董陽濤，孟　磊，蘭　嵐，張亞昆，張明強(qiáng)(中鐵二十一局集團(tuán)路橋工程有限公司，陜西西安　710000)

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變溫養(yǎng)護(hù)下混凝土孔結(jié)構(gòu)對抗凍性能及力學(xué)性能的影響研究

董陽濤，孟磊，蘭嵐，張亞昆，張明強(qiáng)
(中鐵二十一局集團(tuán)路橋工程有限公司，陜西西安710000)

摘要:當(dāng)養(yǎng)護(hù)條件為在－20～10，－10～10，0～10℃區(qū)間內(nèi)溫度每24 h按正弦曲線變化及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時，對混凝土的孔結(jié)構(gòu)、抗凍性能及力學(xué)性能進(jìn)行測試，探討了混凝土孔結(jié)構(gòu)與抗凍性能、力學(xué)性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明:隨著變溫養(yǎng)護(hù)下最低溫度的增長，混凝土的氣泡平均弦長、氣孔間距系數(shù)、比表面積、孔隙率及膠空比呈規(guī)律變化，混凝土的抗凍性能增強(qiáng)，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度增加，但均小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土的抗凍耐久性及抗壓強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞:混凝土變溫養(yǎng)護(hù)孔結(jié)構(gòu)抗凍性能力學(xué)性能

在冬季，西北及東北大部分地區(qū)澆筑混凝土?xí)r溫度較低，且晝夜溫差較大，容易導(dǎo)致混凝土的開裂及剝落，大大縮短了混凝土的使用壽命，因此對混凝土開展凍融破壞機(jī)理及抗凍耐久性的研究顯得尤為重要［1］。趙宵龍等［2］通過凍融循環(huán)試驗(yàn)，采用光學(xué)顯微鏡測孔法和壓汞法測試混凝土的孔結(jié)構(gòu)，研究不同耐久性的混凝土其抗凍性能與孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并研究了凍融過程中混凝土性能劣化與其孔結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系;張粉芹等［3］通過壓汞法、快速凍融法、美國電量法、干濕循環(huán)腐蝕法等試驗(yàn)分析了不同類型C30混凝土孔結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系;李建新等［4］從水泥砂漿入手，通過對不同含氣量水泥砂漿的孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與抗凍性能試驗(yàn)，得到水泥砂漿孔結(jié)構(gòu)與抗凍耐久性之間的變化規(guī)律;李盛等［5］利用彈性力學(xué)理論，基于熱力學(xué)平衡原理，對水飽和狀態(tài)下封閉孔隙在結(jié)冰壓力作用下的孔壁應(yīng)力進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算分析，結(jié)果表明，在相同結(jié)冰壓力作用下由于球形孔隙較圓柱形孔隙受力更為均勻，其孔壁拉應(yīng)力明顯小于圓柱形孔隙，有利于抗凍;段安等［6］以熱力學(xué)和孔隙彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，在已有數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，發(fā)展建立了一套混凝土凍融過程的控制方程，并應(yīng)用有限元軟件Comsol Multiphysics對4個模型進(jìn)行了模擬，預(yù)測出飽和砂漿試件受凍過程中的變形、孔隙壓力及溫度分布，實(shí)現(xiàn)了混凝土凍融過程的數(shù)值模擬;肖前慧等［7］主要測定了粉煤灰引氣混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失、動彈性模量和抗壓強(qiáng)度，研究了其在凍融循環(huán)后的性能，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，為凍融環(huán)境下混凝土水膠比、粉煤灰摻量和引氣劑摻量的選擇提出了合理建議。

以上研究主要針對恒溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗凍性能及力學(xué)性能，幾乎沒有涉及變溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的性能。本文通過對不同變溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的孔結(jié)構(gòu)、抗凍性能及力學(xué)性能的研究，探討了變溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土孔結(jié)構(gòu)對抗凍性能及力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1　試驗(yàn)

1.1原材料及配合比

混凝土由水、水泥、礦物摻合料、砂、石組成。水為符合國家標(biāo)準(zhǔn)的飲用水;水泥為P.O42.5普通硅酸鹽低堿水泥，滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求;細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.15、含泥量1.23%的砂;粗骨料為顆粒級配5～31.5 mm的碎石，壓碎指標(biāo)5.21% ;礦物摻合料按m粉煤灰∶m礦粉= 1∶1配合而成，粉煤灰燒失量2.78%，需水量比81.8%，SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.28%，比表面積483 m2/kg;礦粉燒失量0.179%，堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.329%，SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.95%，比表面積488 m2/kg，滿足《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T 18736—2002)的要求;減水劑為北京建筑工程研究院生產(chǎn)的AN4000聚羧酸減水劑;引氣劑為液體SJ-2型引氣劑，滿足《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 500119—2003)的要求。混凝土配合比如表1所示。

表1　混凝土的配合比

混凝土水膠比為0.42，膠砂比為0.44，新拌混凝土的坍落度＞180 mm，擴(kuò)展度＞480 mm，含氣量為3.2%，流動性好。新拌混凝土黏聚力較好，沒有分層和離析現(xiàn)象，保水性也較好。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1測定含氣量方法

含氣量根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50080—2002)要求的方法，采用SANYO直讀式精密混凝土測定儀測定含氣量。

1.2.2養(yǎng)護(hù)方法

養(yǎng)護(hù)條件為在－20～10，－10～10，0～10℃區(qū)間內(nèi)溫度每24 h成正弦曲線變化及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。新拌混凝土配好后，一部分按上述變溫養(yǎng)護(hù)條件放入大氣模擬箱內(nèi)帶模養(yǎng)護(hù)，5 d后脫模，脫模后再次放入大氣模擬箱進(jìn)行變溫養(yǎng)護(hù);另一部分先放入20℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，1 d后脫模再次放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)齡期分別為7，14，28 d。

1.2.3孔結(jié)構(gòu)測試方法

將養(yǎng)護(hù)28 d的100 mm×100 mm×100 mm立方體試件切割成10～20 mm厚的試件，經(jīng)打磨、噴涂熒光劑后，放入試驗(yàn)儀器中測試。在測試軟件中，輸入混凝土測試范圍、水膠比等參數(shù)，并用模板標(biāo)定尺寸后，由硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀自動采集數(shù)據(jù)［8］?？捉Y(jié)構(gòu)的測試結(jié)果如表2所示。

1.2.4抗凍性能測試方法

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)的試驗(yàn)方法及檢測標(biāo)準(zhǔn)，制作100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，養(yǎng)護(hù)24 d后在水中浸泡4 d，采用快速凍融法，試件每隔25次循環(huán)用動彈儀測定動彈性模量，檢測依據(jù)為相對動彈性模量≥60%或者質(zhì)量損失率≤5%［9-10］。

2　試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析

2.1.1變溫養(yǎng)護(hù)對混凝土氣孔平均弦長的影響

由表2可知，混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，氣孔平均弦長為0.067 6 mm;養(yǎng)護(hù)方式按－20～10，－10～10，0～10℃區(qū)間內(nèi)溫度每24 h成正弦曲線變化時，混凝土的氣孔平均弦長分別為0.149 0，0.115 0，0.083 4 mm。當(dāng)養(yǎng)護(hù)最高溫度均為10℃，最低溫度從－20℃過渡到0℃時，氣孔平均弦長隨著最低溫度的升高而減小，但是均大于標(biāo)養(yǎng)下氣孔平均弦長，主要原因是隨著溫度升高，水泥水化反應(yīng)速度加快，更多的水化產(chǎn)物填充原有孔隙，使得氣體孔徑減小。

2.1.2變溫養(yǎng)護(hù)對混凝土氣孔間距系數(shù)的影響

Powers等［11］給出的氣孔間距系數(shù)的定義為水泥石中的任一氣泡和相鄰任一氣泡球面之間的最大距離。由表2可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)最高溫度均為10℃，最低溫度從－20℃過渡到0℃，隨著最低溫度的升高，混凝土的氣孔間距系數(shù)減小，但是均大于標(biāo)養(yǎng)下混凝土的氣孔間距系數(shù)，可見水泥水化速度直接影響混凝土的孔結(jié)構(gòu)。

表2　混凝土的孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

2.1.3變溫養(yǎng)護(hù)對混凝土比表面積的的影響

由表2可知，在變溫養(yǎng)護(hù)條件下，隨著最低溫度的升高，混凝土的比表面積從30.01 mm－1增大至41.27 mm－1，可知混凝土的比表面積隨著最低溫度的升高而增大，但均小于在標(biāo)養(yǎng)下混凝土的比表面積。

2.1.4變溫養(yǎng)護(hù)對硬化后混凝土孔隙率的影響

4種養(yǎng)護(hù)方式下新拌混凝土的含氣量都為3.2%，而經(jīng)過28 d不同養(yǎng)護(hù)方式后，由表2可知，硬化后混凝土的孔隙率分別為13.1%，10.2%，8.9%，7.6%，相比新拌混凝土的含氣量分別增加了9.9%，7.0%，5.7%，4.4%。說明在養(yǎng)護(hù)過程中混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)所造成的孔隙增大量遠(yuǎn)大于水泥水化產(chǎn)物填充孔隙所導(dǎo)致的減小量;并且隨著不同養(yǎng)護(hù)方式最低溫度的升高，硬化后混凝土孔隙率的變化幅度減小。

2.1.5變溫養(yǎng)護(hù)對膠空比的影響

由表2可得，養(yǎng)護(hù)28 d時不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土的膠空比不同，－20～10℃養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的膠空比最小，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的膠空比最大，由此可得出在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的膠空比最優(yōu)，28 d之內(nèi)溫度變化越大，混凝土的膠空比越小。

2.2抗凍性能試驗(yàn)分析

在相同水膠比下，混凝土分別在－20～10，－10～10，0～10，20℃養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行75次、125次、175次及300次的凍融循環(huán)，然后測試其28 d時的相對動彈性模量及質(zhì)量損失率，如表3所示。以不同養(yǎng)護(hù)方式下凍融循環(huán)75次為例，混凝土的相對動彈性模量依次為63.42%，94.35%，98.43%，99.53%，混凝土的質(zhì)量損失率依次為2.19%，1.04%，0.43%，0.24%。由此可知，在凍融循環(huán)次數(shù)相同情況下，隨著各養(yǎng)護(hù)方式最低溫度的升高，混凝土的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率分別增大和減小，即混凝土抗凍耐久性增強(qiáng)。這主要是因?yàn)樽畹蜏囟壬邥r，水泥水化反應(yīng)速度加快，使得混凝土的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善;尤其是氣孔間距系數(shù)的減小，使得混凝土受凍后孔隙水結(jié)冰產(chǎn)生壓力時，水從毛細(xì)管經(jīng)過沒有冰凍的孔擴(kuò)散外逸至自由空間時所經(jīng)歷的時間與所受的阻力減小，從而能及時緩解凍融過程中產(chǎn)生的冰脹壓力和毛細(xì)孔水的滲透壓力，因此混凝土抗凍耐久性水平得以提高［4］。

表3　混凝土凍融試驗(yàn)試件的相對動彈性模量及質(zhì)量損失率　%

2.3力學(xué)性能特性分析

不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土的實(shí)際抗壓強(qiáng)度如圖1所示。由圖1可知，以養(yǎng)護(hù)環(huán)境－10～10℃為例，混凝土在7，14，28 d齡期時，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度分別為13.2，21.8，28.9 MPa，隨著齡期的增長，混凝土的抗壓強(qiáng)度增加。再以齡期14 d為例，混凝土分別在－20～10，－10～10，0～10，20℃養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度分別為17.9，21.8，28.8，33.5 MPa，可見隨著最低溫度的增長，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度增加，但均小于標(biāo)養(yǎng)下混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度。原因是溫度影響了水泥水化速度，造成混凝土的孔結(jié)構(gòu)變化，以至于混凝土承載力截面發(fā)生變化，從而強(qiáng)度發(fā)生變化。

圖1　混凝土的實(shí)際抗壓強(qiáng)度

參照最薄弱斷面上材料的平均應(yīng)力公式［1］，由表2中混凝土的孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及圖1中混凝土的實(shí)際抗壓強(qiáng)度，可計(jì)算出不同養(yǎng)護(hù)方式下28 d時的混凝土的理論計(jì)算抗壓強(qiáng)度(見圖2)分別為25.2，29.8，35.1，46.4 MPa。由于理論計(jì)算抗壓強(qiáng)度考慮混凝土的最薄弱的斷面，即斷面小于實(shí)際混凝土的表面積，因此混凝土的理論計(jì)算抗壓強(qiáng)度均大于實(shí)際抗壓強(qiáng)度。

圖2　28 d時的混凝土理論計(jì)算抗壓強(qiáng)度

3　結(jié)論

1)不同變溫養(yǎng)護(hù)方式對混凝土的孔結(jié)構(gòu)即混凝土的氣孔平均弦長、氣孔間距系數(shù)、比表面積、孔隙率及膠空比產(chǎn)生不同影響。

2)不同變溫養(yǎng)護(hù)方式下，隨著各養(yǎng)護(hù)方式最低溫度的增長，混凝土的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率分別增大和減小，即混凝土的抗凍耐久性增強(qiáng)。

3)不同變溫養(yǎng)護(hù)方式下，隨著各養(yǎng)護(hù)方式最低溫度的增長，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度增加，但均小于標(biāo)養(yǎng)下混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度;混凝土的理論計(jì)算抗壓強(qiáng)度均大于實(shí)際抗壓強(qiáng)度。

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(責(zé)任審編周彥彥)

Influence of Concrete Pore Structure on Anti-frost Characteristics and Mechanical Performance under Varying Temperature Curing

DONG Yangtao，MENG Lei，LAN Lan，ZHANG Yakun，ZHANG Mingqiang

(China Railway 21st Bureau Group Road＆Bridge Engineering Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710000，China)

Abstract:T he pore structure，anti-frost characteristics and mechanical performance of concrete were tested under the curing condition where temperature changed per 24 h according to the sine curve in the range of－20～10℃，－10 ～10℃and 0～10℃and under the standard curing condition respectively，and the relationships among the pore structure，anti-frost characteristics and mechanical performance of concrete were discussed.T he experiment results show that average bubble chord length，bubble pore spacing coefficient，specific surface area，porosity and rubber air ratio of concrete have a regular change with the growth of minimum temperature under the varying temperature curing，the anti-frost characteristics and cube compressive strength of concrete enhance，both of which are less than frost durability and compressive strength of concrete under standard curing condition.

Key words:Concrete;Varying temperature curing;Pore structure;Anti-frost characteristics;M echanical performance

作者簡介:董陽濤(1983—)，男，工程師，碩士。

收稿日期:2015-10-11;修回日期:2015-12-19

文章編號:1003-1995(2016)03-0157-04

中圖分類號:TU528.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.37