养护材料对混凝土强度、抗裂性与细观结构的影响分析

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(兰州交通大学 a.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室；b.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070)

1 研究背景

混凝土作为目前最主要的建筑材料，广泛应用于铁路、公路、水利、工民建等行业的工程建设中。然而，我国幅员辽阔，各地区气候环境差异巨大，因此混凝土材料在不同地区间的使用往往会表现出一定的差异性。究其原因，这是由于混凝土的性能除了要受到自身的水胶比、掺合料、外加剂等因素的制约外，还会受到养护温度、湿度等环境因素以及养护方式的影响[1-3]。基于此，许多学者研究了特殊环境及不同养护方式下混凝土的性能：谢超等[4]对-3 ℃、3 ℃、标准养护等养护条件下低水胶比混凝土性能的研究表明养护温度对混凝土的强度、气孔结构、抗氯离子渗透性等有很大的影响；李雪峰等[5]研究了低气压环境对混凝土含气量及气泡稳定性的影响，结果表明低气压环境会使混凝土的气泡间距系数明显增大；郭寅川等[6]研究了高寒地区桥梁混凝土的抗氯离子渗透性能；张丰等[7]研究了碳化养护对钢渣混凝土强度和体积稳定性的影响，得到了碳化养护下钢渣粉能够显著提高混凝土的抗压强度、改善混凝土体积稳定性的结论；李美利等[8]探讨了自然环境、水中养护、薄膜覆盖3种养护条件对不同粉煤灰掺量混凝土表面吸水率以及表面层混凝土的电阻率影响；王衍森等[9]则研究了冻结井外壁混凝土的早期强度增长规律，结果表明外壁混凝土的早期强度增长速度快，且沿厚度方向呈现为“表面低、内部高”的分布特征。从以上针对特殊环境及不同养护方式的混凝土性能的影响的研究结果不难发现，与一般环境下的混凝土相比，特殊环境及不同养护方式下的混凝土性能确实表现出了明显的差异。

本文针对干寒、大温差的自然环境采取了多种养护材料对混凝土进行养护，通过对试件抗压强度、抗裂性以及细观结构的研究分析，以期发现较适合此类特殊环境下混凝土的发展的养护材料。

2 试验概况

格库铁路东起青海省格尔木市，西至新疆维吾尔自治区库尔勒市，线路全长1 213.9 km。线路新疆段为跨越台特玛湖区采取“以桥代路”的方式，桥梁全长约24 km。该地区气候类型属典型的大陆型干旱性气候，异常干旱、寒冷、昼夜温差大，平均气温1～3 ℃，白天最高气温能够达到33～35 ℃，夜间最低气温约为-29～-33 ℃，年平均降水量27～43 mm，年平均蒸发量>2 800 mm。

本次试验仪器主要有SYE-2000BS型液压伺服压力试验机、测微仪、放大镜、RapidAir457孔结构分析仪、烘箱等。水泥采用新疆天山水泥股份有限公司生产的P·O 42.5级低碱水泥，成分组成如表1所示；粉煤灰采用巴州泛宇建材科技有限公司生产的I级粉煤灰；粗骨料为碎石，5～20 mm连续级配；引气剂和减水剂均采用中建材中岩科技有限公司生产的引气剂和聚羧酸减水剂；养护剂采用山西三维建材有限公司生产的SX-7型混凝土养护剂；土工布和橡塑板采用普通类型。

表1 水泥原料化学组成Table 1 Chemical composition of cement

注：该表在文献[10]的基础上做了修正

强度测试和圆环法测试混凝土的早期抗裂性的方法均按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行。气孔结构测试采用气孔结构分析仪测试，具体测试方法与文献[4]相同。

试验中配合比采用工程实际配比0.24，坍落度为(180±5)mm，配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete kg/m3

本次试验的养护方式分为自然养护、养护剂养护、橡塑板养护和土工布养护4种。按照混凝土配合比制作试件后，将试件先放入室温为18 ℃的室内带模养护1 d之后脱模，然后按照不同养护条件分别进行养护。

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度

图1给出了不同材料养护下混凝土抗压强度的试验结果。对试验结果分析得，7 d龄期时，养护剂、橡塑板、土工布3种养护材料养护的混凝土抗压强度分别为自然养护下的1.04，1.15，1.07倍；28 d龄期时，这个相对强度比例变为0.91，1.09，1.02倍。不难看出，水胶比一定时，采用养护材料包裹养护的这种形式更有利于混凝土早期强度的发展，并且土工布和橡塑板的养护效果较养护剂要好；随着龄期的增大，采取了养护方式的混凝土强度增长减缓，养护剂养护下的强度值甚至小于自然养护。

图1 抗压强度试验结果Fig.1 Test result of compressive strength

图2 测试龄期内某天的温湿度变化情况Fig.2 Changes of temperature and humidity in one day during test age

混凝土的抗压强度本质上表征的是水泥水化程度，水化反应越快，同龄期内的水化程度越大，混凝土抗压强度就会越高。就橡塑板的养护形式而言，黑色橡塑板吸热会使混凝土所处的温度升高，水化反应速度较快，同龄期内的水化反应程度更大，抗压强度更高。土工布养护形式与此类似，养护材料在一定程度上起到了保温隔热作用，使混凝土处于一个相对恒定的温度范围，促进了混凝土内部的水化反应。自然养护下混凝土外表面直接与空气接触，温度变化速度快、幅度大，低温对水化反应影响更显著，水化反应速度相对较慢，抗压强度也较低。养护剂养护下的混凝土蒸发量小，内部自由水含量高，理论上其水化程度实际上要比自然养护更大，但由于自由水凝结硬化过程中形成的泌水迁移通道更多，导致其抗压强度反而更低。从图1中还可以看出，自然养护与土工布养护的抗压强度值大致相同。这是由于夜间低温时(见图2)，混凝土内部的自由水会结冰发生体积膨胀，产生内应力，对混凝土内部的晶体结构造成不可逆转的破坏[11]，导致抗压强度有一定程度的减小。相较于普通养护形式，“包裹”式的养护方式一方面保障了混凝土内部水化反应速率，同时也在一定程度上防止混凝土内部的自由水结冰，因此抗压强度反而较高。

为了能够了解不同材料养护条件下的混凝土强度增长规律，为施工提供相应的理论指导，利用数据拟合工具对混凝土早龄期抗压强度的增长规律进行了分析。表3是不同材料养护下的混凝土强度拟合结果。从表3中可知，相关系数均在0.99以上，对各龄期而言，最大相对误差在1.07%～2.37%之间。这说明该拟合公式对各种养护方式下的抗压强度均具有良好的拟合性，可以较为准确地反映干寒大温差的特殊环境下混凝土早龄期抗压强度与龄期之间的关系。

表3 强度拟合结果Table 3 Fitting results of compressive strength

注:x是龄期；y是强度；a,b是拟合参数

3.2 抗裂性能

表4是不同材料养护下试件立面的开裂时间及开裂观测结果。从表4中分析可知，养护方式对混凝土的开裂性影响明显，养护剂养护和土工布养护能够明显提高混凝土的抗裂性，而橡塑板养护却恰好相反。与自然养护相比，养护剂、土工布养护下混凝土的初裂时间推迟了4，11 h，橡塑板养护则提前了2.5 h；除橡塑板养护外，其余养护方式的裂缝总条数相较而言均呈减小趋势；此外，就初裂长度、初裂宽度而言，养护剂养护下试件初裂长度、初裂宽度分别减小了10.2%和38.2%，土工布养护下则减小了27.1%和47%，橡塑板养护下初裂宽度较自然养护有所增大，约为80.9%，初裂长度却仅减小了4.4%，同时，裂缝总条数与自然养护下相同。这说明，养护剂、土工布养护方式有利于抑制混凝土的开裂，橡塑板养护则不利于混凝土的抗裂。

表4 裂缝观测结果Table 4 Observation results of cracks

对小体积混凝土而言，硬化过程中的失水收缩是影响其早期开裂的主要因素[12]。在自然养护条件下，混凝土表面水分蒸发量较大，水分迁移程度较高，在混凝土内部形成了较多的毛细孔，使得混凝土内部产生较大的塑性收缩；此外，混凝土内部由于水化放热温度较高，表面温度却较低，形成了较大的温度差，产生了温度应力，而此时混凝土的强度却较低，抵抗拉应力的能力较弱，这也是混凝土开裂的原因之一。橡塑板养护相较于自然养护，虽然温度应力较小，但水化反应快，水化程度高，混凝土内部也会造成局部失水，从而产生较大的塑形收缩，产生较大的拉应力，使得其开裂较为严重。考虑到其初裂时间仅为4.5 h，即在白天时就发生了开裂，因此温度应力对其初裂过程影响并不大。养护剂养护过程中由于混凝土表面的水分蒸发小，失水并不严重，所以混凝土开裂并不严重。土工布养护形式则是减弱了混凝土表面的水分散失，相对减小了混凝土的失水收缩；同时也减弱了混凝土内部水化热产生的温度差，降低了温度应力，最终提高了混凝土的抗裂性。

3.3 细观结构

3.3.1 孔隙率

图3是不同材料养护下混凝土28 d龄期的孔隙率试验结果。

图3 孔隙率试验结果Fig.3 Test results of porosity

从图3中可以看出，养护剂养护下试件的孔隙率较自然养护下有一定程度的增大，约为47.3%，橡塑板、土工布养护则相对有所减小，分别为17.8%,13.1%。这是因为当实际水胶比大于理论上水泥完全水化的水胶比时，混凝土内部的孔径形成是由过量的自由水在凝结硬化过程中形成的泌水通道以及混凝土表面水分蒸发过程中的迁移通道决定的[4]，自由水越多，水分蒸发越快，混凝土的孔隙率就越大。养护剂养护下，虽然水分蒸发速度慢，但混凝土内部的自由水含量最多，凝结硬化过程中形成的泌水通道更多，因此孔隙率最大；橡塑板、自然养护条件下，混凝土蒸发量大，水分蒸发形成的迁移通道较多，自由水凝结硬化的泌水通道则较小，总体来看，其孔隙率较养护剂养护下的混凝土要小；土工布养护下，虽然其蒸发量小，但由于土工布的保温隔热作用，混凝土内部水化程度较高，故其自由水含量并非很大，因此孔隙率与橡塑板的养护形式大致相同。除此之外，由于大温差的特殊环境，夜间低温混凝土内部的水冻结冰，发生体积膨胀，产生冻胀应力，当这种冻胀应力超过混凝土抗拉强度时，也会形成许多微裂缝[13]，这也会对气孔结构的发展有一定的影响。

此外，有研究表明，混凝土的孔隙率与抗压强度之间存在明显的相关关系[14-15]：混凝土的孔隙率越大，其内部的相对受力面积就越小，单位面积承受的压力就越小。这也从细观角度说明：养护剂养护下的混凝土孔隙率最大，抗压强度最小；橡塑板养护下的混凝土孔隙率最小，抗压强度最大。

3.3.2 气泡平均弦长

气泡平均弦长可以用来表征混凝土气泡的孔径分布状态。其值越大，表示混凝土大孔径的孔含量越多，反之则表示小孔含量更多。图4是不同材料养护下混凝土28 d龄期的气泡平均弦长试验结果。

图4 气泡平均弦长试验结果Fig.4 Test results of average chord length

从图4中可以看出，不同养护方式下的混凝土气泡平均弦长从大到小依次为养护剂养护、自然养护、土工布养护、橡塑板养护。这是因为在振捣方式、外加剂等条件相同时，混凝土内部气泡大小与水泥水化程度有很大关系，此外自由水的泌水及蒸发迁移也对气泡间距系数有一定程度的影响。混凝土水化程度越高，孔径就会有朝着小孔径的方向发展的趋势。橡塑板的养护形式水化程度最高，气泡平均弦长最小，土工布次之。养护剂养护下的混凝土水化程度较自然养护更大一些，但其内部自由水迁移等因素对混凝土的影响要大于自然养护下水分蒸发迁移等对混凝土的影响，因此，养护剂养护下的混凝土气泡平均弦长较自然养护下更大一些。这从孔隙率及抗压强度试验结果也能看出来。

3.3.3 气泡间距系数

图5是不同材料养护下混凝土28 d龄期的气泡间距系数试验结果。从图5中可以看出，不同材料养护下混凝土的气泡间距系数也表现出一定的差异，从大到小依次为：橡塑板、自然养护、土工布和养护剂。一般而言，气泡间距系数与气泡含量及气泡大小有关，气泡含量越多，气泡孔径越大，气泡间距系数就会越小。而气泡含量即为混凝土的孔隙率，气泡直径则能通过气泡平均弦长体现出来。养护剂的养护形式孔隙率与气泡平均弦长均最大，气泡间距系数最小；橡塑板的养护形式其孔隙率与气泡平均弦长均较小，气泡间距系数反而最大。此外，夜间低温下水结冰体积膨胀产生的内应力也会造成气泡间距系数在一定程度上增大[11]，于是自然养护下的气泡间距系数较土工布的养护形式更大一些。

图5 气泡间距系数试验结果Fig.5 Test results of void spacing factor

气泡间距系数在物理意义上表示的是混凝土中可冻水在结冰膨胀时向气泡迁移的距离[16]，被认为是决定混凝土抗冻性最关键的指标，并且研究指出当混凝土中气泡间距系数在200～300 μm之间时混凝土具有优良的抗冻性能[17]。因此，通过气泡间距系数可以间接地研究混凝土的抗冻性能。从图5中可以看出，土工布养护形式下混凝土的气孔间距系数在200～300 μm之间，说明土工布养护形式下的混凝土有较好的抗冻性能。

4 结 论

通过对干寒、大温差环境下不同养护方式下混凝土的抗压强度、抗裂性能及其细观气孔结构的分析，得出了以下结论：

(1)相比于自然养护，“包裹”式养护可以在一定程度上消除外界环境带来的影响，相对地提高了水泥水化反应的速率，同龄期内的水化程度更大，因此混凝土抗压强度较自然养护形式要高。此外，夜间低温的养护环境不仅会制约混凝土水化反应速率，混凝土内部的自由水在冻结成冰的过程中也会对混凝土内部的晶体结构造成损伤，对抗压强度造成一定的影响。

(2)小体积混凝土的开裂本质上是混凝土的失水收缩造成的，温度应力也会有一定的影响，因此养护形式对混凝土抗裂性能的影响主要在失水及温度方面。从初裂时间、初裂宽度、初裂长度以及裂缝总条数等方面来说，养护剂、土工布养护能够提高混凝土的抗裂性，橡塑板养护下的混凝土抗裂性最差。

(3)混凝土的孔隙率是由内部的自由水在凝结硬化过程中形成的泌水通道以及表面水分蒸发过程中的迁移通道决定的。自由水含量越多，蒸发速度越快，混凝土的孔隙率就越大；此外，还与混凝土内部自由水的冻结程度有关。就孔隙率而言，养护剂的养护形式最大，自然养护次之，橡塑板与土工布较小。

(4)混凝土的气泡平均弦长与气泡间距系数在一定程度上表征了混凝土的气泡分布状态。前者与混凝土的水化程度有关，后者则是由水化程度、自由水的泌水、迁移及冻胀等因素共同决定的。

(5)通过综合对比分析不同材料养护下混凝土的强度、抗裂性与细观结构，可知土工布养护最适合作为干寒、大温差环境下的混凝土养护材料，其抗压强度、抗裂性及细观结构的分布状态都较自然养护有一定程度的增强。相对而言，橡塑板养护抗裂性较差，养护剂养护形式的力学性能较差。