极旱、大温差地区养护方式对混凝土桥墩性能的影响

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(1.甘肃省交通运输厅，兰州 730050；2.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；3.甘肃路桥建设集团有限公司，兰州 730030)

1 研究背景

随着国家经济的不断发展，国家在基础交通建设中投入了大量的资金及人力，“一带一路”的大力推进使西北地区的交通建设达到了高峰期。与此同时，随着高性能混凝土的出现及先进的施工工艺、新型设备及新材料的丰富，混凝土在建设过程中被大量使用。西北地区大多为极旱、大温差气候条件，加之西北地区又多为盐渍冻土，含有较多的盐类，如硫酸盐和氯盐，在这种环境下施工的混凝土桥墩在浇筑结束后就可能产生裂缝，甚至出现大面积的龟裂。而开裂后的裂缝渗入易造成腐蚀性介质和水分侵入，将导致混凝土劣化、钢筋锈蚀，使混凝土耐久性降低，进而缩短结构的使用寿命[1]，严重影响了混凝土结构的安全性和耐久性。如果养护不及时或不到位可能造成混凝土抗渗性下降，引发一些耐久性的问题。目前，对这种环境下混凝土桥墩的合理养护方式和养护天数的研究较少，且已在使用的一些养护方式对混凝土耐久性和微观孔结构的影响尚不明确，因此研究极旱、大温差地区养护方式对混凝土桥墩的影响有其必要性。

目前，谢超等[2-3]学者研究了不同水灰比、养护条件下混凝土孔结构、抗压强度与分形维数间的关系；刘竞等[4]、殷惠光等[5]详细地研究了养护措施和养护时间对掺与不掺矿渣混凝土性能的影响；张戎令等[6]、李舟等[7]、周立霞[8]对西北地区严酷环境条件下混凝土桥墩养护的问题进行了深入的研究；刘军等[9]、赵霄龙等[10]、张明等[11]学者对混凝土材料孔结构及孔结构与渗透性能间的关系进行研究。关于在极旱、大温差气候条件下，养护条件和养护天数对混凝土桥墩的抗渗性、微观孔结构的影响的研究较少。选择合理的养护天数、了解不同养护方式下混凝土耐久性与孔结构间的关系，是个值得研究的问题。因此，本文研究了不同养护方式及不同养护天数下混凝土桥墩强度、抗渗性及微观孔结构之间的关系。

2 试 验

2.1 混凝土配合比

采用C35混凝土，水胶比为0.4,具体配合比见表1。

表1 每1 m3混凝土质量配合比(C35)Table 1 Mass proportion of concrete per 1 m3(C35)

2.2 试验材料检测结果

水泥、粗骨料、细骨料、水的性能指标分别见表2—表5。

表2 水泥性能指标Table 2 Indicators of cement performance

表3 粗骨料的性能指标Table 3 Indicators of coarse aggregate performance

表4 细骨料的性能指标Table 4 Indicators of fine aggregate performance

表5 水的性能指标Table 5 Indicators of water performance

混凝土强度等级为 C35，根据表2 可知试验所用水泥的各项指标均符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)中的技术要求；根据表2及表3可知，天然砂、粗集料各项指标均符合《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)的要求；表4中所用水的各项指标均符合混凝土拌合标准。

图1 不同养护方式下的桥墩Fig.1 Bridge pier maintained by different methods

2.3 试验方案

2.3.1 养护方式

采用土工包裹养护(TG)、新材料包裹养护(一种保温保湿材料，相对土工布保湿效果较好)(XL)、自然养护(ZR)[12-13]3种养护方式来研究不同养护方式对试验桥墩的影响。土工布包裹养护、新材料包裹养护分别选用养护7，14，28 d，养护结束后将试验桥墩放置于大气之中，共计制作桥墩7个，见图1。同时制作了标准养护(BZ)下的立方体试块，用于与其他养护方式进行各项性能的对比分析和研究。

2.3.2 测试取样

对不同养护方式下的混凝土桥墩在龄期28时进行强度回弹，记录其强度发展规律。在龄期28 d时对所有试验桥墩进行钻心取样(图2)，测试其抗渗性(图3(a))及微观孔结构(图3(b))的变化，并分析微观孔结构与抗渗性及强度的关系。

图2 混凝土桥墩钻心取样Fig.2 Coring of concrete pier

图3 混凝土抗渗性测试及微观孔结构测试Fig.3 Test of impermeability and micro-pore structure of concrete

2.4 试验方法

2.4.1 强度测试

参与试验的各组混凝土试验桥墩都是根据表1中的配合比及表2—表5的原材料一次性制作成直径1.4 m、高1.6 m的桥墩。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)测试混凝土桥墩强度。

2.4.2 微观孔结构测试

本试验选用气孔分析(Rapid Air457) 对孔结构进行测试。将取到的样品切割成厚度为1～2 cm的试件，经打磨、抛光、清洁、喷色并涂抹氧化锌，待干燥后擦去表面氧化锌放入试验台测试。在测试软件中，输入水胶比、测试范围、阈值等参数，并用模板标定尺寸后，由硬化混凝土气孔结构分析仪自动采集数据。

2.4.3 抗氯离子渗透试验

混凝土抗氯离子渗透性测定方法采用加速渗透法中的ASTMC1202直流电量法，即电通量法。参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)，将样品制成100 mm×50 mm的圆柱体试件。试验前进行真空饱水，试验时在试件轴向施加60 V直流电压，试件的正、负极两侧的试验槽内分别放置浓度为0.3 mol/L的NaOH溶液和质量分数为3%的NaCl溶液，记录6 h内通过试件的总电量。

3 试验结果及分析

3.1 强度分析

根据图4(a)可知，TG与XL均养护7 d时，28 d龄期时强度分别达到38.42 MPa及39.15 MPa。以BZ养护下28 d龄期时的强度为基准，ZR,XL7,TG7分别是它的78.32%,87.93%,86.29%，按照保温保湿效果的优劣顺序，强度呈现出递减的趋势。根据图4(b)分析可知，TG与XL均养护14 d时，28 d龄期时强度分别达到41.06 MPa及41.78 MPa，比养护7 d时分别增加了6.71%及6.87%，说明保温保湿措施越好，对后期强度的增长越有利。根据图4(c)可知，XL与TG均养护28 d时，两者在龄期28 d时强度分别达到了42.95 MPa及43.02 MPa，相对养护7 d时的强度，XL28与TG28分别增加了11.7%及9.8%。以养护28 d龄期的强度为基准，XL28,TG28,ZR养护分别是它的94.67%和96.63%。ZR养护下的强度只有34.87 MPa，是BZ养护下的78.32%，说明极旱、大温差环境对混凝土桥墩影响极为严重，因此在此环境下应加强混凝土养护。

图4 养护不同天数时混凝土28 d强度Fig.4 The 28d strength of concrete cured for different ages

随着养护天数的增加，不同养护方式下的混凝土桥墩的强度不断增加，养护天数为7 d时强度达到标准养护下的85%以上，而养护14 d时强度达到标准养护的92.22%。从此数据看，后期增长的幅度明显小于早期强度增长速度，说明在这种极旱、大温差地区早期养护至关重要。因此应该加强早期的养护，防止混凝土强度损失。随着保湿的效果增强，养护强度发展趋势越来越好，因此在这种特殊环境下应该选择保湿效果较好的养护方式进行养护。而随着养护天数增加，强度的增加速度明显下降，养护14 d时强度就可达到要求，因此建议养护天数不宜过长，选择养护14 d左右即可。

3.2 抗渗性分析

混凝土抗渗性历来是混凝土构件检测的重要指标，抗渗性能的考查是保证混凝土结构使用年限的重要步骤。因此，对不同养护方式下及不同养护天数下混凝土抗渗性进行了测试和分析，以期得到的结论能给施工提供一些理论指导和帮助。

根据图5(a)可知，TG与XL均养护7 d时的电通量分别达到了2 256.78 C及2 189.69 C。以BZ养护下混凝土电通量为基准，ZR,TG7,XL7分别是其的1.38倍、1.34倍、1.30倍。造成此现象的原因是，养护方式越差，早期水泥水化反应就越差，导致混凝土内部存在的自由水就越多，而自由水的存在使得混凝土产生更多的连通的孔。同时，由于后期养护无法提供水化反应所需的湿度及温度要求，致使混凝土水化反应产物难以充分填充内部的孔，从而也导致其抗渗性下降。

图5 养护不同天数时混凝土电通量Fig.5 Electric flux of concrete cured for different ages

根据图5可知，随着养护天数的增加，混凝土的电通量不断减小，TG7,TG14,TG28分别是BZ的1.34倍、1.25倍、1.17倍，而XL7,XL14,XL28分别是BZ养护下的1.30倍、1.23倍、1.13倍。TG不同养护天数下分别是XL养护的1.03倍、1.01倍、1.04倍，说明TG养护下混凝土的抗渗性低于XL养护下的抗渗性。因此，在这种特殊环境下养护方式的保湿效果越好，混凝土的抗渗性越好。而ZR下的混凝土的电通量为2 329.78 C,是BZ养护下的1.38倍，说明特殊的气候环境对混凝土的抗渗性影响极大。因此，在这种极旱、大温差环境下应加强对混凝土的养护，防止混凝土抗渗性不足而导致混凝土结构安全难以保证。

3.3 微观孔结构分析

3.3.1 孔径分布

混凝土作为一种由凝胶材料将集料胶结成整体的工程复合材料，在制作开始到成型的过程中均有孔的形成。组成混凝土的粗细骨料自身含有孔隙和裂缝；其次，水泥石的收缩、温度变化、成型条件等因素所引起的大孔洞、微裂缝等缺陷，很有必要研究混凝土孔结构。我国吴中伟教授等[14]对混凝土的孔级划分如下:孔径<20 nm的孔为无害孔，孔径20～50 nm的孔为少害孔，孔径在50～200 nm的孔为有害孔，孔径>200 nm的孔为多害孔。

由图6(a)可看出:ZR和BZ养护下无害孔分别为12.33%,32.68%，而多害孔分别占20.51%,9.53%；XL7,XL14,XL28养护下无害孔分别为13.08%,16.73%,17.47%，是BZ养护下的59.21%,66.98%,75.61%，且多害孔分别占17.68%,13.71%,10.48%。由此可见养护时间越久，混凝土无害孔所占比例越大，而有害孔所占比例越小。养护14 d与养护28 d差别较小，因此推荐养护14 d。

根据图6(b)可知，TG7，TG14，TG28养护下的多害孔(>200 nm)分别占18.72%，14.06%，10.95%，分别是XL7，XL14，XL28养护下的1.05倍、1.03倍、1.04倍。此现象说明养护湿度越好，混凝土水化反应程度更高，多害孔越少。而ZR养护下多害孔是BZ养护下的2.11倍，说明这种特殊环境对混凝土的影响非常大，应加强此地区对混凝土的养护。

图6 不同养护下混凝土孔径分布Fig.6 Pore size distribution of concrete maintained by different methods

3.3.2 最可几孔径

不同养护方式下最佳孔径分布曲线的峰值最大处的孔径为最可几孔径，其物理意义为：混凝土中小于该孔径则不能形成连通的孔道，也即为出现几率最大的孔径。

根据图7(a)可知，TG养护时间分别为28，14，7 d的最可几孔径分别为0.011，0.013，0.016 mm，而ZR和BZ养护下的最可几孔径分别为0.019 mm和0.009 mm。以BZ养护下的最可几孔径为基准，TG28，TG14，TG7，ZR分别是它的1.3倍、1.6倍、2.0倍、2.3倍，而不养护混凝土的最可几孔径达到BZ的2.3倍。产生此现象的原因是：①极旱、大温差的戈壁气候对混凝土影响较大；②随着养护天数的增加，后期混凝土的水化程度越来高，产生的水化产物填充了部分的孔，使得混凝土更加密实，从而减小大孔的出现。

根据图7(b)可知，XL养护下养护时间分别为28，14，7 d的最可几孔径分别为0.010，0.012，0.015 mm，随着养护天数的增加最可几孔径逐渐增大，这就说明混凝土的抗渗性在逐渐下降。而养护14 d与养护28 d相差较小，因此在养护中建议养护时间为14 d。对TG与XL进行对比分析，XL养护时间分别为7，14，28 d的最可几孔径分别是TG养护下的90.09%，92.30%，81.25%，说明在极旱、大温差地区混凝土的保湿养护尤为重要，因此在养护过程中应选择保湿效果较好的养护方式。

图7 不同养护下混凝土孔径分布最佳曲线Fig.7 Curves of optimum pore size distribution of concrete maintained by different methods

3.3.3 孔间距系数

根据表6可知，ZR，TG28，XL28，BZ的孔间距系数分别为0.280,0.199,0.120,0.090 mm-1，以BZ养护为基准，ZR，TG28，XL28分别是它的3.1倍、2.2倍、1.3倍。而按此顺序混凝土的强度、抗渗性、含气量逐渐增强，说明孔间距系数越小，混凝土强度及抗渗性就越好。

表6 不同养护方式下混凝土气孔间距系数及含气量变化Table 6 Air void coefficient and air content ofconcrete under different curing methods

中国水利水电科学研究院和交通运输部一航局科研所等单位的大量试验结果表明[10-11]，硬化混凝土气孔平均间距系数不超过0.300 mm-1时，混凝土抗冻等级即可达到F300(抗冻性)。从表6中可以看出，所有养护方式下混凝土的气孔间距系数均<0.300 mm-1，所以所有养护方式下的混凝土均具有良好的抗冻性。

4 结 论

(1)极旱、大温差地区养护方式保湿保温效果越好，后期强度越高、抗渗性越好；养护天数越长，强度越高、抗渗性越好。当土工布包裹养护及新材料包裹养护天数为14 d时，28 d龄期时的强度可达到标准养护下的94.67%和96.63%。因此，在极旱、大温差地区选用洒水包裹养护时，建议养护天数为14 d。

(2)自然养护与标准养护下电通量为2 329.78 C及1 683.12 C，土工布养护下TG7,TG14,TG28分别是BZ的1.34倍、1.25倍、1.17倍，新材料养护下XL7,XL14,XL28分别是BZ养护下的1.30倍、1.23倍、1.13倍。

(3)极旱、大温差地区土工布包裹分别养护7，14，28 d下的混凝土最可几孔径是标准养护的2.0倍、1.6倍、1.3倍，而新材料包裹分别养护7，14，28 d下混凝土最可几孔径是标准养护的1.7倍、1.3倍、1.1倍。养护天数越长，最可几孔径就越小。

(4)自然养护、标准养护下无害孔分别占12.33%,32.68%，多害孔分别占20.51%,9.53%，而XL7,XL14,XL28养护下无害孔分别为13.08%,16.73%,17.47%，是BZ养护下的59.21%,66.98%,75.61%。多害孔分别为17.68%,13.71%,10.48%。TG7,TG14,TG28养护下的多害孔(>200 nm)分别为18.72%,14.06%,10.95，是XL7,XL14,XL28养护下1.05倍、1.03倍、1.04倍。

(5)通过对混凝土强度、抗渗性及微观孔结构的分析和研究，发现新材料包裹与土工包裹养护天数>14 d时各项性能均可满足要求。