负温(-3 ℃)养护下混凝土抗压强度增长试验研究

段　运，王起才，张戎令，代金鹏，徐瑞鹏

(兰州交通大学土木工程学院，兰州　730070)



负温(-3 ℃)养护下混凝土抗压强度增长试验研究

段运，王起才，张戎令，代金鹏，徐瑞鹏

(兰州交通大学土木工程学院，兰州730070)

本实验主要研究负温(-3 ℃)养护条件、水灰比、龄期对混凝土抗压强度的影响规律。通过测定持续负温养护条件和标准养护条件下三种水灰比(0.24、0.31、0.38)混凝土试块在不同龄期下的抗压强度值，分析混凝土强度增长机理和抗压强度影响因素，得出负温养护条件对三种水灰比混凝土抗压强度增长有明显的抑制作用，前7d内影响最明显，随着龄期的增加影响逐渐减弱，而且对水灰比为0.24的混凝土抗压强度造成了不可恢复的损伤；低水灰比由于水含量的不足导致其后期混凝土抗压强度较低，高水灰比会由于混凝土内部结冰量较大，体积发生膨胀形成微裂缝，导致其后期抗压强度不高，故存在着与养护温度对应的最优水灰比。

负温； 水灰比； 龄期； 抗压强度； 最优水灰比

1　引　言

混凝土是由水泥、骨料和水共同组成的复杂多相聚集体。从宏观结构上看，可以把混凝土看成是连续相的水泥浆和离散相的嵌入在水泥浆中的骨料颗粒所组成的复合材料[1]，从微观结构上看，混凝土是由水泥凝胶、氢氧化钙结晶、未水化的水泥颗粒、胶凝孔隙、毛细管、孔隙水以及气泡等组成[2]。青藏铁路中跨越温度极不稳定且高含冰量冻土区“以桥代路”的桥梁，大多数都采用钻孔灌注桩基础[3,4]。青藏铁路沿线的冻土年平均温度维持在0～-3.5 ℃[5,6]，而建设过程中混凝土的入模温度一般控制为2～10 ℃[7]。巴恒静等[8]测出了基准混凝土在负温下的早期冻胀应力并得出早期冻胀应力及强度的发展规律；杨少伟等[9]对负温、自然变负温及转正温标养下混凝土动弹性模量与抗压强度的变化规律以及损伤程度做了研究；镡春来等[10]测出了基准混凝土在负温下的早期冻胀应力并研究了早期冻胀应力对混凝土强度及抗冻性能的影响；杨英姿等[11]认为高防冻组分的防冻剂能够促进自然变负温养护下混凝土强度的持续增长也抑制了标准养护条件下混凝土后期强度的增长；周梅等[12]从理论上探讨了外加剂及掺合料对负温混凝土的作用机理并指出复合外加剂及掺合料是制备负温混凝土的技术关键。以上学者从不同角度研究了负温养护条件下混凝土的性能，但大部分研究都基于普通混凝土，对高强混凝土性能研究较少。试验以冻土地区、北方冬季施工地区为背景，主要研究负温(-3 ℃)条件下不同水灰比混凝土立方体抗压强度，得出负温环境下不同水灰比混凝土抗压强度随龄期变化的规律，分析负温下混凝土抗压强度损失的原因，进而为负温混凝土施工技术以及多年冻土区和冬季施工区混凝土强度提供理论依据。

2　试　验

2.1试验方案

混凝土强度试验根据养护条件和水灰比的不同分为F1、F2、F3、F4、F5、F6六个试验组。前三组F1、F2、F3混凝土的水灰比分别为0.24、0.31、0.38，在环境模拟箱中养护完成，入模温度控制在18 ℃，养护温度控制在(-3±1) ℃，养护湿度控制在85%以上；后三组F4、F5、F6混凝土的水灰比分别为0.24、0.31、0.38，在标准养护室中养护，入模温度控制在20 ℃，养护温度控制在(20±1) ℃，养护湿度控制在95%。在持续负温(-3 ℃)养护条件下和标准养护条件下养护至3、5、7、10、14、21、28、56、128d时依据GB/T50081—2002[13]对混凝土立方体抗压强度进行测试。

2.2试验仪器和原材料

本试验仪器包括：环境模拟箱、标养室、温度自动巡检仪、铂电阻温度传感器、压力试验机等。环境模拟箱有效尺寸6m×3.5m×2.2m(长×宽×高)。温度范围：-20～80 ℃，升/降温速率最大≥1 ℃/min，温度变化可实现温度荷载编程，温度波动度≤±0.5 ℃；温度均匀度≤2 ℃。湿度范围：10%～90%RH；湿度偏差±5%RH(≤75%RH)。

图1　环境模拟箱Fig.1　Environment simulation cabin

图2　温度自动巡检仪Fig.2　Automatic temperature recorder

试验中水泥采用P·O42.5的普通硅酸盐水泥，兰州甘草水泥集团生产。水泥各项性能指标实测值见表1，混凝土配合比见表2。

细骨料：河砂，细度模数为2.67，属于中砂，表观密度2643kg/m3，松散堆积密度1625kg/m3，紧密堆积密度1785kg/m3，含泥量3.4%。

粗骨料：碎石，连续级配，粒径范围5～26.5mm，表观密度2798kg/m3，压碎指标6.7%。

减水剂：聚羧酸高性能减水剂。

表1　P·O 42.5级硅酸盐水泥性能指标

表2　混凝土配合比

2.3试验步骤

原材料各项指标测定完之后，依据混凝土配合比进行称料搅拌，每个水灰比下的混凝土由专业搅拌机一次搅拌完成，试验时室内温度为18 ℃，湿度为86%。试块尺寸为100mm×100mm×100mm，试模水平放置后灌入混凝土，经振动台振捣60s后抹平表面。标准养护下的混凝土试块先在室内(1d内平均气温为18 ℃)带模保水养护1d，然后脱模放入标准养护室养护；负温(-3 ℃)养护条件下的试块带模放入环境模拟箱中保水养护。混凝土试块在两种养护条件下养护至所需龄期依据GB/T50081—2002对其3、5、7、10、14、21、28、56、128d的立方体抗压强度进行测试,每个龄期下的试验组试块3个，试验数值取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，应舍去该值，试验结果取剩余试块结果平均值。

3　结果与讨论

六组混凝土试块在不同龄期下的立方体抗压强度值见表3。

表3　混凝土抗压强度

3.1水灰比对混凝土抗压强度的影响

负温和标准养护下不同水灰比混凝土抗压强度随龄期的变化关系曲线见图3和图4。由表3和图3、图4的试验结果可知，相对于标准养护条件，持续负温(-3 ℃)养护条件对三种水灰比混凝土抗压强度的增长有明显的抑制作用。首先，负温(-3 ℃)养护条件下三种水灰比的混凝土早期(前7d内)抗压强度增长速率快，呈线性增长趋势，7d之后抗压强度增长速率开始变缓，随着龄期的增大，变缓程度越明显。

其次，由图3可知，在前12d内，水灰比小的混凝土抗压强度相对较高，符合常规的混凝土抗压强度变化规律，12d之后水灰比为0.31的混凝土抗压强度开始超过水灰比为0.24的混凝土抗压强度，并且在128d时仍高于水灰比为0.24的混凝土抗压强度，但水灰比为0.24的混凝土抗压强度在整个龄期内都高于水灰比为0.38的混凝土抗压强度。水灰比的不同，主要体现在单位水泥周围水含量的不同，水灰比小，单位水泥颗粒周围的水含量就少。尽管这三种水灰比都能完全满足水泥完全水化的理论需水量，但是水含量的多少会直接影响水泥的早期水化程度[14]，进而影响到早期混凝土的抗压强度。负温(-3 ℃)环境下，温度较低，混凝土中大部分水已接近冰点，水的粘滞性大大增加，水泥水化反应进行缓慢，水化程度较低，混凝土早期抗压强度较低，随着龄期的增加，水化反应的进行，水化程度增大，混凝土抗压强度增大，混凝土早期结构基本形成。对于水灰比为0.24的混凝土，由于水灰比值较小，本身含水量较少，外界环境虽然采取了保湿处理，但相对于混凝土内部的湿度仍然较低，这样混凝土内部的一小部分水分由于湿度的差异会散失到混凝土周围空气中，由于混凝土试块处于负温环境中，散失的水分子遇冷凝华成固体小冰晶，又导致混凝土内外湿度不平衡，水分子又从混凝土内向周围环境转移，形成连锁反应，随着水化反应的进行，部分水已经发生水化反应，未水化的水含量减少，且由于处于负温环境下，一部分水会形成小冰晶，无法直接参与水化反应，这样真正未水化的自由水含量就会变得很少，随着混凝土养护龄期的增加，水灰比为0.24的混凝土内部提供水泥继续完全水化的自由水含量已经不足，从而严重影响水化反应的进行，使水泥水化程度降低，混凝土抗压强度增长很缓慢，中后期混凝土由于水的不足而使其抗压强度相对于标准养护条件下同水灰比混凝土强度变得很低。水灰比为0.38的混凝土，由于水灰比较大，本身抗压强度低，内部未水化的自由水含量又较大，在负温(-3 ℃)条件下，混凝土内部结冰量较大，水结冰以后体积发生膨胀，内部形成冻胀应力[15]，在形成冰晶的周围应力集中，而早期混凝土强度很低，冻胀应力超过此时混凝土的抗拉强度值，形成许多微裂缝，已结冰的水会推动未结冰的水沿着这些裂缝迁移，在裂缝中继续结冰，进而促进了裂缝的扩展，并且这些裂缝在后期养护中是无法愈合的[16]，0.38水灰比的混凝土内可进行迁移的水含量又较多，因此，不可恢复的裂缝数量较多，从而使混凝土的抗压强度降低。水灰比为0.31的混凝土介于两者之间，既能满足后期水泥水化需水量的需求，也能有效的降低不可恢复裂缝的产生，因而合理的解释了其后期抗压强度最高的原因。

图3　负温养护下不同水灰比混凝土抗压强度Fig.3　Compressive strength of different water cement-ratio under minus temperature

图4　标准养护下不同水灰比混凝土抗压强度Fig.4　Compressive strength of different water cement-ratio under standard temperature condition

最后，负温(-3 ℃)养护条件下三种水灰比混凝土28d的抗压强度都比较低，水灰比为0.24、0.31和0.38的混凝土抗压强度分别为40.1、43.4和34.7MPa，分别达到了其标准养护条件下28d抗压强度的58.8%、75.6%和78%。表明负温(-3 ℃)养护对三种水灰比28d的抗压强度有明显的抑制作用，尤其对水灰比为0.24的混凝土抗压强度影响程度最大。

3.2养护温度对混凝土抗压强度的影响

图5、图6和图7分别为三种水灰比混凝土在持续负温(-3 ℃)养护条件下和标准养护条件下的抗压强度与时间的关系图，从这些图中可以分析出不同养护条件对混凝土抗压强度的影响。

图5　0.24水灰比混凝土抗压强度Fig.5　Compressive strength of 0.24 water-cement ratio concrete

图6　0.31水灰比混凝土抗压强度Fig.6　Compressive strength of 0.31 water-cement ratio concrete

图7　0.38水灰比混凝土抗压强度Fig.7　Compressive strength of 0.38 water-cement ratio concrete

由图5、图6和图7可以看出，标准养护条件下三种水灰比的混凝土抗压强度在前5d内增长非常快，可以达到较高的值，抗压强度增长速率呈直线型增长，5d之后混凝土抗压强度增长速率开始变缓，随着龄期的增加，抗压强度趋于稳定。负温(-3 ℃)养护条件下，三种水灰比下的混凝土抗压强度在前7d内增长速率较快，但明显低于标准养护下的增长速率。在试验所设定的所有龄期内，同一龄期下三种水灰比的混凝土在负温(-3 ℃)养护条件下的抗压强度都明显低于对应的标准养护条件下混凝土抗压强度，而这两种养护条件下抗压强度的差值会随着龄期的增大而逐渐的减小，说明负温养护条件对三种水灰比混凝土抗压强度的增长在整个养护龄期内都有明显的影响。这是由于外部压力发生变化、水中溶有空气时，水的冰点都会发生改变[17]，随着水化反应的进行，水泥石中会形成多种盐类，而盐类的加入也会使水的冰点降低， 而且由于冰晶引起基模势或渗透势的变化，未冻水会向冻区运动[18,19]，因此，在-3 ℃时，混凝土中的自由水部分结冰，部分与水泥发生反应，大大降低了水泥的水化程度；混凝土中部分水结冰体积发生膨胀，在混凝土内部产生内应力，使混凝土内部结构变得疏松、不密实[20]；并且随着水化反应的进行，自由水迁移、泌出所造成的气孔含量也相应的增多，部分小的气孔会连通合并成大的气孔，所以在负温下养护，混凝土的抗压强度变得很低。

以标准养护条件下混凝土28d的抗压强度值作为基准计算两种养护条件下三种水灰比混凝土抗压强度的增长程度，具体数值见表4。由表4可以看出负温(-3 ℃)养护条件下三种水灰比(0.24、0.31、0.38)混凝土128d的抗压强度都没达到标准养护条件下28d的强度值,此时的强度损失分别为28.4%、5.6%和7.2%，表明负温(-3 ℃)养护条件，对三种水灰比的混凝土抗压强度增长的抑制作用时期比较长，而且水灰比越小，抑制时期越长。

表4　混凝土抗压强度增长程度

水灰比为0.24的混凝土抗压强度在128d时只达到标准养护28d的71.6%，远低于水灰比为0.31和0.38混凝土达到其标养的百分比，说明负温(-3 ℃)对水灰比为0.24的混凝土抗压强度不是简单的抑制作用，而是由于其内部水含量缺失，外界的水分又很难进入到混凝土内部，水化不完全造成一定程度的损伤，从而导致其后期抗压强度不可能达到设计强度值。因此负温养护条件下存在着与之对应的最优水灰比，即该养护条件下能达到最高设计强度的水灰比，小于最优水灰比时，混凝土会因为缺水而达不到设计强度，大于最优水灰比时，会因为水灰比本身太大和混凝土内少部分水结冰产生裂缝，混凝土不密实使其达不到最高设计强度。

4　结　论

(1)负温(-3 ℃)养护条件下三种水灰比混凝土28d的抗压强度都比较低，水灰比分别为0.24、0.31和0.38的混凝土抗压强度分别为40.1、43.4和34.7MPa，分别达到了其标准养护条件下28d抗压强度的58.8%、75.6%和78%，说明负温(-3 ℃)养护对三种水灰比混凝土抗压强度的增长有明显的抑制作用，尤其对水灰比小的混凝土抗压强度影响最大；

(2)负温(-3 ℃)养护条件对混凝土早期抗压强度增长的影响最为显著，随着龄期的增长，这种影响会逐渐减弱，但对水灰比为0.24混凝土抗压强度明显造成了一定程度的不可恢复的损伤；

(3)负温下(-3 ℃)参与水化反应的水含量多少直接影响混凝土抗压强度的增长，低水灰比(0.24)由于水含量的不足导致其后期混凝土抗压强度很低，高水灰比(0.38)会由于混凝土内部结冰量较大，体积发生膨胀，形成许多微裂缝，导致其后期抗压强度不高；

(4)负温养护条件下，并不是水灰比越小，混凝土抗压强度就越高，存在着与养护温度对应的最优水灰比，即该养护条件下能达到最高设计强度的水灰比。

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CompressiveStrengthGrowthofMinusTemperature(-3 ℃)CuringConcrete

DUAN Yun,WANG Qi-cai,ZHANG Rong-ling,DAI Jin-peng,XU Rui-peng

(SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

Thisexperimentstudiesconcretecompressivestrengthchangingruleunderthreedifferentcircumstances,namely,minustempe-raturecuring(-3 ℃),water-cementratioandage.Bymeasuringconcretecompressivestrengthofconcretetestcubesindifferentagesunderasustainedminustemperatureandthreewater-cementratiorangefrom0.24, 0.31to0.38,wecancometoaconclusionthatminustemperaturehasanobviousinhibitoryeffectonconcretecompressivestrengthofthosethreedifferentwater-cementratio.Theeffectgoeshighestwithinthefirst7d,withtheincreaseofage,theinfluencedecreases,anditmakesirreversibledamagetoconcretecompressivestrengthwithacorrespondingwater-cementratioof0.24.Lowwater-cementratioduetolackofwatercontentledtoitslatecompressivestrengthofconcreteisverylow,whilehighwater-cementratioconcreteduetoalargeamountofinternalicing,micro-cracksformationappearbecauseofvolumeswell,resultingnotsohighcompressivestrengthinlaterperiod.Thereisacorrespondingoptimalcuringtemperatureandwater-cementratio.

minustemperature;water-cementratio;age;compressivestrength;optimalwater-cementratio

国家自然科学基金(51268032);长江学者和创新团队发展计划(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)01-0244-06