养护温度和外加剂掺量对混凝土强度及微观结构的影响＊

2023-10-30郭永胜周有禄

甘肃科技 2023年9期

郭永胜，周有禄

（1.甘肃祁连山水泥集团有限公司，甘肃兰州 730030；2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

青藏高原地区温差大，常年四季存在正负温度交替变化，混凝土施工过程中其材料内部水分经受反复冻融，对混凝土结构强度影响极大[1]。混凝土前28 d养护龄期内，混凝土强度对养护温度的变化比较敏感，养护温度在小范围内变动将导致混凝土强度产生很大的变动，因此，精确地控制养护温度对混凝土的力学性能特别重要[2]。严小卫和刘昌永[3]通过试验研究了严寒地区大体积混凝土不同保温养护措施下混凝土结构内部温度随时间变化规律，并进行了不同龄期下试验强度与理论预测计算强度的对比分析研究。范利丹等[4]通过室内试验，研究了不同养护温度对喷射混凝土的抗压强度和混凝土与岩石的黏结强度。研究结果表明，当混凝土的养护温度在25～40 ℃时，随着养护温度的升高混凝土强度及混凝土与岩石的黏结强度均有所增加。李月霞等[5]通过在高强度混凝土中掺入不同养护温度下的膨胀剂进行强度试验研究，结果表明，在28 d养护龄期下，外加剂HCSA掺量为8%时，混凝土的抗压强度达到最大值。张少华等[6]开展了不同养护温度条件下混凝土强度和抗氯离子渗透性的试验研究，分别从低、负温养护和标养对混凝土强度的影响规律进行对比分析，研究结果表明，在低、负温养护下混凝土的早期强度低于标养下混凝土强度，但随着养护龄期的增加混凝土后期强度增长快于标养。谭克锋和刘涛[7]通过常温、高温养护温度对混凝土抗压强度进行试验，研究表明早期的高温养护对混凝土后期强度相比于常温养护下降很多，当在混凝土中掺入粉煤灰或降低水灰比可以部分消除高温养护对混凝土强度的负面效应。李奋等[8]研究了不同强度等级混凝土在负温养护条件下发展规律，研究结果表明，在负温养护条件下，混凝土强度由C25增加到C40时，抗压强度随混凝土等级提高而增大，并且抗压强度呈现出对数函数的增长趋势。谢子令和李显[9]研究了粉煤灰聚合物混凝土在不同养护温度、不同养护龄期对混凝土强度的影像研究。研究表明，在20～80 ℃时养护温度和混凝土抗压强度呈线性关系增长，当养护温度过高时混凝土试块表面出现微裂纹，强度有所下降；地质聚合物水泥和养护龄期对强度的影像可用指数函数来表述。张润潇等[10]、谭克铎和蒲心诚[11]通过混凝土在恒定低温条件下养护，研究混凝土强度变化规律，得到了不同养护龄期下混凝土抗压强度的变化规律。湿集料混凝土在养护温度超过50 ℃时强度急剧下降，干集料混凝土强度对养护温度不敏感。为了研究高寒地区不同养护温度下混凝土强度增长规律，通过设置4组养护温度和5组引气剂掺量，研究混凝土在养护温度和引气剂掺量共同作用下对抗压强度及微观结构的影响，对高寒地区混凝土工程满足强度条件下研究混凝土抗冻性具有重要意义。

1 试验

1.1 试验材料

采用格尔木宏扬水泥有限公司生产的金圆牌P.O42.5级水泥，水泥物理性能指标详见表1。粗集料采用5～31.5 mm的连续粒径碎石，含泥量为0.3%，表观密度为2 720 kg/m3；细集料采用格尔木砂厂的水洗河砂（中砂），其含泥量为2.9%，堆积密度为1 660 kg/m3，细度模数为2.7，表观密度为2 690 kg/m3，拌和用水选用自来水；引气剂采用青海桥通建材有限公司生产的QT-07型。

表1 P.O42.5级水泥物理性能指标

1.2 混凝土配合比

试验过程中混凝土配合比保持不变，混凝土配合比详见表2。

表2 混凝土配合比

1.3 试验方案

混凝土式样采用标准尺寸的立方体试块。将不同引气剂掺量的混凝土试块进行不同养护温度下养护1 d后进行拆模，详见表3。拆模之后将混凝土试块放入不同养护温度的养护室内进行养护，保证养护室内湿度大于95%，当龄期达到28 d时，取出试块进行抗压强度试验。

表3 混凝土养护温度及引气剂掺量

2 试验结果分析

2.1 强度结果分析

引气剂掺量为0%时，不同养护温度下混凝土抗压强度随养护龄期的变化曲线如图1所示。

图1 不同养护温度下混凝土抗压强度变化曲线

由图1可知，不同养护温度下，混凝土抗压强度均随养护龄期的增大而提高，并且前7 d养护对混凝土抗压强度影响较大。在15 ℃的养护温度下，7 d的抗压强度为34.4 MPa，后期21 d的养护龄期抗压强度提高了6.7 MPa，由此可知，早期养护对混凝土的抗压强度尤为重要。在28 d龄期下，15 ℃养护温度下混凝土抗压强度比0 ℃养护下提高了45.1%，由此表明，在0～15 ℃，随着养护温度的提高混凝土抗压强度不断增大。由于混凝土试块的水灰比、养护湿度和养护龄期相同，不同的养护温度对水泥的水化热产生影响，当养护温度升高时加快了混凝土的水化反应速度，提高了混凝土的抗压强度，如图2所示。

图2 不同养护温度和引气剂掺量下的混凝土抗压强度

由图2可知，不同养护温度下混凝土抗压强度与养护龄期均呈正相关关系，即抗压强度随养护龄期的增加不断提高，从图中还可以看出，引气剂掺量在0%～4%时，随着掺量的增加混凝土抗压强度不断降低，相同养护龄期下，不同引气剂掺量的混凝土抗压强度均随养护温度的升高而提高，如养护龄期为28 d，引气剂掺量为0%，当养护温度从0 ℃增加到15 ℃时，混凝土抗压强度从36.8 MPa增加到39.8 MPa。

当龄期和养护温度保持恒定，引气剂掺量在0%～4%时，随着掺量的增加混凝土抗压强度逐渐降低。例如，养护龄期28 d，养护温度15 ℃时，引气剂掺量从0%增加到4%时，混凝土抗压强度降低了12.9 MPa。其主要原因是随着引气剂掺量的增加混凝土中孔隙率不断增大，使混凝土密实性降低，从而导致了抗压强度降低。

2.2 微观结构分析

28 d龄期下，引气剂掺量为0%时，不同养护温度下混凝土孔隙分布规律如图3所示。从图中可以看出养护温度从0 ℃升至15 ℃时对应的总孔隙度分别为15.6%、13.4%、12.3%、10.6%，由此可知，养护温度升高时混凝土的孔隙率呈现逐渐降低规律。并且，从图中还可以得出，在4组不同的养护温度中，混凝土孔径主要分布在1 000 nm以内，当养护温度逐渐升高时，孔径分布曲线逐渐向左移动，这时小孔径的占比进一步得到了升高，从而影响了混凝土抗压强度，使得混凝土力学性能得到提升。其主要原因是随着养护温度的升高加快了混凝土的水化反应速度，使得混凝土大孔径数量不断减小，孔隙率逐渐降低混凝土就更密实，力学性能有所提高。

图3 引气剂掺量为0%时不同养护温度下孔隙分布曲线

混凝土内孔径大小分布方式的不同直接影响着其强度和耐久性，研究表明，20 nm以下的孔为无害孔，20～50 nm的为少害孔，50～200 nm的为有害孔，200 nm以上的为多害孔[12]。引气剂掺量为0%的混凝土试件在不同养护温度下孔体积占比分布如图4所示。由图4可知，引气剂掺量为0%，养护温度从0 ℃升高至15 ℃时，混凝土中小于20 nm的孔隙占比增长速率在逐渐下降，即无害孔孔体积占比增长速率不断降低。混凝土在不同养护温度（0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃）下，有害孔占总孔体积比分别为42.23%、25.13%、15.34%、9.56%；多害孔的占比分别为11.77%、8.87%、3.66%、1.44%。由此可知，提高养护温度不仅能够优化孔隙结构分布，还改善了混凝土的力学性能及耐久性。

图4 引气剂掺量为0%的不同养护程度下孔体积占比

养护温度为20 ℃时，引气剂掺量为0%、1%、2%、3%、4%的混凝土试件的孔径分布如图5所示。由图5可知，28 d龄期下，引气剂掺量为0%、1%、2%、3%、4%的混凝土试件总孔隙度分别为12.4%、15.3%、18.5%、21.3%。由此可知，引气剂掺量的增加导致了混凝土中总孔隙度不断增大。5组不同掺量引气剂下的混凝土试件平均孔径分别为38.5 nm、51.8 nm、67.8 nm、87.5 nm、110.6 nm，引气剂掺量的增加导致混凝土的平均孔径不断增大，从而使得孔径分布曲线向右移动。当总孔隙度增加时混凝土的密实度就会逐渐降低，最终导致混凝土抗压强度降低。

图5 不同引气剂掺量下孔径占比分布曲线

不同引气剂掺量下孔体积占比分布曲线如图6所示。由图可知，当引气剂掺量从0%增加到4%时，混凝土中无害孔和少害孔的孔体积占比在不断降低，分别降低了28.12%和34.5%；而有害孔和多害孔的孔体积占比分别增加了35.58%和27.04%。由此可知，引气剂掺量不仅影响了混凝土的总孔隙率，而且还改变了孔隙的分布规律。不同引气剂掺量下5组混凝土试件的有害孔孔体积占比为15.87%、22.57%、30.17%、49.68%、51.45%；多害孔的孔体积占比为4.04%、4.64%、10.34%、19.84%、31.08%。当有害孔和多害孔的增加导致了混凝土力学性能的减损，改善了混凝土的抗冻性能。其主要原因是引气剂掺量多的混凝土中小孔增多，在冻结过程中引起的膨胀压力使未冻水发生迁移时的阻力，其他多余水渗入到周边孔隙中，隔断了温度在混凝土中的传播路径。