蒸汽养护及矿粉对混凝土力学性能、抗氯离子渗透性和抗冻性能影响

汪冬冬，田伟丽，王成启

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

我国高强混凝土预制构件的生产，广泛采用蒸汽养护的方式。高速铁路的箱梁、预制轨道板、地铁混凝土管片、预应力混凝土管桩等均采用蒸汽养护。实践证明，蒸气养护可以促进混凝土早期强度的增长，缩短混凝土脱模时间，加快模具的周转，缩短生产周期，具有较高的经济效益。

但目前国内外许多研究[1-5]发现蒸汽养护在提高混凝土早期硬化速度的前提下，对混凝土产生一定负面影响。在较高温度下养护硅酸盐水泥混凝土，会降低其对氯离子渗透的抵抗力，采用矿渣、硅灰等矿物掺合料可在一定程度上改善蒸养对混凝土的不利影响。美国上世纪60年代建造的旧金山海湾San Mateo-Hayward大桥采用蒸汽养护的浪溅区预制横梁，1980年不得不进行耗资巨大的修补。Mehta等人[6]调查发现，采用蒸汽养护部分梁腐蚀严重，自然养护的梁未出现腐蚀。已有研究普遍认为：蒸汽养护加速水泥水化，促进强度发展的同时引起“肿胀”作用。升温或降温阶段表里之间产生温度梯度和气压差，并促成水、气体的转移，造成定向通路，形成连通孔隙，进而对混凝土的抗氯离子渗透性能产生不利影响。

本研究内容为不同养护方式及掺矿粉对混凝土的力学性能、抗氯离子渗透性能和抗冻性能影响的试验研究。

1 原材料及试验特性

水泥为海螺牌PⅡ52.5水泥；矿渣为S95级粒化高炉矿渣粉，比表面积为400m2/kg；减水剂为上海三瑞聚羧酸高效减水剂；细骨料为细度模数2.70，级配区间Ⅱ区的河砂，表观密度2.61 g/cm3；粗骨料为粒径5～25mm连续级配碎石，表观密度2.71 g/cm3；水为自来水。

2 试验方案与方法

采用掺矿粉和不掺矿粉两种C80混凝土配合比（表1）进行对比试验，并分别采用标准养护和蒸汽养护两种不同养护方式：1）标养：混凝土成型后移入标准养护室，待龄期达到28 d后测试。2）蒸养：静停2 h、升温3 h、恒温（70℃）7 h、降温2 h。蒸养后混凝土移入标准养护室，待龄期达到28 d后测试。分别对混凝土的力学性能和耐久性能指标进行系统测试。混凝土力学性能试验参照JTJ 270-98《水运工程混凝土试验规程》；抗氯离子渗透试验采用ASTM C1202《混凝土抗氯离子渗透试验标准试验方法》、《混凝土氯离子扩散系数快速测定方法》（RCM法）和NTBUILD 443《北欧氯离子渗透试验标准》。混凝土抗冻试验参照GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》快冻法。

表1 混凝土配合比 kg·m-3

3 试验结果与分析

由表2试验结果看出，蒸养对提高混凝土早期强度有利，蒸汽养护使混凝土在较短的时间内强度迅速提高，但28 d龄期抗压强度低于标准养护条件下混凝土的抗压强度。轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度均表现出相似规律。由此可见，蒸汽养护可以促进混凝土早期强度提高，但对最终强度可能有负面影响。

表2 标养混凝土与蒸养混凝土力学性能指标对比

根据表3及图1～图4，两种不同养护制度下混凝土的耐久性能指标对比情况，蒸汽养护对混凝土的耐久性产生不利影响。经过蒸汽养护后，混凝土的电通量、扩散系数增大，抗冻等级降低，其中扩散系数和抗冻性指标受到影响较为明显，尤其是抗冻。蒸养条件下和标养条件下同种混凝土抗冻差别明显，蒸养后的混凝土抗冻性明显下降。

采用ASTM C1202快速氯离子渗透试验结果见表3及图1，采用RCM法和NTBUILD 443两种试验方法测试的混凝土氯离子扩散系数结果见表3及图2。可见经过蒸养后的混凝土电通量和氯离子扩散系数增大，并且氯离子扩散系数受到的影响更为显著。掺加矿粉后混凝土的电通量和扩散系数降低，可在一定程度上弥补蒸养对混凝土抗氯离子渗透性的不利影响。

表3 标养混凝土与蒸养混凝土耐久性能指标对比

图1 ASTM C1202混凝土电通量试验结果

图2 混凝土氯离子扩散系数

采用NTBUILD 443高浓度盐水自然浸泡试验的氯离子浓度—深度曲线见图3。根据图3，掺矿粉混凝土（KB、KZ）氯离子浓度随深度衰减较快，由此可见矿粉对提高混凝土抗氯离子渗透性有利；对于同一配方混凝土，蒸养混凝土氯离子浓度随深度衰减较慢，由此可见蒸养对混凝土的抗氯离子渗透性不利。

图3 NT BUILD 443法氯离子浓度曲线

采用GBJ82-85快冻法进行的抗冻试验结果见表3及图4。根据图4相对动弹性模量的试验曲线可见，不掺矿粉的蒸养混凝土JZ抗冻性极差，仅经过100次冻融循环，混凝土的相对动弹性模量已经迅速衰减到60%，而在自然养护条件下的同种混凝土JB历经300次冻融循环，相对动弹性模量几乎无衰减，直到500次冻融循环后相对动弹性模量才衰减到60%。对于掺25%矿粉的标养混凝土KB，历经1 000次冻融循环后混凝土的相对动弹性模量仍在90%以上，抗冻性极高，而掺25%矿粉的蒸养混凝土KZ的相对动弹性模量也是在500次冻融循环后才开始衰减。

图4 快冻法相对动弹性模量试验结果

4 蒸养混凝土微观分析

为了进一步分析蒸养对耐久性指标影响较大的原因，分别对抗冻试验前后的混凝土进行扫描电子显微镜（SEM）分析，研究硬化水泥石的微观晶体结构，并对比分析矿粉对混凝土微观结构的影响。

4.1 蒸养混凝土硬化水泥石微观结构

图5、图6是掺25%矿粉与不掺矿粉的蒸养混凝土放大500倍的SEM照片，可以看出掺25%矿粉的混凝土硬化水泥浆体的相对密实，浆体比较均匀并缺陷较少；而不掺矿粉的混凝土硬化水泥浆体局部存在不够密实和相对疏松的区域。图7、图8分别是掺25%矿粉与不掺矿粉混凝土放大15 000倍的SEM照片，可见掺25%矿粉的硬化浆体中的水化产物分布均匀且矿物搭接紧密、缺陷较少，不掺矿粉的浆体结构相对疏松，局部可见氢氧化钙晶体，并且在氢氧化钙晶体的周围矿物间的孔隙相对较大。根据上述分析说明矿粉对混凝土硬化水泥浆体的改善作用明显，矿粉充分发挥“微集料密实填充”效应和“火山灰活性效应”，水化产物填充在氢氧化钙的周围使硬化浆体的密实程度提高。

图5 冻融试验前混凝土KZ（500倍）

图6 冻融试验前混凝土JZ（500倍）

图7 冻融试验前混凝土KZ（15 000倍）

图8 冻融试验前混凝土JZ（15 000倍）

4.2 冻融循环后混凝土的微观结构

图9是掺25%矿粉混凝土经300次冻融循环后放大200倍的SEM照片，可见硬化浆体并未出现破坏，骨料和浆体之间的黏结仍然完好。此时的混凝土的宏观状态是外观完好，相对动弹性模量几乎无衰减。图10是不掺矿粉混凝土150～200次冻融循环后放大500倍的SEM照片，可见硬化水泥浆体已经很疏松，并且浆体中存在局部可见的微细裂缝。与此状态对应的混凝土宏观状态是混凝土表面出现浆体剥落的显现，相对动弹性模量已经衰减至60%以下。

图9 KZ经300次冻融循环后（200倍）

图10 JZ经150～200次冻融循环后（500倍）

图11、图12分别是上述两种混凝土（KZ、JZ）两种状态下放大15 000倍的SEM照片。这两张照片的差别更为明显，掺矿粉的KZ图11与图7对比，硬化浆体变化不大，冻融300循环后浆体仍很密实；而从不掺矿粉混凝土JZ历经150～200次冻融循环后硬化浆体在被放大15 000倍的SEM照片可见，硬化浆体已经被破坏得很严重，浆体结构相当疏松，残留的氢氧化钙晶体明显可见。

图11 KZ经300次冻融循环后（15 000倍）

图12 JZ经150～200次冻融循环后（15 000倍）

5 小结

根据上述分析，得出以下主要结论：

1）蒸养对混凝土耐久性不利，降低混凝土的抗氯离子渗透性和抗冻性，尤其是对抗冻性不利影响更为明显。

2）混凝土中掺入矿粉可改善硬化水泥石微观结构，缓解蒸养对混凝土的不利影响。

3）对有耐久性要求的工程，蒸汽养护需要慎重采用，建议对蒸养混凝土的耐久性指标严格控制，并适当采用矿物掺合料同时应注意优化蒸养工艺参数改善浆体结构，弱化蒸养对耐久性的不利影响。

[1] 刘伟，贺志敏，谢均友，等.蒸养混凝土抗氯离子渗透性能研究[J].混凝土，2005，188（6）：56-60.

[2] 刘宝举，谢均友.蒸养超细粉煤灰混凝土的强度与耐久性[J].建筑材料学报，2003，6（2）：123-128.

[3] Detwiler Rachel J，Kjellsen Knut O，Gjorv Odde.Resistance to Chloride Intrusion of Concrete Cured at Different Temperatures[J].ACI Materials Journal，1991，88（1）：19-24.

[4] Detwiler Rachel J.Use of Supplementary Cementing Materials to Increase the Resistance to Chloride Ion Penetration of Concretes Cured at Elevated Temperatures[J].ACI Materials Journal，1994，91（1）：63-66.

[5] Campbell Glen M，Detwiler Rachel J.Development of Mix Designs for Strength and Durability of Steam-cured Concrete[J].Concrete International，1993，15（7）：37-39.

[6] Mehta P K，Gerwick B C Jr.Cracking-corrosion Interaction in Concrete Exposed to Marine Environment[J].Cement and Concrete Research，1981，88（1）：101-112.