低温(3 ℃)下高强混凝土强度增长及其水化程度研究

段　运，王起才，张戎令，陈　川，张少华

(兰州交通大学土木工程学院，兰州　730070)



低温(3 ℃)下高强混凝土强度增长及其水化程度研究

段运，王起才，张戎令，陈川，张少华

(兰州交通大学土木工程学院，兰州730070)

试验研究了低温(3 ℃)养护条件、水胶比、龄期对水泥水化程度和混凝土抗压强度的影响规律，以及水化程度与混凝土抗压强度之间的内在联系。通过分析水泥水化反应机理、水化程度和混凝土抗压强度影响因素，得出低温(3 ℃)对水化程度和混凝土抗压强度有明显的抑制作用，前7 d内影响最明显，随着龄期的增加影响逐渐减弱；对水泥水化程度的影响是一个连锁影响，影响程度大；对低水胶比混凝土抗压强度影响时期较长，高水胶比混凝土抗压强度影响时期较短；三种水胶比混凝土28 d抗压强度损失为3.2%～6.2%，低温(3 ℃)延迟了三种水胶比混凝土达到其设计抗压强度的时间，且随水胶比减小而增长；水化程度和混凝土抗压强度有着共同的影响因素且两者随龄期的变化规律有很好的一致性，因此可以用水化程度来反映混凝土抗压强度的变化。

低温； 水胶比； 水化程度； 抗压强度

1　引　言

我国北方大部分地区进入冬期时间较早且持续时间长，为使建筑工程尽早完工使用，经常需在冬期进行施工建设，但混凝土结构在冬期施工中容易出现强度不足、裂缝过多等质量隐患，进而影响建筑物的安全性及耐久性。建筑工程冬期施工规范JGJ/T104-2011[1]中规定，当室外日平均气温连续5 d低于5 ℃时，即进入冬期施工，且明确规定，凡进行冬期施工的工程项目，需编制冬期施工专项方案。目前混凝土冬期施工中，为了防止混凝土早期凝固时被冻坏，保证其后期强度，一般需要在施工和养生阶段采取一些措施，例如加热原材料、采用特殊养护方式以及掺加外加剂等，但这些措施不仅会增加施工难度，延缓施工进度，同时也会改变混凝土的一些性能，影响工程质量。张润潇等[2]研究了恒定低温(0～20 ℃)条件下C30混凝土强度变化规律,刘润清等[3]研究了低温混凝土早期内部水化产物和水化结构，王传星等[4]对已达到设计强度的同等级混凝土在不同低温环境下的强度变化情况进行了研究，刘军等[5]对自然变低温养护条件下混凝土的强度及抗冻性能进行了研究,而以温度和龄期作为变量，对普通与高强混凝土在低温养护下的强度损失率以及10～50 ℃范围内养护温度和龄期对混凝土强度影响的研究仅限于Husem[6]、Kim[7]等学者所做的试验，关于高强混凝土在5 ℃以下养护条件下的水化特性和强度变化规律研究很少。本试验结合北方冬期施工条件，对低温(3 ℃)下水泥水化特性和混凝土抗压强度定量化分析，确定低温(3 ℃)环境下不同水胶比水泥净浆水化程度和混凝土抗压强度随龄期变化的增长规律，以及水泥水化程度和混凝土强度增长之间的内在关系，进而为冬期施工区混凝土结构提供理论依据。

2　试　验

2.1试验方法

恒定低温环境下水泥净浆水化热试验采用国标GB/T 12959-2008[8]中的直接法。目前我国使用的水泥水化热的测定方法有直接法与溶解热法。直接法原理是：将恒温瓶放置在恒定的低温环境中，用测温元件测定恒温瓶内冰和水泥浆体以及恒温瓶内外空气温度随龄期的变化值，通过计算不同龄期下恒温瓶内冰吸收的热量和恒温瓶内外交换的热量来推算不同龄期下的水泥水化热量。

持续低温养护条件下混凝土强度试验依据GB/T 50081-2002[9]对不同龄期下混凝土立方体抗压强度进行测量。试验设计养护温度为3 ℃和20 ℃，龄期为3、7、14、28、56 d，其中20 ℃试验组为标准养护试验。

2.2试验仪器和原材料

2.2.1试验仪器

试验仪器：环境模拟箱、标养室、恒温控制瓶、温度自动巡检仪、铂电阻温度传感器、压力试验机等。

图1　压力试验机Fig.1　Compression testing machine

图2　恒温控制瓶Fig.2　Constant temperature vacuum flask

2.2.2试验原材料

两个试验中水泥都采用P·O 42.5的普通硅酸盐水泥，由兰州甘草水泥集团生产。水泥各项性能指标实测值见表1，配合比见表2。

表1　P·O 42.5级硅酸盐水泥性能指标

细骨料：河砂，细度模数为2.7，属于中砂，表观密度2640 kg/m3，松散堆积密度1630 kg/m3，紧密堆积密度1780 kg/m3，含泥量3.4%。

粗骨料：碎石，连续级配，粒径范围5～26.5 mm，表观密度2800 kg/m3，压碎指标6.7%。

减水剂：聚羧酸高性能减水剂。

表2　混凝土配合比

2.3试验方案与步骤

2.3.1试验方案

恒定低温环境下水泥净浆水化热试验分为Q1、Q2、Q3三组，各组水泥用量均为1 kg。水泥净浆的入模温度控制在3 ℃，恒温瓶内水泥净浆初始水化温度控制在(3±1) ℃，其中Q1、Q2、Q3三组的水泥净浆的水胶比分别为0.24、0.31、0.38。

持续低温养护条件下混凝土强度试验F1、F2、F3、F4、F5、F6六组。前三组F1、F2、F3水胶比分别为0.24、0.31、0.38，入模温度控制在18 ℃，养护温度控制在(3±1) ℃，养护湿度控制在95%。后三组F4、F5、F6的水胶比分别为0.24、0.31、0.38，入模温度控制在18 ℃，养护温度控制在(20±1) ℃，养护湿度控制在95%。混凝土由专业混凝土搅拌机一次搅拌完成，试块尺寸大小为100 mm×100 mm×100 mm，试模水平放置后灌入混凝土，经振动台振捣60 s后抹平表面。标准养护下的混凝土试块先在室内(1 d内平均气温为18 ℃)带模保水养护1 d，然后脱模放入标准养护室进行养护；低温养护条件下的试块放入环境模拟箱中养护，养护过程采取保水措施，防止混凝土内大量水分散失到空气中。

2.3.2试验步骤

恒定低温环境下水泥净浆水化热试验前根据GB/T 12959-22008规范测定每组恒温瓶的散热常数K(J/(h·℃))，确保所有恒温瓶的散热常数在恒定的范围内，再根据规范计算出每个恒温瓶的总的热容量CP(J/℃)。水泥净浆搅拌均匀后灌入恒温瓶中，用自动巡检仪测定Q1、Q2、Q3三组恒温瓶内冰和水泥浆体以及恒温瓶内外空气温度随龄期的变化值，计算不同龄期下恒温瓶内冰吸收的热量和恒温瓶内外交换的热量来得到不同龄期下的水泥水化热量。

Qτ=CP(Tτ-T0)+K∑S0～τ

(1)

式中：Qτ-τ龄期内水泥水化放出的总热量,J；CP-浇注完成后的恒温瓶总热容量,J/℃；Tτ-τ时刻的水泥水化温度,℃；T0-水泥水化的初始温度,℃；K-恒温瓶的散热常数,J/(h·℃);S0～τ-0～τ时间内恒温瓶内外温度曲线之间的面积,h·℃。

持续低温养护条件下混凝土强度试验依据GB/T 50081-2002对混凝土3 d、7 d、14 d、28 d、56 d的立方体抗压强度进行测量。

3　结果与讨论

3.1恒定低温环境下水泥水化热量计算及分析

试验采用普通硅酸盐水泥，1 kg水泥完全水化放出的热量Qmax为425～460 kJ[10]，依据公式(1)计算出三种水胶比水泥净浆在不同龄期下的水化放热量。

水泥的水化程度[11]定义为下式：

(2)

式中：Qτ-τ龄期内1 kg水泥水化放出的总热量；Qmax-1 kg水泥水化完全放热总量，取454 kJ；γτ-其表示的是在一定时间内发生水化作用的量和完全水化量的比值。

表3为三种水胶比下1 kg水泥净浆在不同龄期下的水化热量(单位：kJ)及水化程度。

表3　不同水胶比下的水化热量及水化程度

通过表3可以看出，入模温度控制在3 ℃时，水胶比对恒定低温下水泥水化放热的影响很明显，所有龄期下水胶比为0.38的水泥净浆放热量最大，水胶比为0.31的水泥净浆放热量次之，水胶比为0.24的水泥净浆放热量最小。水胶比的不同实际体现了单位水泥颗粒周围水含量的不同，而水在水泥水化过程中是不可缺少的反应物。水泥水化反应属于放热反应，说明反应物的总能量大于生成物的总能量，依据化学反应原理，水泥颗粒周围水含量较多时，反应物的数量相对较多，该反应物的总能量就相对较大，在同一化学反应过程中自然就放出的热量较多。因此从化学反应角度分析水胶比大的水泥净浆水化放热量多。

28 d时水胶比为0.38的水泥净浆水化程度为0.60，水胶比为0.31的水泥净浆水化程度为0.56，水胶比为0.24的水泥净浆水化程度为0.50，可以看出低温环境下三种水胶比的水泥净浆在28 d时的水化程度都比较低，说明低温对水泥水化反应产生了明显的抑制作用，这是因为低温条件下水的粘滞性增大，水分子运动能力降低，水分子与水泥颗粒之间的碰撞减弱，水化反应变缓。水泥完全水化的理论需水量约为0.23，这三种水胶比中水的含量完全满足水泥完全水化的需水量，水含量充足，但水化放热量和水化程度却依然不同，这说明低温对不同水胶比水泥净浆水化反应有不同的影响程度。由表3可知，低温环境对水胶比小的水泥净浆水化程度影响最大，这是由于水胶比小的水泥净浆中单位水泥颗粒周围本身水含量较少，而实际参与水化反应的水分子数量更少，使水与水泥颗粒的接触面积变小，水化反应变缓，水泥颗粒水化不充分；低温又使水泥水化反应速率降低，因此水胶比小的水泥净浆水化反应变得很慢。温度对化学反应速率的影响很大，因此从温度的角度分析水化反应，试验温度为3 ℃，水化反应温度较低，自然会降低水化反应速率和水化程度，水化反应又属于放热反应，热量的产生就会导致化学反应温度的升高，温度升高，化学反应速率加快，水化放热量增大，水化程度变大，说明温度对水泥水化反应的影响是一个连锁影响，并且影响程度很大。

28 d之后三组水胶比的水化程度增长都变得很缓慢，水胶比的不同和低温环境的影响在这个时期内对水化反应速率的影响已经不显著，说明水泥净浆到达一定龄期后，低温环境下三种水胶比的水化程度已经趋于一个相对稳定的值，水泥净浆的水化放热量进入一种稳态。因此低温环境和水胶比的不同对水化反应速率的影响程度在早期的水化反应中较大，在后期的水化反应中较小。

3.2持续低温养护条件下混凝土强度分析

持续低温下养护条件下的混凝土试块放在环境模拟箱中养护完成，温湿度控制完全满足要求，依据GB/T 50081-2002对混凝土立方体抗压强度进行测量，每个龄期下的试验组试块数量为3个，试验数值取这3个试块结果的平均值，当单个试块的实测值与平均值之差大于15%时，舍去该值，试验结果取剩余试块结果的平均值。3、7、14、28、56 d的混凝土立方体抗压强度值见表4。

表4　混凝土抗压强度值

混凝土强度的产生是水泥水化的结果，水泥水化的程度与水化温度以及水胶比有关，混凝土强度的增长还与混凝土的养护龄期有关，因此水胶比、养护温度、养护龄期成了影响混凝土强度增长的主要因素。

图3　0.24水胶比混凝土强度Fig.3　Compressive strength of 0.24 water binder ratio concrete

图4　0.31水胶比混凝土强度Fig.4　Compressive strength of 0.31 water binder ratio concrete

图5　0.38水胶比混凝土强度Fig.5　Compressive strength of 0.38 water binder ratio concrete

由图3、4、5可以得出，低温(3 ℃)养护条件下三种水胶比混凝土抗压强度在试验龄期内都低于其标准养护条件下混凝土抗压强度，这种差异在前7 d内最大，7 d之后差异变小且趋于稳定；28 d时低温(3 ℃)养护条件下三种水胶比(0.24、0.31、0.38)混凝土抗压强度分别为其标准养护条件下的93.8%、94.2%、96.8%，强度损失较小。说明低温(3 ℃)养护条件对三种水胶比混凝土早期抗压强度增长产生不利的影响，且随着龄期增加，这种不利的影响程度逐渐减弱，28 d之后这种不利的影响程度变的很小。这是由于低温(3 ℃)养护条件使混凝土内部初始温度降低，致使混凝土内水泥水化反应速率降低，水化程度变小，进而导致混凝土早期抗压强度增长缓慢；到一定龄期后，混凝土内大部分水泥颗粒已完成水化，继续水化的水泥颗粒变得很少，低温(3 ℃)对水化程度增长的影响变得很小，对混凝土强度增长的影响程度也就变得很小。

混凝土试块在3 ℃养护条件下，水胶比为0.24混凝土3 d的强度达到了标准养护28 d强度的61.7%，7 d的强度达到了标准养护28 d强度的80.8%，56 d的强度达到了标准养护28 d强度的98.8%；水胶比0.31混凝土3 d的强度达到了标准养护28 d强度的40.6%，7 d的强度达到了标准养护28 d强度的81.2%，56 d的强度达到了标准养护28 d强度的100.5%；水胶比为0.38混凝土3 d的强度达到了标准养护28 d强度的41.5%，7 d的强度达到了标准养护28 d强度的80.5%，56 d的强度达到了标准养护28 d强度的101.7%。3 ℃养护条件下三种水胶比混凝土28 d抗压强度都没达到其标准养护28 d的抗压强度，56 d时才能达到其标准养护28 d的抗压强度，且水胶比越小的混凝土达到其28 d抗压强度的时间越迟。由此可以得到，低温(3 ℃)养护条件对水胶比小的混凝土抗压强度影响时期较长；对水胶比大的混凝土前期抗压强度影响明显，后期影响不明显。这是因为水胶比大的混凝土早期单位水泥颗粒周围水含量多，水化反应较快，水化程度大，混凝土抗压强度增长较快，当龄期达到一定时间后，混凝土内部大部分水泥已水化完成，混凝土强度增长已变缓，温度对剩余的少部分水泥水化反应的影响已很微弱，温度对混凝土强度增长的影响变得不明显。

3.3低温下混凝土强度与其水化程度之间的联系

混凝土抗压强度的增长速率是一个由快到慢的变化过程，水泥的水化程度也是一个由快到慢的变化过程。水泥的水化程度和混凝土抗压强度的影响因素都主要为水胶比、温度和龄期，并且两者之间存在着内在联系，因此用水泥的水化程度来反应混凝土抗压强度的变化比较合理。

图6　低温下不同水胶比水泥水化程度Fig.6　Hydration degree of different water binder ratio under low temperature

图7　低温下不同水胶比混凝土强度Fig.7　Compressive strength of different water binder ratio under low temperature

由图6和图7曲线斜率可知，前7 d水泥的水化程度最大，混凝土强度的增长速度也最快，两者的变化趋势很接近，有明显的线性相关性。7～14 d之间水泥的水化程度开始慢慢变缓，混凝土强度出现了更为明显的变缓，两者的变化趋势开始有所不同，水泥水化程度变缓的比较均匀，而与之对应的混凝土强度增长速率变化不均匀，出现较为明显的变化点，而且水胶比不同这种强度增长速率变化起始点也不同，水胶比为0.38的变化点龄期在第10 d，水胶比为0.31的变化点龄期在第9 d，水胶比为0.24的变化点龄期在第8 d，呈现出水胶比越小，这种强度增长速率的变化点会越早出现。14 d之后两者的变化趋势又开始比较一致，水化程度和混凝土抗压强度变化都趋于平缓，增长很缓慢。

前7 d内混凝土强度增长与水泥水化程度有很一致的同步性，可认为这段龄期内混凝土强度的增长主要由水泥的水化来实现的。7～14 d水泥水化程度与混凝土强度增长不同步，混凝土强度增长比水泥净浆水化程度早进入稳定缓慢增长状态，说明当混凝土强度达到一定值后，水泥水化对混凝土强度增长不起决定性的作用了，但仍然是混凝土强度增长的影响因素。14 d后水泥水化程度和混凝土强度的增长趋势都很平缓，但仍有同步性，水化程度依然是混凝土的强度增长的影响因素。说明混凝土抗压强度的增长是水泥水化程度变化的宏观表现，水泥水化程度的变化是混凝土抗压强度增长的内在原因。

低温(3 ℃)养护条件下，水泥水化反应的速率较慢，初始水泥水化放热量较小，水化程度较低，混凝土强度增长也就较慢，这样必然与标养下强度会产生差值。水胶比为0.38的混凝土，水泥颗粒与水接触充分，初始水化放热量较多，温度就会升高，水化反应速率加快，水化程度变大，混凝土的强度增长变快，从而致使其低温下的混凝土强度最早与标准养护条件下的混凝土强度接近。

4　结　论

(1)低温(3 ℃)对水泥水化程度和混凝土强度增长有明显的抑制作用，低温(3 ℃)对水泥水化程度的影响是一个连锁影响，影响程度大；对水胶比一定的混凝土抗压强度的影响主要在前期，后期影响较小；

(2)低温(3 ℃)条件下，水胶比小的水泥净浆水化程度较小，水胶比大的水泥净浆水化程度较大；同一龄期时水胶比小的混凝土抗压强度比水胶比大的混凝土抗压强度大；

(3)低温(3 ℃)对不同水胶比水泥净浆水化程度的影响主要在前期，随着龄期的增长影响程度逐渐减弱；低温(3 ℃)养护条件对水胶比小的混凝土抗压强度影响时期较长；对水胶比大的混凝土抗压强度影响时期较短；

(4)低温(3 ℃)养护条件下三种水胶比混凝土28 d抗压强度相对其标准养护条件下的强度损失为3.2%～6.2%，三种水胶比混凝土后期抗压强度损失很小，低温(3 ℃)延迟了三种水胶比混凝土达到其设计抗压强度的时间，且水胶比越小，延迟时间越长；

(5)水泥的水化程度和混凝土抗压强度的影响因素都为水胶比、温度和龄期，且水化程度与混凝土强度之间有内在的联系，因此可以用水泥的水化程度来反应混凝土抗压强度的变化。低温3 ℃)养护条件下，水化程度大，混凝土抗压强度增长快，水化程度小，混凝土抗压强度增长慢，这种影响程度在前7 d内最明显，随着龄期的增长影响程度逐渐减弱。

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Strength Growth of High Strength Concrete and Its Degree of Hydration under Low Temperature(3 ℃)

DUANYun,WANGQi-cai,ZHANGRong-ling,CHENChuan,ZHANGShao-hua

(School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Studied on the influence law of cement hydration degree and the compressive strength of concrete under the factors of low temperature (3 ℃) curing condition, water binder ratio and ages, as well as the inner link between hydration degree and the compressive strength of concrete by experience. By analyzing the mechanism of cement hydration reaction, the influence factors of cement hydration degree and the compressive strength, it showed that low temperature (3 ℃) has obvious inhibitory effect on the hydration degree and compressive strength of concrete, the first 7 d is the most obvious, and it is weaken with the increase of age. This influence is a chain effect, influence degree is huge. The influence period is longer in low water-binder ratio and shorter in high water-binder ratio. 28 d compressive strength loss of the three kinds of water-binder ratio of concrete is 3.2%-6.2%, low temperature (3 ℃) delayed the reach time of concrete compressive strength of its designed of the three water-binder ratio, and it is increased with the decrease of the water-cement ratio. Degree of hydration and concrete compressive strength own same influencing factors, and their changing rule with the age has a good consistency, therefore the hydration degree can be used in the variation of the compressive strength of concrete.

low temperature;water binder ratio;degree of hydration;compressive strength

国家自然科学基金(51268032) ;长江学者和创新团队发展计划基金项目(IRT1139)

段运(1990-)，男，硕士研究生.主要从事混凝土方面的研究.

王起才，教授，博导.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0012-07