時,M101S28較M101S14和M101S7試件抗壓強度提高了6.02% 與15.86%;M101Y28較M101Y14和M101Y7試件抗壓強度提高了7.58%與21.23%;M60S28較M60S14和M60S7試件抗壓強度提高了4.92%與25.47%;M60Y28較M60Y14和M60Y7試件抗壓強度提高了11.85%與22.45%。說明采用塑料薄膜包裹和養(yǎng)護膜包裹養(yǎng)護的水泥砂漿試件在常壓和低氣壓養(yǎng)護環(huán)境下,抗壓強度隨養(yǎng)護齡期增加而增長,但強度增長速率降低,這跟一般情況下的水泥砂漿試件的強度發(fā)展規(guī)律是一致的,由于環(huán)境相對濕度為30%,對于任何氣壓條件,低濕度條件下的水泥砂漿試件內部水分都會向外散失,影響水泥水化,尤其是早期水泥中自由水較多,因此在養(yǎng)護齡期較短后置于低濕度條件下,其向外散失的水分就越多,但隨著養(yǎng)護齡期延長,這一現(xiàn)象越來越不明顯,這是因為養(yǎng)護齡期長,內部大多數(shù)水泥已水化,可向外散失的自由水變少。這一結論也可由圖4 得到驗證,由圖4可以看出,采用塑料薄膜包裹和養(yǎng)護膜包裹的在常壓和低氣壓養(yǎng)護環(huán)境下的砂漿試件其化學結合水量與養(yǎng)護齡期的關系與抗壓強度基本一致,養(yǎng)護齡期越長,水泥水化越充分,水化產(chǎn)物越多,化學結合水量增加。另外,由圖3 和圖4還可以看出,將養(yǎng)護了7 d,甚至14 d 的砂漿試件解除養(yǎng)護后置于低濕環(huán)境條件下的28 d 抗壓強度仍低于持續(xù)養(yǎng)護28 d 的強度,說明在低濕度條件下養(yǎng)護7 d,甚至14 d 后的養(yǎng)護濕度仍會影響28 d時的水化程度和抗壓強度,采用標準養(yǎng)護的M101B28抗壓強度和化學結合水量都是最高,而M101Y28的強度接近M101B28也說明這一問題,這與GE 等[9]的研究結果一致,但與ZHANG 等[12]不同,主要是因為ZHANG 是先將水泥膠砂試件標準養(yǎng)護3 d 后置于低濕度條件下,水泥在3 d 的標準養(yǎng)護下反應充分,因此受后期環(huán)境濕度影響較小,這與文獻[13-14]一致。因此,為保證低濕環(huán)境條件下水泥基材料的強度應延長養(yǎng)護齡期。
核磁共振試驗是測定水泥基材料橫向弛豫時間,通過弛豫時間反映水泥基材料內部孔隙的結構特征,T2弛豫曲線橫坐標大小與孔徑尺寸成正比;縱坐標越大,代表該尺寸孔隙數(shù)量越多[21]。弛豫時間和孔隙尺寸的關系式為[22-23]:
式中:ρ2表示材料的馳豫強度,μm/ms;為孔隙表面積與其體積之比,μm-1。
式中:r是孔隙半徑,μm;Fs是孔隙的幾何因子,通常ρ2Fs取0.01 μm/ms[25-26]。
將孔隙按孔徑大小劃分為凝膠孔、過渡孔、毛細孔、大孔。其中,凝膠孔的孔徑尺寸為<0.01 μm,即T2<1 ms;過渡孔的孔徑尺寸為0.01~0.1 μm,即1 ms≤T2<10 ms;毛細孔的孔徑尺寸為0.1~1 μm,即10 ms≤T2<100 ms;大孔的孔徑尺寸為>1 μm,即T2≥100 ms[24,27-28]。
圖5 和圖6 為不同養(yǎng)護方式砂漿試件不同齡期的T2譜及孔徑分布圖。由圖5 可知,不同氣壓下,不同養(yǎng)護方式的砂漿試件T2譜分布曲線均有一個主信號峰,一個或多個次信號峰,說明砂漿試件內部孔隙有一個或多個尺寸的孔徑占比較大。同一種養(yǎng)護方式和相同養(yǎng)護齡期的水泥砂漿試件,低氣壓環(huán)境下的T2譜主信號峰相對于常壓環(huán)境下的T2譜主信號峰整體向右偏移,且M60S7,M60S14和M60Z28試件T2譜出現(xiàn)了2 個明顯的次信號峰,M60Y7,M60Y14,M60Y28與M60S28試件T2譜雖然只出現(xiàn)了1個次信號峰,但次信號峰值明顯大于同等條件下常壓環(huán)境下養(yǎng)護的試件。說明在低氣壓和低濕度耦合環(huán)境條件下砂漿試件中水分散失更為嚴重,水化不充分,因此形成更多尺寸較大的毛細孔和大孔,而凝膠孔減少[29]。由圖6 可知,與M101Y7和M101S7相比,M60Y7,M60S7試件凝膠孔減少了27.3%,7.1%,毛細孔與大孔之和增加了5.9%,26.7%;與M101Y14和M101S14相比,M60Y14,M60S14試件凝膠孔減少了27.9%,3.4%,毛細孔與大孔之和增加了4.0%,24.3%;與M101Y28和M101S28相比,M60Y28,M60S28試件凝膠孔減少了9.9%,3.5%,毛細孔與大孔之和增加了4.2%,6.9%。M101Z28與M60Z28的凝膠孔分別為25.5%和20.3%,而毛細孔與大孔之和為9.0%和31.3%,與其他養(yǎng)護28 d 試件相比凝膠孔占比基本最低,而毛細孔和大孔占比基本最大,但M101Z28試件毛細孔和大孔之和的占比要低于M60S7,M60S14,并與M60S28持平,這也解釋了M101Z28試件強度與M60S7,M60S14和M60S28試件強度相差不大的原因,進一步說明環(huán)境氣壓對水泥砂漿試件性能的影響要大于環(huán)境濕度的影響。與其他養(yǎng)護28 d 試件相比凝膠孔占比基本最低,而毛細孔和大孔占比基本最大,但M101Z28試件毛細孔和大孔之和的占比要低于M60S7和M60S14,并與M60S28持平,這也解釋了M101Z28試件強度與M60S7,M60S14和M60S28試件強度相差不大的原因,進一步說明環(huán)境氣壓對水泥砂漿試件性能的影響要大于環(huán)境濕度的影響。
圖5 不同養(yǎng)護方式下砂漿試件的T2譜圖Fig.5 T2 spectrum of mortar specimens with different curing methods
圖6 不同養(yǎng)護條件下試件的孔隙分布Fig.6 Pore distribution of mortar specimens with different curing methods
由圖5對比分析塑料薄膜包裹養(yǎng)護、養(yǎng)護膜包裹養(yǎng)護相同齡期的水泥砂漿試件的T2譜圖,可以發(fā)現(xiàn)塑料薄膜包裹養(yǎng)護較養(yǎng)護膜包裹養(yǎng)護的水泥砂漿試件T2譜主信號峰明顯右移,且第二、第三信號峰更加明顯,由圖6可以看到,相同氣壓、養(yǎng)護齡期條件下,養(yǎng)護膜包裹養(yǎng)護較塑料薄膜包裹養(yǎng)護的水泥砂漿試件凝膠孔占比均提高,毛細孔和大孔占比出現(xiàn)下降,且環(huán)境氣壓降低,毛細孔和大孔占比下降得越明顯,這是因為養(yǎng)護膜在養(yǎng)護期間會向試件補水,水分散失相對較少,水泥水化充分,因此養(yǎng)護效果優(yōu)于塑料薄膜包裹養(yǎng)護。標準養(yǎng)護的M101B28試件凝膠孔占比最高,毛細孔與大孔占比最低,說明水化最充分,而自然養(yǎng)護的M101Z28與M60Z28試件在養(yǎng)護28d 的試件中凝膠孔占比最低,毛細孔與大孔占比最高,說明水化不充分。
由圖6 可知,M101S28較M101S14和M101S7試件凝膠孔占比提高了2.0%與3.3%;M101Y28較M101Y14和M101Y7試件凝膠孔占比提高了3.9% 與11.2%,M60S28較M60S14和M60S7試件凝膠孔占比提高了1.9%與6.9%;M60Y28較M60Y14和M60Y7試件凝膠孔占比提高了21.9%與28.6%,說明在常壓和低氣壓養(yǎng)護環(huán)境下,隨著養(yǎng)護齡期的延長水泥砂漿試件水化越充分,且水化速率增長放緩。另外,養(yǎng)護膜包裹養(yǎng)護的試件隨著養(yǎng)護齡期延長,凝膠孔增長速率明顯大于塑料薄膜包裹養(yǎng)護的試件,低氣壓環(huán)境條件下尤為明顯,這是因為養(yǎng)護膜的“補水”作用引起的。
為進一步分析養(yǎng)護方式對低氣壓、低濕度環(huán)境條件下水泥砂漿性能影響的機理,選取M101B28,M101Z28,M101Y28,M101S28,M60Z28,M60Y28和M60S28試件進行電子顯微鏡掃描(SEM)測試,圖7 為水泥砂漿SEM 圖。由圖7 可知,M60Z28相對于其他試件,水化后孔隙數(shù)量更多、孔徑更大,這是由于M60Z28環(huán)境氣壓低而且為自然養(yǎng)護,導致水泥砂漿內部水分散失速率加快,水化產(chǎn)物減少,致使水泥砂漿內部尺寸增大,孔隙增多。M101B28試件水化生成的Ca(OH)2被C-S-H 凝膠所包裹,形成致密結構,表明水泥砂漿水化較充分。相對于常壓環(huán)境下養(yǎng)護的水泥砂漿試件,壓強為60 kPa 的水泥砂漿試件微觀結構相對較疏散,密實度較差,因此在同一種養(yǎng)護方式下,60 kPa環(huán)境下的水泥砂漿試件強度低于101 kPa環(huán)境下的強度。M60Z28與M60Y28和M60S28相比,有明顯的孔洞與微裂紋,孔徑較大。M101Y28水泥砂漿試件內部微裂紋和孔洞被水化過程中產(chǎn)生的 C-S-H 凝膠以及鈣礬石(AFt)填充,而且片狀的氫氧化鈣被C-S-H 凝膠所包裹,形成致密結構[30]。
圖7 不同養(yǎng)護方式下試件電鏡掃描照片F(xiàn)ig.7 SEM images of mortar specimens with different curing methods
低氣壓和低濕度耦合作用導致水泥砂漿試件內部水分散失,水泥水化不充分,形成較多毛細孔與大孔是水泥砂漿強度降低的主要原因。采用不同的養(yǎng)護方式進行養(yǎng)護的實質是保證水分不向外散失,水泥充分水化,降低孔隙率,從而保證水泥砂漿的強度。因此水泥砂漿抗壓強度與孔隙率必然存在一定相關性。混凝土強度與孔隙率之間常用的模型有Hanson,Schiller,Ryshkewitch 和Balshin模型[31]。
Hanson模型:
Schiller模型:
Ryshkewitch模型:
Balshin模型:
式中:R為混凝土抗壓強度;R0為臨界抗壓強度;VP為孔隙體積;Pcr為臨界孔隙率;P為孔隙率;K和n為系數(shù)。雖然以上模型都能較好地表達混凝土強度與孔隙率之間的關系,但孔隙率相同的混凝土,孔徑分布的不同,強度仍可能差異很大,因此需要同時考慮混凝土孔隙率和孔徑分布對抗壓強度的影響。
圖8 和9 為不同養(yǎng)護方式下低氣壓、低濕度環(huán)境條件下水泥砂漿抗壓強度與孔隙率和凝膠孔占比之間的關系曲線。由圖可以看出,采用養(yǎng)護膜包裹養(yǎng)護和塑料薄膜包裹養(yǎng)護的水泥砂漿試件抗壓強度與凝膠孔占比、孔隙率之間均存在一定的相關性。采用多元回歸的方法建立數(shù)學模型,如式(7)所示:
圖8 抗壓強度與凝膠孔間關系Fig.8 Relationship between compressive strength and gel pore with different curing methods
圖9 抗壓強度與孔隙率間關系Fig.9 Relationship between compressive with strength and porosity
式中:R為水泥砂漿抗壓強度,MPa;P為孔隙率,%;e為水泥砂漿試件內凝膠孔占比,%;α0,α1,α2和α3為回歸參數(shù),回歸參數(shù)擬合結果見表4。由于相關性系數(shù)R2為0.928,所以該數(shù)學模型可以較好地預測低氣壓、低濕度環(huán)境條件下各種養(yǎng)護方式下的水泥砂漿抗壓強度。
表4 多元回歸系數(shù)Table 4 Multiple fitting parameters
1) 低氣壓環(huán)境下,水泥水化不充分,化學結合水量與抗壓強度低、T2譜主信號峰右移,出現(xiàn)明顯的次信號峰,凝膠孔減少,毛細孔與大孔增加。養(yǎng)護齡期的延長可有效提高水化程度和抗壓強度,使水泥砂漿內部孔結構得到優(yōu)化。因保濕能力不同,標準養(yǎng)護效果最好,養(yǎng)護膜包裹養(yǎng)護較好,塑料薄膜包裹養(yǎng)護相對較差,自然養(yǎng)護效果最差。因此,為保證青藏高原地區(qū)混凝土質量,宜采用養(yǎng)護膜養(yǎng)護28 d。
2) SEM 結果表明,低氣壓、低濕度環(huán)境條件下水泥砂漿性能的優(yōu)劣取決于養(yǎng)護方式能否阻止水分散失,保證水泥充分水化,形成較多的水化產(chǎn)物,減小孔徑較大的毛細孔與大孔數(shù)量。
3) 建立的水泥砂漿試件抗壓強度與凝膠孔占比和孔隙率的雙參數(shù)模型可準確預測低濕度、不同氣壓條件下,采用不同養(yǎng)護方式的水泥砂漿試件抗壓強度。