不同養(yǎng)護(hù)方式對水工混凝土耐久性影響研究

張志國

(新賓滿族自治縣水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 撫順 113200)

養(yǎng)護(hù)是指在一定的溫濕度條件下對混凝土進(jìn)行處理,以加速或維持其凝結(jié)過程,使其達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度并優(yōu)化混凝土的性能[1]。通過控制溫濕度,可以調(diào)節(jié)材料的水化反應(yīng)速率和反應(yīng)產(chǎn)物的類型。在高溫條件下,混凝土的水化反應(yīng)速率會明顯加快,膠凝材料的結(jié)晶生長和成核時間會顯著縮短,使得混凝土快速進(jìn)入擴(kuò)散或相邊界反應(yīng)階段,從而加快反應(yīng)速率,這可以在一定程度上縮短養(yǎng)護(hù)時間,并促進(jìn)混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展。然而,高溫養(yǎng)護(hù)也可能導(dǎo)致一些問題,如溫度應(yīng)力和裂縫的形成。因此,在進(jìn)行混凝土的養(yǎng)護(hù)時,需要根據(jù)具體情況綜合考慮溫濕度控制的方法和措施,以確保混凝土的性能和使用壽命[2-3]。水利工程對施工周期及混凝土性能的要求較高,而蒸汽養(yǎng)護(hù)可以有效解決施工周期的問題,加快構(gòu)件強(qiáng)度增長速度[4]。然而蒸汽養(yǎng)護(hù)相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)會導(dǎo)致混凝土孔隙增大、微裂縫增加等問題[5]。蒸養(yǎng)是一種通過提供壓力和溫度來加速混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展的養(yǎng)護(hù)方法。蒸養(yǎng)可以在較短的時間內(nèi)使混凝土達(dá)到較高的早期強(qiáng)度,從而提高構(gòu)件的澆筑成型效率。蒸汽養(yǎng)護(hù)既改變溫濕度,也是水化反應(yīng)速率與反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生明顯變化,對混凝土性能和微觀結(jié)構(gòu)帶來顯著影響[6-8]。鑒于此,文章探究了水工混凝土抗凍性、抗氯離子滲透性和力學(xué)性能受礦粉及養(yǎng)護(hù)方式的影響作用。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

試驗(yàn)選用冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌P·O42.5水泥,大連金橋超細(xì)粉廠提供的S95級礦渣粉,比表面積410m2/kg,蘇博特SBTJM?9系列高效減水劑,骨料選用Ⅱ區(qū)河砂和粒徑5～25mm石灰?guī)r碎石,拌和水用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

1.2 測試方法

以養(yǎng)護(hù)方式和礦粉為變量試驗(yàn)設(shè)計C80混凝土配合比如表1所示,其中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的相對濕度≥90%,溫度(20±3)℃,蒸汽養(yǎng)護(hù)流程為先靜停2h→溫升3h→恒溫7h→溫降2h,然后移入標(biāo)養(yǎng)至28d進(jìn)行耐久性能和力學(xué)性能指標(biāo)測試。根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的方法和ASTMC1202法、RCM法、NTBUILD443慢速法、快凍法進(jìn)行力學(xué)性能、抗氯離子滲透性及抗凍性試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

不同養(yǎng)護(hù)方式的混凝土力學(xué)強(qiáng)度,見表2。

由表2可知,蒸汽養(yǎng)護(hù)有利于增大混凝土早期強(qiáng)度,在較短時間內(nèi)快速提升試塊強(qiáng)度,但蒸汽養(yǎng)護(hù)相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的28d齡期抗壓強(qiáng)度較低,抗折、劈拉和軸心抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)相似的規(guī)律特征。因此,蒸養(yǎng)可在一定程度上提升早期強(qiáng)度,但不利于最終強(qiáng)度的發(fā)展。

2.2 耐久性能分析

采用ASTMC1202法、RCM法、NTBUILD443慢速法測定的氯離子擴(kuò)散系數(shù)如表3及圖1所示。研究表明蒸汽養(yǎng)護(hù)會明顯增大試塊的擴(kuò)散系數(shù)和電通量,且對擴(kuò)散系數(shù)的影響更加明顯[9]。礦粉的摻入可以在一定程度上減小擴(kuò)散系數(shù)與電通量,可以彌補(bǔ)蒸汽養(yǎng)護(hù)所帶來的不利影響。

(a)電通量 (b)氯離子擴(kuò)散系數(shù)

表3 不同養(yǎng)護(hù)方式的混凝土耐久性

通過分析可知,雖然蒸汽養(yǎng)護(hù)可以加快早期強(qiáng)度發(fā)展,但與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比,其對混凝土的耐久性指標(biāo)可能產(chǎn)生負(fù)面影響。首先,高溫蒸汽環(huán)境會導(dǎo)致水分生物過快蒸發(fā),從而降低了混凝土的濕度,這使得混凝土中存在更多的孔隙,當(dāng)水在這些孔隙中結(jié)冰時容易導(dǎo)致破壞。其次,高溫環(huán)境下,混凝土中的孔隙結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化,導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)較大和孔隙直接連接,加快氯離子的擴(kuò)散。此外,由于蒸汽養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致孔隙率增加,電通量也會相應(yīng)增加,這些因素導(dǎo)致混凝土的耐久性指標(biāo)下降,影響抗氯離子滲透性和耐侵蝕性能[10]?；炷猎诓煌B(yǎng)護(hù)方式的抗凍性存在較大差異,蒸養(yǎng)會大大降低試塊的抗凍性。

采用NTBUILD443慢速法測定的混凝土氯離子滲透深度與濃度關(guān)系線如圖2(a)所示,結(jié)果顯示隨深度變化,摻礦粉試塊的氯離子濃度衰減速度較快,礦粉作為一種細(xì)粉添加劑,可以填充混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu),減少滲透途徑,從而降低氯離子的滲透速度和濃度。配合比相同的試塊,蒸汽養(yǎng)護(hù)試塊的氯離子濃度衰減速度隨深度變化較慢,這表明蒸養(yǎng)對于提升混凝土的抗氯離子滲透性不利。蒸汽養(yǎng)護(hù)的高溫環(huán)境和快速干燥會導(dǎo)致混凝土表面的孔隙結(jié)構(gòu)變得更加致密,從而減少了混凝土的滲透途徑,導(dǎo)致氯離子在深度變化時難以擴(kuò)散和稀釋。

(a)氯離子濃度曲線 (b)相對動彈模量(快凍法)

采用快凍法測定的混凝土相對動彈模量變化曲線如圖2(b)所示,結(jié)果表明抗凍性最差的是蒸汽養(yǎng)護(hù)且未摻礦粉的J1組,當(dāng)試塊經(jīng)過100次凍融時,摻入礦粉混凝土的相對動彈模量快速減小到60%,即摻入礦粉可以增強(qiáng)抗凍融性能。對于相同配合比的混凝土,在自然養(yǎng)護(hù)下,經(jīng)過300次凍融的相對動彈模量基本不變,表明在自然養(yǎng)護(hù)條件下具有較好的抗凍融性能和耐久性。經(jīng)過500次凍融后,同配合比的相對動彈模量減小到60%,說明經(jīng)過多次凍融循環(huán)后凍融損傷逐漸顯現(xiàn),并對力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的影響。凍融循環(huán)1000次時標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)摻20%礦粉的S0組試塊相對動彈模量仍達(dá)到90%,該組試塊具有較好抗凍性,且凍融循環(huán)500次后蒸汽養(yǎng)護(hù)摻20%礦粉的S1組試塊相對動彈模量才逐漸衰減。

2.3 蒸汽養(yǎng)護(hù)下的微觀結(jié)構(gòu)

研究使用掃描電鏡(SEM)對硬化水泥石進(jìn)行凍融前后的微觀晶體結(jié)構(gòu)分析,從而深入揭示蒸汽養(yǎng)護(hù)對混凝土性能的影響機(jī)理,以及摻入礦粉對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響。

結(jié)果表明,摻20%礦粉水泥石缺陷較少且漿體比較均勻,內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對密實(shí),而不摻礦粉的硬化水泥石發(fā)現(xiàn)疏松和不密實(shí)區(qū)。另外,摻20%礦粉的硬化漿體礦物搭接緊密,水化產(chǎn)物呈均勻分布狀況,未摻礦粉的漿體結(jié)構(gòu)存在可見氫氧化鈣晶體,結(jié)構(gòu)比較疏松且周邊礦物存在較大孔隙。綜上分析,礦粉能夠有效改善漿體結(jié)構(gòu),其火山灰活性和微集料填充效應(yīng)大大提高了漿體的密實(shí)程度。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下結(jié)晶相AFm、AFt、CH與非結(jié)晶相C-S-H凝膠等是混凝土水化產(chǎn)物的重要組成部分,混凝土中的過渡區(qū)域(ITZ)存在較高的孔隙率,同時有AFt和CH物質(zhì)的富集現(xiàn)象。晶體尺寸較大且與基體緊密連接表示ITZ區(qū)域與基體之間的結(jié)合較強(qiáng),而微裂紋的不明顯說明ITZ的抗裂性能較好。混凝土整體的孔隙率較低,膠凝孔在總孔隙中占比較高。摻入礦粉可以降低CH晶體含量,進(jìn)一步促使C-S-H凝膠的生成,從而有利于改善孔隙和ITZ結(jié)構(gòu),提升混凝土的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下,漿體水化速率加快,結(jié)構(gòu)變得致密,平均分子鏈增加,C-S-H凝膠量增多,CH晶體結(jié)構(gòu)松散且粗大。在溫度升高到70℃時,AFt轉(zhuǎn)變?yōu)锳Fm。延長蒸養(yǎng)時間有利于ITZ性能的改善,這樣可以使礦物摻合料更容易與ITZ周圍富集的CH反應(yīng)生成C-S-H。但是,蒸汽養(yǎng)護(hù)加快了水化速度,可能會造成更多微裂紋的形成。所以,蒸汽養(yǎng)護(hù)會增加多害孔和有害孔數(shù)量,使孔徑粗化及總孔隙率增加,但礦物摻合料的加入以及養(yǎng)護(hù)試件的延長會改善和細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu)[12]。

2.4 凍融循環(huán)下的微觀結(jié)構(gòu)

觀察分析凍融循環(huán)300次后摻20礦粉混凝土的微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)未破壞硬化漿體結(jié)構(gòu),漿體與骨料之間仍然具有較好黏結(jié)性。從宏觀上,凍融300次時混凝土的外觀狀態(tài)完好,該條件下試塊相對動彈模量基本不變。對比分析凍融循環(huán)150～200次時未摻礦粉混凝土的微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果表明硬化水泥漿體內(nèi)部存在一定細(xì)微裂縫,漿體相對疏松。從宏觀上,凍融150～200次時混凝土表面存在剝落現(xiàn)象,該條件下試塊相對動彈模量快速減小到60%以下。未摻和摻礦粉混凝土的微觀結(jié)構(gòu)具有明顯差異,凍融循環(huán)300次時混凝土仍具有較好密實(shí)性,而凍融150～200次時未摻礦粉硬化基體已發(fā)生嚴(yán)重破壞,可見明顯的氫氧化鈣晶體和相當(dāng)疏松的漿體結(jié)構(gòu)[13]。

3 結(jié) 論

研究表明,蒸汽養(yǎng)護(hù)會降低水工混凝土的抗?jié)B性和抗凍性等耐久性指標(biāo),特別是對抗凍性的影響更加顯著。加入適量礦粉能夠在一定程度上彌補(bǔ)蒸汽養(yǎng)護(hù)的不利影響,明顯改善基體微觀孔隙結(jié)構(gòu)。

對于耐久性要求較高的水工混凝土應(yīng)慎重選用蒸汽養(yǎng)護(hù),為保證混凝土質(zhì)量必須嚴(yán)格控制蒸汽養(yǎng)護(hù)下的耐久性指標(biāo),通過優(yōu)化工藝技術(shù)參數(shù)和摻入適量礦物摻合料降低蒸汽養(yǎng)護(hù)所帶來的不利影響。