热养护对矿物掺合料混凝土抗氯离子渗透性能及孔结构的影响研究

柯正雄 岳 阳，2 李 峰，2

(1.甘肃五环公路工程有限公司 兰州 730050； 2.甘肃省桥梁工程研究中心 兰州 730050)

目前对于混凝土材料热养护的研究较多，如田耀刚等[1-3]研究了热养护的静养时间、升温降温速率、恒温温度等各项热养参数对混凝土抗硫酸盐侵蚀、抗碳化性能以及抗冻性的的影响；贺智敏等[4]分析了热养工艺和热养护参数对混凝土的毛细吸水性的影响，以及热养护后混凝土的表皮损伤，得出加入矿物掺合料能够有效降低损伤程度的结论；刘宝举等[5-6]通过复掺矿粉和粉煤灰改善了热养混凝土的力学性能，增强了热养混凝土后期强度，并且研究了超细粉煤灰代替等量的水泥材料后热养混凝土的抗冻性、抗渗性、氯离子扩散系数等耐久性指标。耿建等[7-11]通过压汞法研究热养制度对混凝土孔结构的影响规律,得出延长混凝土静养时间能有效改善热养混凝土的孔结构的结论。本文主要对热养矿物掺合料高性能混凝土的抗氯离子渗透性能、孔结构，以及热养护后补充养护对其抗氯离子渗透性能的影响进行研究，为实际工程中提升热养高性能混凝土的耐久性提供参考依据。

1 试验

1.1 试验材料

试验用兰州祁连山水泥厂生产的P·O 42.5水泥，水泥的各项指标见表1。

表1 P·O 42.5水泥各项指标

粉煤灰为兰州鑫合源有限责任公司生产的II级粉煤灰，粉煤灰各项指标见表2。

表2 II粉煤灰各项指标

矿粉采用兰州榆中鸿源有限责任公司生产的S95级矿粉，矿粉各项指标见表3。

表3 S95矿粉各项指标

减水剂采用上海三瑞聚羧酸系高性能减水剂；细骨料选用甘肃白银天然河砂，II级砂细度为2.45，表观密度为2 599 kg/m3，堆积密度为1 515 kg/m3；粗骨料选用5～25 mm连续级配碎石，紧密度为1 700 kg/m3。

1.2 试验方法

1) 氯离子渗透试验。将C50混凝土(设计配配合比见表4)在不同恒温温度和恒温时长热养护后，转为标准养护的28 d龄期的150 mm×150 mm×150 mm标准试块切割成长×直径=50 mm×100 mm试件，以硅胶或树脂密封其侧面，然后放入VJH真空饱水机中饱水，待真空饱水结束后，将试件安装于试验槽内，检查密封性能。在电源负极注入3% NaCl溶液、在电源正极注入0.3 mol NaOH 溶液；保持试验槽内充满溶液的情况下接通电源，对上述两正负极施加(60±0.1)V 直流恒电压，并每5 min记1次电流值，待通电6 h时后结束试验，记录此时机器打印的电通量测量值。

2) 微观孔结构试验。将养护至相应龄期的混凝土试块，放入VJH真空饱水机，在-0.075 MPa条件下无水抽真空3 h，然后保持真空注入蒸馏水，湿抽1 h后转为常压浸泡，常压浸泡18 h后取出试块，用塑料保鲜膜缠绕包裹，放入核磁共振仪线圈，利用Macro MR12-150H-I核磁共振仪，进行孔结构测试。

3) 补充养护试验。将50，60，70，80 ℃热养温度下热养9 h的混凝土试块降至20 ℃后，分别转为(20±1)℃标准养护、(20±1) ℃水养(饱和Ca(OH)2水溶液)、自然养护(出棚洒水养护2 d后覆塑料薄膜)，养护至28 d龄期，进行氯离子渗透试验和孔结构测试。

表4 混凝土配合比 kg

2 试验结果及分析

2.1 热养护对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

将试块放入热养室，以10 ℃/h的升温速率升至设定的恒温温度，养护至相应时长后以10 ℃/h的降温速率降至室温，后立即取出测其抗压强度。50，60，70，80 ℃恒温温度下，养护相应时长的混凝土抗压强度见图1。

图1 热养护条件下混凝土抗压强度

由图1可见，矿物掺合料高性能混凝土在热养护条件下，随着热养时长与热养温度的增加，混凝土早期强度也逐渐增长，并且热养温度越高，强度增长越快。50 ℃恒温养护9 h时混凝土抗压强度基本达到设计强度的75%以上，80 ℃恒温养护9 h时抗压强度达设计强度的95%以上，24～48 h时50，60，70 ℃恒温养护下混凝土强度还在继续增长，但80 ℃恒温下的混凝土强度已基本不再增长，恒温养护48 h之后各温度下混凝土强度基本达到最大值。这是因为高温高湿的养护条件加快了矿物掺合料高性能混凝土中水泥的水化速率生成CH，而高温促使矿物掺合料中的SiO2和Al2O3能快速与CH生成水化CaSiO3和水化Ca(AlO2)2等一系列水化产物，所以在热养护9 h内混凝土强度增长较快，9～24 h时强度增长放缓，24～48 h混凝土强度增长进一步放缓。

将各恒温温度下养护相应时长的试块，降至20 ℃后从热养室转入标养室，进行恒温(20±1)℃，湿度95%的标准养护，养护28 d龄期后测其电通量值，并与直接进行标养28 d龄期试块的电通量值进行对比，其结果见图2。

图2 28 d氯离子电通量值

由图2可见，矿物掺合料高性能混凝土与相关文献中普通混凝土所表现的热养后抗氯离子渗透性能有所不同。随着热养温度和热养时长的增加，矿物掺合料高性能混凝土氯离子电通量值逐渐减小；热养温度越高，恒温时长越长，电通量值也越小；并且相对于延长恒温时间，提高热养温度更能激发矿物掺合料的活性，降低电通量的值，与50 ℃相比，80 ℃养护3 h的电通量值仅为50 ℃的56.5%。但是过高的热养温度和过长的恒温时长会导致抗氯离子渗透性能变差，当80 ℃养护超过12 h时电通量值不减反增，70 ℃养护超过24 h时电通量开始增长，60 ℃和50 ℃超过48 h时，电通量值开始增加。通过分析发现，虽然热养护能激发矿物掺合料活性，使水泥及其掺合料水化速度加快。但是过高的养护温度和过长的养护时长，使水化产物迅速堆积分布不均，水化产物包裹着未水化的颗粒，水分子向未水化的水泥颗粒及其掺合料颗粒扩散速度减慢，并且由于水化产物迅速堆积而产生了一定的粗晶体，在混凝土内部产生较多孔隙的同时，也产生了一定的拉应力，造成更多有害孔和裂隙的出现。使得混凝土力学性能和抗氯离子渗透性能变差。

2.2 热养护对混凝土孔结构的影响

采用Macro MR12-150H-I核磁共振仪对养护相应龄期的混凝土进行孔结构测试，48 h，28 d的T2谱分布和孔喉分布情况见图3～图6。

图3 48 h T2谱分布

图4 48 h孔喉分布

由图3可见，4种热养温度下T2谱均为3个波峰，从左到右依次称为第一波峰、第二波峰、第三波峰，3个波峰对应有不同的驰豫区间和信号强度，而驰豫时间和信号强度代表孔径的大小和相对应孔径孔隙的数量。通过数据可知，随着热养温度升高信号强度逐渐增大，50 ℃下热养48 h的第一峰信号强度为660.77 h/a，80 ℃的信号强度达到750.4 h/a，这说明混凝土中小孔的比例随着热养温度的升高逐渐增大。图4中的孔喉分布也证明了这一点，50 ℃时0～0.1 μm孔径为86%，60 ℃时0～0.1 μm孔径为87.6%，70 ℃时0～0.1 μm孔径为88.5%，80 ℃时0～0.1 μm孔径为90%。而随着温度的升高，大孔的比例逐渐减小，当热养温度达到80 ℃时，0.1～0.25 μm孔径增加了3.39%，这说明随着热养温度的升高，大孔慢慢向小孔转化。但是随着温度的升高总孔隙率却不断增加，50，60，70，80 ℃热养48 h的总孔隙率分别为5.61%，5.73%，6.0%，6.12%。这主要是因为混凝土中的矿物掺合料在较高的热养温度下，水化速度加快，反应产生了更多的含有凝胶孔的凝胶，细化了混凝土内部的孔径，同时高温热养增加混凝土内部有害孔的数量，导致总孔隙率的增加。

图5 28 d T2谱分布

图6 28 d孔喉分布

通过观察图5可知，热养转标养后T2谱第一峰小于标养28 d的峰值，其纵坐标随着热养温度的升高而减小，横坐标左移，第三峰的纵坐标与48 h的T2谱相比有所增加，且热养温度越高增加的幅度越大，这说明热养转标养28 d后混凝土内部大孔和有害孔的数量增加导致内部小孔的比例降低。

由图6可见，50 ℃热养转标养28 d龄期时0～0.1 μm孔径为88.02%，比48 h时增加2%，比标准养护小3.34%；0.10～0.25 μm孔径为0.3%，比48 h时增加0.124%，比标准养护多0.14%。而80 ℃热养转标养28 d龄期时0～0.1 μm孔径为85.01%，比48 h时降低了4.01%，比标准养护小6.35%；0.10～0.25 μm孔径为2.43%，比48 h时减少0.54%，孔径>0.25 μm比48 h时多4.54%，比标准养护多4.7%。50，60，70，80 ℃热养48 h后转标养28 d的总孔隙率分别为5.76%，5.95%，6.25%，6.41%，标准养护28 d的总孔隙率为7.42%。

2.3 补充养护对抗氯离子性能和孔结构的影响

为探究热养结束后补充养护对混凝土抗氯离子渗透性能的影响，将热养9 h的试块降至室温后，分别转为(20±1) ℃，湿度95%标准养护、水养护(饱和Ca(OH)2水溶液)以及自然养护(出棚洒水养护2 d后覆膜养护)，养护至28 d龄期后进行氯离子渗透试验和孔结构测试。电通量结果见图7。

图7 28 d氯离子电通量值

由图7可见，对于矿物掺合料高性能混凝土而言，热养护后转为饱和Ca(OH)2水溶液进行补充养护至28 d龄期，其氯离子电通量的值小于热养护后转为标准养护和自然养护的值。与直接进行标准养护相比，80 ℃热养后转为水养护、标准养护、自然养护电通量值分别降低了61.6%，60.5%，59.8%；70 ℃热养后转为水养护、标准养护、自然养护，电通量值分别降低了50.9%，49.4%，48.6%。60 ℃热养后转为水养护、标准养护、自然养护电通量值分别降低了50.9%，49.4%，48.6%。50 ℃热养后转为水养护、标准养护、自然养护，电通量值分别降低了39.4%，36.4%，31.9%；这说明后期水养护对热养矿物掺合料高性能混凝土的抗氯离子渗透性能有一定的提高，但是前期热养温度越高，补充养护的改善能力越弱。

图8为补充养护下T2谱分布。

图8 补充养护下T2谱分布

由图8中各热养温度、不同补充养护条件下T2分布图分析可知，相对于热养后采用标准水养护和自然养护，水养护能够有效增加热养混凝土中孔径<0.1 μm的小孔的比例，降低孔径>10 μm有害孔的数量。50 ℃蒸转水养护总孔隙率为5.22%，转标准养护总孔隙率为5.61%，转自然养护总孔隙率为5.79%。由此可见，进行水养护后胶凝材料中水泥和矿物掺合料能够二次水化，促使混凝土内部的大孔向小孔转化，细化混凝土内部孔隙，降低总孔隙率，使得混凝土内部结构更加致密稳定，提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

3 结论

1) 热养护能够提升矿物掺合料高性能混凝土的早期强度。并且热养温度愈高，养护时间愈长，混凝土强度增长愈大；除此之外，进行热养护能够在一定程度上降低矿物掺合料高性能混凝土的电通量值，但养护温度不宜太高，恒温时间不宜太长。

2) 热养护能够促进胶凝体系中矿物掺合料的水化速度激发火山灰效应，细化混凝土内部孔径，促使大孔向小孔的转化，但同时也增多了有害孔的数量，增大了总孔隙率，热养护后转为标准养护28 d有害孔的孔径和数量进一步增大，因此实际施工中应注意过度热养护对混凝土产生的损伤。

3) 热养后采取Ca(OH)2水溶液养护的补充养护方式，对混凝土因热养产生损伤有一定的修复作用，能够优化内部孔结构，降低总孔隙率，提升混凝土的抗氯离子渗透性能，但当热养温度过高时，这种修复作用不大。