不同养护温度下混凝土的强度及抗氯离子渗透性试验研究

张少华，王起才,2，张戎令,2，段 运，祁璐帆

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070；2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070)



不同养护温度下混凝土的强度及抗氯离子渗透性试验研究

张少华1，王起才1,2，张戎令1,2，段 运1，祁璐帆1

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070；2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070)

本文主要研究了不同养护温度下混凝土的强度及抗氯离子渗透性。通过测定出标准养护、3 ℃养护、-3 ℃养护以及变温(5→-3 ℃)条件下养护混凝土不同龄期的抗压强度，分析了低、负温养护下混凝土强度增长规律并与标准养护下混凝土强度进行比对得出：养护温度是影响混凝土强度的重要因素，前期养护温度越低，28 d的抗压强度越低；低、负温下养护时，混凝土的强度早期增长比标养下慢，后期增长比标养下快；变温养护下，3 d前强度增长较快，3 d后其强度的增长与-3 ℃养护的混凝土差不多。同时采用直流电量法对这四种养护情况下56 d时混凝土进行了抗氯离子渗透性研究，试验结果表明：养护温度越低，混凝土的抗氯离子渗透性越差。

养护温度； 混凝土； 强度； 渗透性； 水化

1 引 言

混凝土强度和抗氯离子渗透性一直是人们备受关注的问题，强度和抗氯离子渗透性是评判混凝土好坏的重要指标，不少学者一直致力于提高混凝土强度并改善抗氯离子渗透性。我国地域辽阔、气候差异明显，境内存在大量的严寒盐渍地区，混凝土的强度和抗渗问题亟待解决，针对不同的环境，提出相应的措施是非常必要的。因此，研究不同温度下混凝土的强度变化规律及抗氯离子渗透性的影响显得尤为重要。杨钱荣[1]认为与同强度等级的普通混凝土相比，掺粉煤灰混凝土的28 d渗透系数较高，而90 d渗透系数较低，混凝土引气后其抗渗性能有较大幅度的提高.；陈立军等[2]根据Darcy公式和Cantor 方程，研究了混凝土孔径尺寸对其抗渗性的影响，并提出了测试混凝土抗渗性的改进方法和提高混凝土抗渗性的两种途径；过镇海等[3]通过试验测定了一些因素对混凝土的变形、裂缝和强度的影响，探讨了应力-应变全曲线的形状与破坏形态的关系，并给出全曲线方程和必要的参数；叶青等[4]研究了膨胀剂UEA掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响，并得出掺加膨胀剂是一种提高混凝土抗氯离子渗透能力的有效措施；王继宗等[5]在国内外早期推定混凝土强度方法的基础上，提出一种基于人工智能的新的预测办法，建立了多层前馈神经网络模型；方永浩等[6]研究了持续单向压荷载作用对混凝土的水渗透性的影响，并得出混凝土的渗透系数与其抗压强度存在较好的相关性；Methea等[7]认为，相比于孔隙率，孔径分布和连通性更是影响混凝土抗渗性能的重中之重；李俊等[8]采用多元回归分析的方法，建立了再生骨料混凝土强度与水胶比、再生骨料掺量、超细粉煤灰掺量的经验公式；耿健等[9]采用正交设计方法研究了矿物掺合料、轻集料和聚合物复合使用对混凝土电阻率和抗氯离子渗透性能的影响。以上学者从不同的角度出发，为混凝土的强度及抗渗性能的研究做出了突出的贡献，然而大部分研究都是基于标样环境下进行的，对低温、负温养护条件下的混凝土目前研究较少。本文以冬季施工为背景，通过研究低温(3 ℃)、负温(-3 ℃)以及变温(5～-3 ℃)养护条件下混凝土的强度以及抗氯离子渗透性的变化规律，并与标养环境中的进行比对，分析了不同养护温度下混凝土的强度及抗氯离子渗透性的规律，为冬季施工提供了便利。

2 试 验

2.1 试验原材料及仪器

试验中采用的水泥是P·O 42.5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。粗骨料采用连续级配的碎石，粒径范围5～26.5 mm，表观密度为2810 kg/m3，压碎指标8.1%。细骨料采用细度模数为2.7的河砂，属于中砂，表观密度2650 kg/m3，松散堆积密度1690 kg/m3，紧密堆积密度1860 kg/m3，含泥量2.1%。所用减水剂为萘系高效减水剂，水为普通自来水。试验使用的主要仪器有标养室、环境模拟箱、混凝土强度检测仪和氯离子多功能测定仪。

表1 P·O 42.5级硅酸盐水泥性能指标Tab.1 Performance index of P·O 42.5 level portland cement

2.2 试验混凝土配合比

经过试配确定混凝土配合比如表2所示，配制配合比如表2的混凝土进行试验研究。经过测量，新拌混凝土的塌落度和扩展度均在规定范围内，流动性较好。

表2 混凝土配合比Tab.2 Mixture ratio of concrete

2.3 试验方法

2.3.1 混凝土搅拌方法

在室温(20±2) ℃下采用强制式搅拌机搅拌混凝土。先将粗骨料、细骨料和水泥按比例称好，而后依次放入搅拌机中干拌，待搅拌均匀后倒入溶有减水剂的拌合水，再搅拌2 min制成混凝土拌合物。按照《普通混凝土拌合物性能试验方法》(GB/T50080-2002)测定混凝土拌合物的和易性。

2.3.2 养护方法

将混凝土搅拌完毕后振动入模，入模温度控制在18 ℃。入模后，第一组1 d后脱模，放入(20±2) ℃、相对湿度保持在95%的标准养护室内养护，养护至相应龄期进行试验研究，编号为A混凝土；第二组直接放入(3±0.2) ℃的大气模拟箱内带模养护，3 d后脱模，养护至相应龄期进行试验研究，编号为B混凝土；第三组直接放入(-3±0.2) ℃的大气模拟箱内带模养护，5 d后脱模，养护至相应龄期进行试验研究，编号为C混凝土；第四组直接放入初始温度为5 ℃的环境模拟箱中，3 d后脱模，设置其温度每隔12 h变化一次，即5 ℃→3 ℃→-3 ℃，待温度降到-3 ℃后保持不变，一直养护至相应龄期进行试验研究，编号为D混凝土。

2.3.3 强度测试方法

按GB/T50081-2002[10]《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行混凝土立方体抗压强度试验。试件100mm×100mm×100mm的立方体试块，三块为一组，按相应养护条件养护到规定龄期时进行抗压试验。

2.3.4 抗氯离子渗透试验方法

混凝土抗氯离子渗透性测定采用电通量法。参照GB/T50082-2009[11]《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，进行抗氯离子渗透性试验，并记录相关数据。

图1 混凝土强度试验压力机 Fig.1 Concrete strength test presses

图2 抗氯离子渗透性试验Fig.2 Resistance to chloride ion permeability test

3 结果与讨论

3.1 不同养护温度对混凝土强度的影响

在环境模拟箱中，将混凝土养护至规定的龄期后，按规定对混凝土立方体抗压强度进行测试。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。测得的4组混凝土3 d、5 d、7 d、10 d、14 d、28 d和56 d的强度如表3所示。

将测得的数据以龄期为横坐标，以强度纵坐标，得到混凝土强度随龄期的变化曲线如图3所示。

表3 混凝土抗压强度Tab.3 Compressive strength of concrete

图3 不同养护温度下混凝土抗压强度Fig.3 Compressive strength of concrete under different curing temperatures

混凝土之所以会产生强度，是水泥水化的结果。而水泥的水化反应速率很大程度上与混凝土的养护温度有关，当温度较高时水化反应的速率也相对较快[12]。比较四种养护条件下混凝土的强度发展规律得出，7 d前标养下混凝土的强度增长最快，低温下养护的次之，负温下养护的最小，变温下养护的介于负温与低温之间。3 d时3 ℃养护下的B混凝土、-3 ℃养护下的C混凝土和变温(5→-3 ℃)养护下的D混凝土的强度分别为标准养护下A混凝土的0.55、0.30、0.43倍，3 d前A混凝土养护温度最高，水化最快，强度也就最大；B混凝土一直在低温下养护，水化速率较慢，故3 d时的强度仅为A混凝土的55%；C混凝土因为在负温下养护，其水化速率最慢，而且由于部分水结冰使得水化速率进一步变慢，故3 d时C混凝土的强度最低；D混凝土刚开始养护温度较高，水化速率较大，但随着养护温度的降低，水化速率变慢，且负温下混凝土内部的部分水结冰，使得其强度增长变慢，3 d时强度介于B、C混凝土之间。5 d时，B、C、D混凝土的强度分别为A的0.70、0.41、0.50倍，较3 d时A、B、C、D混凝土的强度分别增长了6.8 MPa、10.8 MPa、7.1 MPa和6.6 MPa，A混凝土前三天水化速率特别快，3 d时的强度已达到了41.4 MPa，为28 d强度的70.05%，水化已较为充分，致使其强度增长小于B混凝土；B混凝土由于水化还不充分且养护温度较高，故其强度增长最大；C、D混凝土虽然水化程度较低，但是因为养护温度最低，强度增长也最小。7 d时，B、C、D混凝土的强度分别为A的0.84、0.48、0.58倍，较5 d时A、B、C、D混凝土的强度分别增长了3.15 MPa、9.3 MPa、4.9 MPa和5.6 MPa，因为水化越来越充分，A混凝土的强度增已较为缓慢，B混凝土强度增长开始变慢；C、D混凝土尽管养护温度较低，但因为水化还不充分，故其强度还在缓慢的增长。

由图3的强度增长曲线可以看出，7 d后虽然A、B混凝土的养护温度较高，但它们的水化程度较大，故其强度增长也相对较慢，A、B混凝土7～10 d、10～14 d、14～28 d的强度增长分别为2.05 MPa、2.1 MPa、3.6 MPa和6.3 MPa、3.1 MPa、4 MPa。7 d后C、D混凝土的养护温度虽然较低，但它们水化还不充分，故其强度增长也相对较大，C、D混凝土7～10 d、10～14 d、14～28 d的强度增长分别为5.7 MPa、5.4 MPa、7.8 MPa和5.1 MPa、4.7 MPa、9 MPa。28 d时，A、B混凝土因为其水化程度已经很大，故其强度增长很慢，到56 d时强度仅仅分别增长了4.15 MPa和4.8 MPa；C、D混凝土因为水化程度较小，56 d时强度分别增长了10.8 MPa和8.6 MPa。

标准养护下的混凝土，3 d前强度增长最快，3 d时的强度已为28 d强度的70.05%，7 d后其强度增长较为缓慢；3 ℃下养护的混凝土7 d之前强度发展最大，7 d后强度增长变缓，14 d后强度增长缓慢；-3 ℃下养护的混凝土因为养护温度最低，其强度增长一直较慢，14 d前强度增长较快，14 d后强度增长变缓但高于同龄期时标养和低温下养护的混凝土；变温养护下的混凝土刚开始养护温度较高，其强度增长也较快，3 d时的强度与3 ℃养护下的混凝土仅相差5.2 MPa，3 d后随着养护温度的降低其水化速率也变慢，强度增长与-3 ℃下养护的混凝土类似。这说明，低温养护对混凝土的早期强度有一定的影响，对后期强度影响较小；而负温下养护则对混凝土整个试验龄期内强度的增长有较大的不利影响。这是因为在低温下养护时，混凝土的养护温度较低，导致混凝土内部的早期温度也比较低，内部水化反应的速率变慢，到相应龄期时相比标准养护下混凝土的水化程度较低，从而导致其早期强度的增长相比标养下的混凝土较慢；而随着龄期的增长，混凝土的水化已较为充分，内部的未水化的水泥颗粒已不多，温度对水化程度的影响不大，所以其后期强度与标准养护的已相差不大，56 d时仅差2.2 MPa。混凝土在负温下养护时，养护温度较低，混凝土内水的粘滞阻力相对低温养护较大，导致水化速率更慢，而且负温下养护时，水的冰点会降低，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，因此，混凝土内部分自由水会结冰[13]，这一方面影响了混凝土的水化反应，另一方面因为水结冰后体积膨胀，在混凝土内部产生内应力并形成微裂缝，使得混凝土内部结构变得疏松、不密实，从而导致其强度较低。

3.2 不同养护温度对混凝土抗氯离子渗透性的影响

将试件养护至56 d，然后按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，用直流电量法对混凝土的抗氯离子渗透性进行测试，测得电通量的结果如图4所示。

图4 不同养护温度下混凝土的电通量Fig.4 Electric flux of concrete under different curing temperature

从图4可得，在标准养护下养护56 d混凝土A的电通量为1144 C；在3 ℃养护下混凝土B的电通量为1750 C；在-3 ℃养护下混凝土C的电通量为1967 C；在变温(5～-3 ℃)养护下混凝土D的电通量为1842 C。以A混凝土为基准，B、C、D混凝土的电通量分别是A的1.53、1.72和1.61倍。三种低、负温养护的混凝土中，负温条件下养护混凝土的电通量最大，变温条件下养护混凝土的电通量次之，低温条件下养护混凝土的电通量最小。混凝土的抗氯离子渗透性一定程度上受水化程度的影响，水化越充分，混凝土的结构越密实，其电通量越小，抗氯离子渗透性也就越好。而温度对混凝土的水化速率有很大的影响，温度越低，水化反应的速率越慢。56 d时，标准养护下混凝土的水化程度最大，3 ℃养护的次之，-3 ℃养护的最小，变温养护的介于低温负温之间。所以，-3 ℃养护下混凝土的抗氯离子渗透性最差，标准养护下混凝土的抗氯离子渗透性最好，低温和变温养护下混凝土的抗氯离子渗透性介于标准养护和负温之间，且低温下养护的混凝土要优于变温下养护的。

将图4中A、B、C、D混凝土的电通量进行对比可得：低、负温养护下混凝土的电通量整体比标准养护下的混凝土大，又由图3 可知，变、负温养护下混凝土虽然前期强度增长较慢，但后期强度增长快，56 d时与标准养护和低温下养护混凝土的强度相差无几。由此可得，低、负温下养护的混凝土，与强度增长相比，56 d时混凝土的抗氯离子渗透性改善不大，与标准养护下的混凝土差距仍然很大。这说明混凝土的电通量除了受水化程度的影响外，还受很多因素的影响，如混凝土内的孔径分布、孔间距和平均孔径的大小等。

4 结 论

(1)3 ℃养护下混凝土7 d前强度增长最大，14 d后强度增长缓慢；-3 ℃养护下混凝土的强度增长始终比较缓慢，14 d前强度的增长相对较大，14 d后强度增长变缓但要高于同龄期下标养和低温下养护的混凝土，28～56 d其强度仍然有较大幅度的增长；变温养护下混凝土的强度3 d前增长相对较快，3 d后强度的增长趋势与-3 ℃养护下的混凝土类似;

(2)养护温度对混凝土的抗氯离子渗透性有较大的影响：负温养护下混凝土的抗氯离子渗透性最差，标准养护下的最好，低温和变温养护下混凝土的抗氯离子渗透性介于标准养护和负温养护之间，且低温条件下养护混凝土的抗氯离子渗透性要优于变温条件养护的。

[1] 杨钱荣.掺粉煤灰和引气剂混凝土渗透性与强度的关系[J].建筑材料学报,2004,(04):457-461.

[2] 陈立军,王永平,尹新生,等.混凝土孔径尺寸对其抗渗性的影响[J].硅酸盐学报,2005,(04):500-505.

[3] 过镇海,张秀琴,张达成,等.混凝土应力-应变全曲线的试验研究[J].建筑结构学报,1982,(01):1-12.

[4] 叶 青,汪佳佳,马成畅,等.UEA掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响[J].建筑材料学报,2005,(02):192-196.

[5] 王继宗,倪鸿光,何锦云,等.混凝土强度预测和模拟的智能化方法[J].土木工程学报,2003,(10):24-29.

[6] 方永浩,李志清,张亦涛.持续压荷载作用下混凝土的渗透性[J].硅酸盐学报,2005,(10):106-111.

[7] Mehta P K,Paulo J M.Concrete Microstructure,Properties,and Materials [M] .[S.l.]：McGraw-Hill Professional,2006.

[8] 李 俊,尹 健,周士琼,等.基于正交试验的再生骨料混凝土强度研究[J].土木工程学报,2006,(09):43-46.

[9] 耿 健,丁庆军,孙炳楠,等.高阻抗高抗渗混凝土及其微结构特征[J].硅酸盐学报,2010,(04):638-643.

[10] GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[11] GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].

[12] 施惠生,黄小亚.硅酸盐水泥水化热的研究及其进展[J].水泥,2009,(12):4-10.

[13] 段 运,王起才,张戎令,等.负温(-3 ℃)养护下混凝土抗压强度增长试验研究[J].硅酸盐通报,2016,35(01):244-249.

Experimental Study on Concrete Strength and Resistance to Chloride Ion Permeability under Different Curing Temperature

ZHANGShao-hua1，WANGQi-cai1,2，ZHANGRong-ling1,2，DUANYun1，QILu-fan1

(1.College of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Road and Bridge Engineering Disaster Prevention and Control Technology National Local Joint Engineering Laboratory,Lanzhou 730070,China)

This paper studies the strength and resistance to chloride ion permeability of concrete under different curing temperatures. By measuring the compressive strength of concrete at different ages cured under the standard curing condition, 3 ℃ curing, -3 ℃ curing and variable temperature(5 ℃→-3 ℃) curing, analysis the strength growing rules of concrete cured under low and negative temperature, compared to the concrete cured under the standard curing condition finds out that, curing temperature is an important factor of the concrete's strength, the lower the pre-curing temperature, the lower the compressive strength of concrete at 28 d, while concrete cured under low and negative temperature, its early strength increase slower than the concrete cured under the standard curing condition, its later strength increase faster than it, while concrete cured under variable temperature, its strength increase faster before 3 d, and its strength increase nearly to the concrete cured under -3 ℃ after 3 d. DC method was used to study the resistance to chloride ion permeability of concrete cured under four different temperatures at 56 d, the results show that the lower the curing temperature, the worse the resistance to chloride ion permeability of concrete.

curing temperature;concrete;strength;permeability;hydration

国家自然科学基金(51268032)；教育部长江学者和创新团队发展计划滚动支持(IRT15R29) ；陇原青年创新人才扶持计划；青年人才托举工程支持

张少华(1991-)，男，硕士研究生.主要从事混凝土方面研究.

王起才，教授、博导.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2486-06