负温环境下商品混凝土力学性能及水化特征分析

师 琦 ，廖国胜 ，2

（1.武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065；2.武汉科技大学高性能工程结构研究院，湖北 武汉 430065）

0 引言

随着科学技术的发展，国家相关部门提出了“一带一路”发展战略，尤其对寒冷偏远地区及相关地带的施工项目的顺利进行予以高度重视，在此种情况下，整个施工建设的环境相对特殊，如何在低温的施工环境下进行混凝土施工建设成为混凝土工程广泛关注的研究热点。目前，国内外已有大部分学者对低（负）温环境下商品混凝土早期抗冻能力，受冻机制及防冻剂作用机制进行了多元研究，进一步证实施工企业在应对寒冷气候地区的施工建设时，要求混凝土材料不但应具备国家城建部门规定的基本力学性能外，还应同时具备低温环境下早强性、抗冻性、抗渗性及抗裂性等性能，管理人员应严格遵守各项施工管理要求，确保整个建筑结构主体安全性和稳定性能够达到预设施工标准。

1 试验部分

1.1 试验配合比

根据试验条件选择低温地区P.O 42.5 水泥，细度模数为2.8 的机制砂、Ⅰ级粉煤灰（细度筛余不超过12%），粒径为5~20mm 级配良好的石灰石碎石，减水剂为高性能聚羧酸减水剂，减水率在27%左右；同时采购由江苏博特有限公司生产的引气剂材料，整个引气剂的密度在1.05g/cm3左右，引气剂的质量分数在0.015%~0.035%；此外，还应复配相应的防冻剂材料，整体含固量为35%[1]。

在试验过程中，为了确保混凝土材料能够在（-10±2）℃的低温环境下使得防冻剂掺量最佳，应调整负温混凝土的配合比例。因此，通过查阅资料并结合防冻剂厂家的专业介绍试配混凝土，针对混凝土防冻剂的掺量范围设计了4 组试验，经过实际测验表明，最佳状态下混凝土的水胶比W/B 为0.41，砂率为40%，且粉煤灰掺量为胶材总量的20%，引气剂质量分数为0.02%[2]。具体的减水剂、防冻剂掺量配比如表1 所示[3]，整个试验试件的尺寸为150mm×150mm×150mm。

表1 减水剂、防冻剂掺量

对此采用3 种不同方法对混凝土试件进行养护管理：①在-12℃的环境下将试件放入冰柜中进行全面的负温养护；②在标准养护箱内将整个混凝土试件进行基础养护；③在-12℃和22℃的环境下每4.5h 交替变换相应的试验温度，继而完成养护管理。

1.2 试验测试方法

首先，测定各龄期混凝土的抗压强度。利用3000kN 电液伺服压力试验机，并全面参照相关普通混凝土力学性能的规范，整个试验过程的加载速率应保持在1.25kN/s 左右；同时借助混凝土弹性模量测定仪器，并结合规定的混凝土长期性能检验方法完成弹性模量的测定，整个测试过程应确保测量误差不超过2%。

其次，选用河北省唐山市试验仪器有限公司制造的HZ-20 型钻孔取芯机器设备对混凝土试件的内芯进行取样处理，采用分析纯无水乙醇材料浸泡72h 后，妥善放置于62℃的真空干燥箱内部，在将其置于24h 后，利用美国科技公司生产的FEI3D 型扫描电子显微镜进行全面的SEM 分析。在实际的测试前，应及时对混凝土样品上方喷金并进行导电处理。

此外，对混凝土样品芯部进行取样后同样利用分析纯无水乙醇浸泡72h 且不再进行水化，放置于62℃的真空干燥箱内部，也将其置于24h，然后进行破碎处理并获取浆体部分，并在研磨后通过45μm 筛，最后利用德国科技公司生产的D8Discovery 型X 射线衍射仪进行XRD 分析。整个分析过程的扫描速率为4°/min。

2 试验结果与讨论

2.1 负温混凝土力学性能

（1）防冻剂掺量对负温混凝土力学性能的影响。

经过大量的试验结果表明，防冻剂掺量不同导致不同负温环境下，混凝土的抗压强度有所差异。例如，在-12℃的环境下，不同试验组混凝土在3d 和7d 的抗压强度数值均相对较低，没有掺加防冻剂的混凝土甚至在3d 内都无法测量出相应的抗压强度，一旦掺入相应的防冻剂后，抗压强度效果会随之提升，当达到最高数值时，实际的混凝土抗压强度只能达到设计强度的26.4%，由此可以推断，在-12℃下，水泥水化的过程相对缓慢，整体的抗压强度也不理想[4]。值得注意的时，当防冻剂掺量为4.0%时，抗压强度提升效果最为明显，因此，可以设定4%作为负温混凝土试验的最佳防冻剂掺量[5]。具体变化如图1 所示。

图1 不同防冻剂掺量下负温混凝土抗压强度

（2）负温养护龄期对混凝土力学性能的影响。

通过反复试验得到相应的力学性能趋势变化，对趋势变化进行拟合分析。表明随着水化反应的进行，在养护龄期7d 内，负温环境下的混凝土的抗压强度和动弹性模量上升速度较快，当养护龄期不断增加后，整体混凝土的抗压强度和动弹性模量增长幅度较大，3 组混凝土试件28d 抗压强度均能够达到预设的工作要求。因此，早期混凝土试件强度发展可能与区域温差较大温度较低存在直接的联系[6]。

（3）交变温度养护制度下混凝土力学性能的发展趋势。

为了进一步证实交变温度养护对混凝土力学性能的影响，两组混凝土试件分别由 C（F0）、CA（F4）代表，即为整个试验的标准养护期，交变温度养护期由VT（F0）、VA（F4）表示。通过反复试验获取混凝土在不同养护制度下的力学性能变化如图2、图3 所示。

图3 不同养护制度下混凝土的动弹性模量变化

通过对变化趋势进行分析可知，混凝土试件抗压强度和动弹性模量在前期阶段上升幅度较为明显，后期阶段发展趋势相对平缓甚至趋于稳定。例如，在标准养护模式下，交变温度养护的混凝土早期抗压强度仅为前者的70%~92%，混凝土试件的抗压强度相对较低，掺入防冻剂的混凝土在28d 内的抗压强度不超过标准养护模式下混凝土抗压强度的35%[7]，且C（F0）的早期抗压强度明显低于CA（F4），后期CA（F4）的抗压强度明显降低，由此可以证实，掺入防冻剂的混凝土试件在标准养护环境下，早期抗压强度有所提高，然而对后期抗压强度可能产生诸多不利影响。

2.2 负温混凝土的水化特征

2.2.1 负温混凝土水化产物分析

通过微观试验获取CA（F4）混凝土和C（F0）混凝土28d 水化产物的X 射线衍射示意图谱，如图4[8]所示。图4 中1 为钙矾石（AFt）的峰，由于防冻剂的防冻作用可知，CA（F4）混凝土其水泥成分中的铝酸三钙（C3A）能更好地参与水化反应，造成AFt 含量比不掺防冻剂的C（F0）混凝土多。大量实践表明钙矾石能提高混凝土的早期强度[9]，所以C（F0）混凝土早期强度会明显低于CA（F4）混凝土。

图4 CA（F4）混凝土和 C（F0）混凝土 28d 化产物的X 射线衍射示意图谱

2.2.2 负温混凝土微观结构分析

在获取样品相应的扫描电镜结果后通过相关照片可以得知，低温混凝土的结构密度较基准混凝土低，试件表面呈现不同规则大小的微孔，粉煤灰玻璃微珠与周围接触面较少，导致负温混凝土内部结构疏松，封闭球形微孔明显增加，具体情况如图5[10]所示。此外，在负温养护模式下，外界温度逐渐降低，早期混凝土部分水转变为冰，体积逐渐膨胀且在产生相应微裂缝的同时，没有结冰的部位还会顺着微裂缝迁移并结冰，进而导致微裂缝的面积逐渐扩大[11]，由此推断在交变温度养护下，掺入防冻剂的VA（F4）混凝土的微裂缝宽度可能比没有掺入防冻剂的VT（F0）混凝土的更小。

图5 负温混凝土的扫描电镜照片

2.2.3 成熟度理论解释

在相继引入等效龄期成熟度模型后，进一步论证混凝土抗压强度和成熟度的关系，具体计算公式如式（1）所示。

式（1）中，成熟度由M1表示，其标准值一般小于840℃·h。相对抗压强度由fcu，1表示，即为某个混凝土特定龄期抗压强度与其28d 的抗压强度之比。将实际测定得到的抗压强度代入式（1）中，通过计算分析进一步得出结论：在早期阶段各组混凝土的成熟度增长幅度不一，但在后期时均能达到甚至超过标准值，这为各种环境和养护方式下混凝土的抗压强度特别是早期抗压强度的预测工作奠定了夯实基础。

3 结语

总而言之，负温环境下商品混凝土力学性能及水化特征涉及多个方面，施工企业应积极学习并引进国内外优良的混凝土养护方式，并根据不同负温环境下混凝土的力学特征和实际情况，掺入适量防冻剂，避免混凝土微裂缝现象的频繁出现，确保建筑结构的主体稳定和质量安全。