蒸养对高强机制砂混凝土的热损伤效应研究

段 运，王起才*，2，杨子江，尚文杰，魏定邦

（1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070；2.兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070；3.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州 730030）

随着交通、水电、建筑等基础设施建设的大规模进行，混凝土作为重要的结构材料用量巨大.由于天然砂资源的短缺和生态环境保护的重视，机制砂替代天然砂配制混凝土已成为行业发展的必然趋势.众所周知，机制砂源自于岩石的机械破碎，相比于天然河砂，机制砂通常具有更粗糙的表面纹理、更多的棱角以及更高的细粉（75μm以下）含量［1-3］.采用机制砂配制的混凝土，其工作性、需水量、力学性能以及耐久性均不同于河砂混凝土［4-6］.通常机制砂混凝土的抗压强度高于同条件下的河砂混凝土［7］，但机制砂混凝土性能受机制砂颗粒级配、石粉含量及MB值影响波动较大［4，8-9］；同时高品质机制砂对生产工艺和设备的要求较高，因而导致机制砂在高强混凝土中的应用较少［10-13］.

蒸汽养护可以显著提高混凝土的早期强度，产生良好的经济效益，因而常用于预制厂以及寒冷地区混凝土构件的生产.张耀煌等［14］研究发现延长预养时间和降低升、降温速率可以提高低强混凝土28 d的抗压强度.Shi等［15］研究表明蒸汽养护会对混凝土的后期强度和表面渗透性产生不利影响.田耀刚等［16］基于压汞法研究表明蒸养下混凝土的总孔隙率增加，混凝土的抗冻性能降低.马昆林等［17］研究发现蒸养对浆体表层的孔结构影响最大，表层孔隙率和200 nm以上的孔含量显著增加.耿健等［18］研究表明蒸养下水泥石的孔隙率增大，尤其是有害孔和多害孔含量；孔隙率和平均孔径均随恒温养护时间的延长而增加.Zou等［19］认为蒸养初期水蒸气的膨胀压力阻碍了水化物的析出和扩散，致使蒸养下水泥浆体的界面过渡区相对较弱.

综上所述，关于机制砂混凝土的研究大部分都是在常温养护条件下开展的，而对蒸养混凝土性能的研究基本都是针对河砂混凝土，缺少对蒸养下机制砂混凝土性能的研究，尤其是高强机制砂混凝土.因此，本文以高速铁路轨枕混凝土的生产为研究背景，开展不同蒸汽养护温度和时长下高强机制砂混凝土的宏观性能研究，分析蒸养对水化产物形貌与结构、孔结构的影响，并从微观层面探讨蒸养对宏观性能的热损伤机理，以期为我国西北干寒地区高强机制砂混凝土的应用提供技术支撑.

1 试验

1.1 原材料与配合比

水泥采用P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥，特性指标如表1所列.粗骨料采用5～20 mm的级配碎石，细骨料采用细度模数为2.90的机制砂和细度模数为2.83的河砂，粗、细骨料的级配曲线如图1所示.机制砂的石粉含量为5.6%，亚甲蓝值为0.8 g／kg.减水剂采用聚羧酸型减水剂，减水率为29.1%.机制砂混凝土设计等级为C60，采用中国高速铁路中预应力混凝土轨枕常用的配合比［20］，具体如表2所列.

表2 混凝土配合比Tab．2 M ix proportion of concrete kg／m3

图1 粗、细骨料的级配曲线Fig．1 G radation curves of coarse and fine aggregates

表1 水泥的基本指标Tab．1 Basic properties of cement

1.2 试样制备与养护

首先根据配合比称量原材料，再将粗、细骨料和水泥依次倒入强制式搅拌机中搅拌90 s，最后再将水和减水剂倒入，并继续搅拌2 min.将新拌混凝土部分装入边长为100 mm的立方体模具中，用于抗压强度和孔结构测试；部分装入100 mm×100 mm×400 mm的长方体模具中，用于动弹性模量的测试；部分装入直径为100 mm，高度为50 mm的圆柱体模具中，用于抗氯离子渗透性测试.

机制砂混凝土试样采用标准养护和蒸汽养护两种制度.蒸汽养护制度主要包含静养、升温、恒温和降温四个阶段，试样的静养在温度20±2℃的室内完成，蒸养各阶段的控制参数如表3所列.蒸养结束后的试样置于标准养护室中继续养护至28 d.标准养护的温度为20±2℃，湿度96%以上.为分析机制砂对蒸养混凝土抗压强度的影响，设置河砂混凝土为对照组.对照组采用T50-6 h和T50-12 h两种蒸养制度.

表3 蒸养制度Tab．3 Steam curing system

1.3 试验方法

依据规范［21］进行混凝土抗压强度测试.依据规范［22］进行混凝土动弹性模量和抗氯离子渗透性测试.

水化产物的微观形貌与结构采用扫描电子显微镜（SEM）进行观察，设备为蔡司GeminiSEM 500.测试样品取自破碎混凝土中的浆体部分，样品边长约为2～4 mm，厚度约为1～2 mm，测试面不做任何打磨处理.样品通过导电胶与样品台相连，为提高混凝土样品的导电性，测试前对样品进行喷金处理，测试过程如图2所示.

图2 SEM 测试过程Fig．2 SEM testing process

采用低场核磁共振技术（NMR）进行机制砂混凝土孔结构测试.依据核磁共振原理［23］，横向弛豫时间T2可表示为：

式中：T2，surface为表面弛豫时间（ms）；ρ为表面松弛系数（nm／ms）；r为孔隙半径（nm）；k为孔隙形状因子，假定孔形为柱形孔，则k值为2.混凝土表面松弛系数通常在10～15 nm／ms［24］，本研究中取12.5 nm／ms.由上式可知，孔隙半径与横向弛豫时间呈正比例关系.NMR测试前需对样品进行真空饱水24 h.

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

不同蒸养温度和时长下机制砂混凝土28 d的抗压强度如图3所示.可以看出：机制砂混凝土在50℃和60℃下分别恒温养护12 h和6 h后，其抗压强度与标养3 d时的强度基本相同，说明蒸养可以显著提高混凝土早期抗压强度.

图3 不同养护制度下机制砂混凝土抗压强度Fig．3 Compressive strength of manufactured sand concrete under different curing systems

相比于标养下，蒸养下机制砂混凝土28 d的抗压强度均较低，50℃和60℃下28 d抗压强度分别降低了3.1%～5.2%和4.0%～7.7%，说明蒸养对机制砂混凝土后期抗压强度造成了损伤，且恒温养护温度越高、时间越长，后期抗压强度损伤程度越大.产生这种现象的原因主要是由于蒸养下机制砂混凝土的水化产物形貌与结构以及孔结构发生了改变，具体将在后续的SEM和孔结构分析中展开.

蒸汽养护下机制砂混凝土与河砂混凝土的抗压强度如图4所示.整体而言，蒸养下机制砂混凝土的抗压强度高于河砂混凝土，这与常温养护下的试验结果一致［7-8］.T50-6 h和 T50-12 h蒸养制度下，机制砂混凝土蒸养结束时的抗压强度比河砂混凝土分别高2.9 MPa和2.5 MPa，28 d时的抗压强度比河砂混凝土分别高1.1 MPa和1.3 MPa，说明蒸养下两者的早期抗压强度差异较大，后期抗压强度差异较小.这是由于机制砂中的石粉能够填充水化产物之间孔隙，增加微观结构的密实性［9］；同时石粉在早期水化过程中能够为水化产物提供额外的成核位置，促进水泥的水化［25］，因而蒸养机制砂混凝土早期抗压强度较高，但这种促进水化的作用会随养护时间的延长而减弱，因而对后期强度的影响减小.

图4 蒸养机制砂混凝土与河砂混凝土抗压强度Fig．4 Compressive strength of manufactured sand concrete and river sand concrete under steam curing

2.2 动弹性模量

不同蒸养温度和时长下机制砂混凝土28 d的动弹性模量如图5所示.相比于标养下，不同蒸养温度和时长下机制砂混凝土28 d的动弹性模量普遍较低，50℃和60℃下动弹性模量分别降低了1.6%～2.2%和1.8%～3.4%，说明蒸养对机制砂混凝土动弹性模量造成了损伤，且恒温养护温度越高、时间越长，动弹性模量的损伤程度越大.相比于蒸养对后期抗压强度的损伤，蒸养对动弹性模量的损伤较小.

图5 机制砂混凝土的动弹性模量Fig．5 Dynam ic elastic modulus of manufactured sand concrete

2.3 抗氯离子渗透性

不同蒸养温度和时长下机制砂混凝土28 d的电通量如图6所示，可以看出，相比于标养下，蒸养下混凝土电通量均增大，50℃和60℃下电通量分别增大了8.5% ～11.7%和14.2% ～15.9%，说明蒸养对机制砂混凝土抗氯离子渗透性产生了不利影响，且恒温养护温度越高、时间越长，电通量的增大程度越大.不同恒温养护时间下机制砂混凝土在60℃下的电通量均高于50℃下，说明蒸养温度对抗氯离子渗透性的影响程度高于恒温时长，这主要是由于蒸养下孔隙的连通性增强导致.

图6 机制砂混凝土的抗氯离子渗透性Fig．6 Chloride ion im permeability of manufactured sand concrete

2．4 SEM

机制砂混凝土在不同养护温度下的SEM图如图7所示.可以看出：标养下絮状水化硅酸钙（C-SH）凝胶的结构较为密实，C-S-H团聚体之间的孔隙较小；氢氧化钙（CH）晶体呈柱状或板状，且晶体尺寸较小；C-S-H凝胶与CH粘结紧密，C-S-H团聚体与CH之间的孔隙较少且孔隙尺寸较小；水化产物之间连通孔的尺寸和长度也较小.50℃蒸养下，部分C-S-H容易生长成含有较多孔隙的网状结构，C-S-H团聚体之间孔隙增大（相比于20℃）；部分CH晶体容易生长为层状结构，且各层之间出现明显的间距，片状的CH晶体尺寸也增大；C-S-H团聚体与CH之间的孔隙尺寸增大；连通孔的尺寸和长度也增大.60℃蒸养下，絮状的C-S-H内出现微小孔隙；CH晶体容易生长为不规则的片状结构，且各片层之间出现较大的间距，这种弯曲的CH似乎是晶体生长受到限制后发生偏转产生的；C-S-H团聚体、CH、AFt（钙矾石）之间孔隙尺寸明显更大（相比于20℃和50℃）；连通孔的尺寸和长度也显著增大.

图7 机制砂混凝土SEM 图Fig．7 SEM images of manufactured sand concrete

由Arrhenius方程可知，水泥的水化反应速率受养护温度影响［26］，蒸养下水泥水化反应速率加快，水化产物在短时间内大量生成，极易生长为不规则、大尺寸或含有较多孔隙的结构，致使水化产物分布不均，水化产物之间的孔隙尺寸和含量增大，进而导致机制砂混凝土宏观性能（抗压强度、动弹性模量、抗氯离子渗透性）降低.蒸养温度越高，C-S-H团聚体之间、C-S-H团聚体与CH之间的孔隙越大，机制砂混凝土宏观性能损伤越大.混凝土的抗氯离子渗透性除了与孔隙的尺寸和含量相关外，还与孔隙的连通状态有关［27］，而蒸养下连通孔尺寸和长度的显著增大是机制砂混凝土抗氯离子渗透性大幅降低的主要原因.

2.5 孔结构

T2谱中分布曲线面积与混凝土的孔含量呈正比，横向弛豫时间与孔径大小呈正比［24］.为分析蒸养温度和时长对孔结构的影响，采用NMR对机制砂混凝土28 d的孔隙水弛豫信号进行了测试，结果如图8所示.从图8可以看出，蒸养下机制砂混凝土T2谱分布曲线的面积明显大于标养下；蒸养温度越高、时间越长，T2谱分布曲线面积越大．相比于标养下，蒸养机制砂混凝土T2谱中第一峰的峰值信号强度明显增大，峰值信号向右轻微移动；第二峰的峰值信号强度变化很小，但峰值信号向右移动显著，蒸养温度越高、时间越长，这种现象越明显．说明蒸养下机制砂混凝土的孔含量增大、孔径粗化，这也是蒸养下机制砂混凝土宏观性能降低的原因．T2谱中第一峰的变化主要表现为峰域面积的增大，即毛细孔含量增加，第二峰的变化主要表现为峰值信号的右移，即孔隙尺寸增大，部分毛细孔向大孔转变.

图8 机制砂混凝土的T2谱Fig．8 T2 spectrum of manufactured sand concrete

标养和蒸养下机制砂混凝土中不同孔径的孔含量占比如图9所示，可以看出，相比于标养下，50℃和60℃下机制砂混凝土T2谱分布曲线的总面积分别增大了13.2%～23.7%和21.4%～28.5%，蒸养温度越高、时间越长，机制砂混凝土的总孔含量增幅越大.相比于标养下，50℃下机制砂混凝土中100～1 000 nm的孔含量增幅最大，该孔径范围主要为C-S-H团聚体之间的孔隙［28］，可从SEM图片中得到证实；60℃下，恒温养护6 h的机制砂混凝土中100～1 000 nm的孔含量增幅最大，恒温养护12 h的机制砂混凝土中1 000 nm以上的孔含量增幅最大，1 000 nm以上的孔主要为C-S-H团聚体、CH、AFt之间的孔隙［28］，也可从SEM图片中得到证实.说明蒸养下水化产物分布疏松，100 nm以上的孔含量显著增加，致使蒸养机制砂混凝土宏观性能降低；蒸养温度越高、时间越长，1 000 nm以上的孔含量越高，孔径粗化显著，因而宏观性能降低程度越大.也说明蒸养下机制砂混凝土宏观性能的损伤主要由受100 nm以上孔的影响.

图9 机制砂混凝土中不同孔径的孔含量占比Fig．9 Ratio of pore content of different pore sizes in the manufactured sand concrete

3 结论

通过对不同蒸养温度和时长下机制砂混凝土的宏观性能和微观结构分析，得到以下几点结论：

1）蒸养对机制砂混凝土的宏观性能产生了不利影响，蒸养温度越高、时间越长，宏观性能的损伤越大.

2）蒸养温度和时长对动弹性模量的损伤较小，对抗氯离子渗透性的损伤较大，这主要是由于蒸养下孔隙的连通性增强.

3）蒸养下C-S-H容易形成孔隙较大的网状结构，CH容易生长为含有明显间距的层状结构，C-SH团聚体、CH和AFt之间的孔隙增大.

4）蒸养使机制砂混凝土孔含量增大，尤其是毛细孔含量，部分毛细孔向大孔转变，孔径粗化明显.100 nm以上孔的变化是造成蒸养下机制砂混凝土宏观性能损伤的主要原因.