何承義，王景波，張顯軍，楊 揚(yáng)

(黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

寒區(qū)冬季施工對(duì)混凝土耐久性的影響研究

何承義，王景波，張顯軍，楊 揚(yáng)

(黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

通過對(duì)不同養(yǎng)護(hù)制度下的寒區(qū)冬季施工混凝土氯離子擴(kuò)散、凍融循環(huán)試驗(yàn)，探究養(yǎng)護(hù)制度對(duì)其耐久性的影響，結(jié)果顯示出不同的養(yǎng)護(hù)溫度和相對(duì)濕度組合對(duì)冬季橋梁用混凝土滲透性能、質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈模量的影響。寒區(qū)橋梁用混凝土養(yǎng)生，高溫高濕的養(yǎng)護(hù)條件優(yōu)于低溫低濕和高溫干燥的養(yǎng)護(hù)條件。

寒區(qū)；養(yǎng)生；耐久性；橋梁用混凝土

冬季施工養(yǎng)護(hù)方法主要有綜合蓄熱法和外部加熱法，嚴(yán)寒時(shí)節(jié)只能使用外部加熱法[1]。黑龍江省屬于寒溫帶，與我國(guó)北方其它地區(qū)混凝土冬季施工相比有很大不同。寒區(qū)橋梁混凝土冬季施工外部加熱可通過紅外線加熱、電加熱、蒸汽加熱、火爐等來實(shí)現(xiàn)。在嚴(yán)寒的冬季進(jìn)行混凝土養(yǎng)生一直沒有科學(xué)規(guī)范的方法。事實(shí)上，混凝土的強(qiáng)度及耐久性與養(yǎng)護(hù)條件(尤其是溫度、濕度條件)關(guān)系很大，冬季施工混凝土的養(yǎng)生條件、溫度、濕度交替循環(huán)變化，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生下強(qiáng)度增長(zhǎng)有較大差異，因而現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)生的混凝土品質(zhì)會(huì)存在較大差異性[2]。近年來，由于交通設(shè)施建設(shè)的需要，有很多橋梁(特別是一些特大橋)采用了跨越嚴(yán)冬時(shí)節(jié)的冬季施工，為保證混凝土施工質(zhì)量，研究混凝土養(yǎng)生條件(溫度、濕度條件)對(duì)混凝土力學(xué)性質(zhì)及耐久性的影響十分必要。

1 試驗(yàn)材料配合比與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)中水泥選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。碎石為5～20 mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度2 712 kg/m3，堆積密度1 475 kg/m3，壓碎值8.9%，含泥量<1%；砂子細(xì)度模數(shù)為2.4，含泥量<3%，最大粒徑5 mm，表觀密度2 620 kg/m3，堆積密度1 346 kg/m3；粉煤灰采用Ⅰ級(jí)粉煤灰，燒失量為3.5%，比表面積為5 400 cm2/g；減水劑采用萘系減水劑。

1.2 混凝土配合比

通過對(duì)黑龍江省目前一些預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)所使用的混凝土配合比調(diào)查，確定本試驗(yàn)所使用混凝土配合比，并按此配合比制備試塊。試驗(yàn)用混凝土配合比如表1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

通過對(duì)黑龍江省及吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)橋梁冬季施工養(yǎng)生方法的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，施工企業(yè)最常使用搭棚覆蓋配合焦炭爐加熱、 搭棚覆蓋配合焦炭爐與蒸汽加熱組合3種方法進(jìn)行橋梁冬季施工養(yǎng)生。本研究針對(duì)性地設(shè)計(jì)了3種室內(nèi)試驗(yàn)：養(yǎng)生溫度5 ℃、相對(duì)濕度(RH)為50%；養(yǎng)生溫度60 ℃、相對(duì)濕度(RH)為30%；養(yǎng)生溫度60 ℃、相對(duì)濕度(RH)為95%，用來模擬實(shí)際施工的搭棚覆蓋(低溫低濕)、搭棚覆蓋加焦炭爐加熱法(高溫干燥)、搭棚覆蓋加焦炭爐再加蒸汽加熱(高溫高濕)養(yǎng)生環(huán)境。試驗(yàn)時(shí)分3組制作混凝土試件，用于3種養(yǎng)護(hù)組合的試驗(yàn)。每組試件養(yǎng)護(hù)一定齡期后對(duì)其進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定(RCM法)和凍融循環(huán)試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)用混凝土配合比 kg/m3

2 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用混凝土圓柱體試件Φ100 mm×100 mm規(guī)格，試件制作和養(yǎng)護(hù)及試驗(yàn)操作按GBT50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種養(yǎng)護(hù)制度，養(yǎng)護(hù)制度一設(shè)計(jì)為養(yǎng)生溫度5 ℃、相對(duì)濕度(RH)50%；養(yǎng)護(hù)制度二設(shè)計(jì)為在60 ℃，相對(duì)濕度(RH)30%環(huán)境養(yǎng)生；養(yǎng)護(hù)制度三設(shè)計(jì)為在60℃，相對(duì)濕度(RH)95%環(huán)境養(yǎng)生。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

使用氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定(RCM法)的養(yǎng)護(hù)方法共進(jìn)行7種，養(yǎng)護(hù)方式一的試件標(biāo)為C1，采用養(yǎng)護(hù)制度一到56 d；養(yǎng)護(hù)方式二的試件標(biāo)為C2，分別在養(yǎng)護(hù)制度二既60℃相對(duì)濕度(RH)30%環(huán)境養(yǎng)生3 d、7 d、14 d后再在養(yǎng)護(hù)制度一中養(yǎng)生到56 d；養(yǎng)護(hù)方式三的試件標(biāo)為C3，分別在養(yǎng)護(hù)制度三既60 ℃相對(duì)濕度(RH)95%環(huán)境養(yǎng)生3 d、7 d、14 d 后放入養(yǎng)護(hù)制度一的環(huán)境養(yǎng)生到56 d。齡期56 d結(jié)束后分別對(duì)3種方式下的試件進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定(RCM法)，其結(jié)果見表2。

試驗(yàn)結(jié)果顯示在相同的齡期下，溫度為5 ℃，相對(duì)濕度(RH)50%養(yǎng)護(hù)時(shí)(低溫低濕)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于養(yǎng)生溫度60 ℃、相對(duì)濕度(RH)為30%養(yǎng)護(hù)時(shí)(高溫干燥)，在60 ℃相對(duì)濕度(RH)95%環(huán)境養(yǎng)生(高溫高濕)氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小。先期進(jìn)行溫度60 ℃、相對(duì)濕度(RH)為30%(高溫干燥)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d后，再進(jìn)行溫度為5 ℃，相對(duì)濕度(RH)50%養(yǎng)護(hù)到56 d，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨先期高溫干燥養(yǎng)護(hù)天數(shù)增加而增大，表明先期的高溫干燥環(huán)境對(duì)混凝土抗?jié)B性能不利。先期進(jìn)行溫度60 ℃、相對(duì)濕度(RH)為95%(高溫高濕)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d 后，再進(jìn)行溫度為5 ℃，相對(duì)濕度(RH)50%養(yǎng)護(hù)到56 d，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨先期高溫高濕養(yǎng)護(hù)天數(shù)增加而減小，表明先期的高溫高濕環(huán)境對(duì)增加混凝土抗?jié)B性能有利。

表2 不同養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的滲透性性能

3 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)試件采用100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm兩種規(guī)格，第一種養(yǎng)護(hù)制度采用溫度60 ℃，相對(duì)濕度分別為30%、50%、70%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 d；第二種養(yǎng)護(hù)制度采用相對(duì)濕度95%時(shí)不同溫度30 ℃、60 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 d。

混凝土的凍融循環(huán)試驗(yàn)根據(jù)GBT50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗凍性能試驗(yàn)的快凍法進(jìn)行。

在氯化鈉溶液中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)參照國(guó)內(nèi)一些試驗(yàn)方法以及歐洲共同體通用試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)RILEM TC117-FDC/95、美國(guó)材試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTMC672提出的試驗(yàn)方法。

混凝土在氯化鈉溶液中凍融循環(huán)，鹽溶液濃度對(duì)混凝土的表面剝落影響較大，濃度過高或過低混凝土剝落都會(huì)減小，經(jīng)試驗(yàn)分析，采用3.0%濃度的氯化鈉溶液，凍融效果明顯[3]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件經(jīng)快凍法試驗(yàn)和在3.0%氯化鈉溶液中凍融循環(huán)試驗(yàn)后，同組試件在無氯化鈉水中的凍融次數(shù)明顯高于在3.0%濃度的氯化鈉溶液中的凍融次數(shù)。混凝土在無氯化鈉水中快速凍融時(shí)，質(zhì)量損失率小于在3.0%濃度的氯化鈉溶液中凍融時(shí)質(zhì)量損失率。且在3.0%濃度的氯化鈉中凍融循環(huán)可使動(dòng)相對(duì)彈性模量下降較在無氯化鈉水中快速凍融時(shí)加劇。其兩種養(yǎng)護(hù)制度下的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率見表3與表4。

表3 不同濕度養(yǎng)護(hù)試件凍融循環(huán)試驗(yàn)的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率

注：表中B代表混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量，M代表混凝土的質(zhì)量損失率；E1代表3%氯化鈉溶液凍融循環(huán)的相對(duì)動(dòng)彈性模量，M1代表3%氯化鈉溶液凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率。

如果將快凍法凍融循環(huán)試驗(yàn)看成單因素的凍融循環(huán)試驗(yàn)，添加3.0%氯化鈉溶液的凍融循環(huán)試驗(yàn)則看成是雙因素凍融循環(huán)試驗(yàn)。從表3與表4發(fā)現(xiàn)，單因素與雙因素兩種凍融循環(huán)試驗(yàn)隨著循環(huán)次數(shù)增加，單因素凍融循環(huán)相對(duì)彈性模量變化與雙因素的相對(duì)彈性模量變化趨勢(shì)近于相同，且雙因素相對(duì)彈性模量下降幅度比單因素凍融循環(huán)的相對(duì)彈性模量大。同樣，隨著循環(huán)次數(shù)增加，單因素凍融循環(huán)質(zhì)量損失率變化與雙因素凍融循環(huán)質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)近于相同，且雙因素凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率下降幅度比單因素凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率大。

表4 不同溫度養(yǎng)護(hù)試件凍融循環(huán)試驗(yàn)的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率

從表3可見，相同溫度不同濕度養(yǎng)護(hù)試件隨著養(yǎng)護(hù)濕度的提升抗凍融性能也有所提升，說明養(yǎng)護(hù)中保證濕度有利于混凝土抗凍性的提高。

從表4可見，相同濕度下不同溫度養(yǎng)護(hù)試件，高溫高濕養(yǎng)護(hù)有利于混凝土抗凍性的提高，高溫低濕的養(yǎng)護(hù)濕度混凝土的抗凍性不及高溫高濕養(yǎng)護(hù)。如同為凍融循環(huán)100次高溫低濕的養(yǎng)護(hù)試件相對(duì)彈性模量為高溫高濕養(yǎng)護(hù)試件相對(duì)彈性模量的84%；高溫低濕的養(yǎng)護(hù)試件質(zhì)量損失率為高溫高濕養(yǎng)護(hù)試件質(zhì)量損失率的133%。

4 結(jié) 論

1)溫度變化與濕度變化對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響不可忽視，高溫高濕環(huán)境對(duì)增加混凝土抗?jié)B性能有利。

2)養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土抗凍性有不同程度的影響，養(yǎng)護(hù)溫度升溫速度過快時(shí)混凝土表面的水分會(huì)大量蒸發(fā)，使混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展緩慢。高溫養(yǎng)護(hù)期混凝土保持充分濕度十分必要。高溫高濕養(yǎng)護(hù)條件的混凝土抗凍性能優(yōu)于高溫干燥和低溫低濕養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)生的混凝土。

3)處于寒區(qū)的橋梁用混凝土養(yǎng)生，高溫高濕的養(yǎng)護(hù)條件優(yōu)于低溫低濕和高溫干燥的養(yǎng)護(hù)條件。工程實(shí)際中搭棚覆蓋加焦炭爐與蒸汽加熱養(yǎng)生較搭棚覆蓋加焦炭爐加熱法對(duì)混凝土耐久性有利。

[1] 劉曉明.寒冷地區(qū)低溫對(duì)混凝土性能的研究及工程措施淺析[J]. 建筑科學(xué)，2012(1): 196.

[2] 梁為明，孫祥.養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)道路混凝土耐久性影響[J]. 北方交通科技，2015(7): 26.

[3] MARCHAND J, PIGEON M, BAGER D,et al. Talbo Influence of chloride solution concentration on deicer salt scaling deterioration of concrete[J].ACI Materials Journal, 1999,96(4):429-435.

[4] DUNKER K F.RUBBAT B G.Why American's bridges are crumbing , Scientific American,1992.

[5] 趙蕓平，孫玉良，于濤，等. 寒冷地區(qū)冬季混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)2009，28(4):123-125.

[6] 王慧穎，王堯天. 寒區(qū)植被混凝土無側(cè)限抗壓性能試驗(yàn)研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014(4)： 4-7.

[7] 李連志，于靜波.混凝土抗鹽凍性能的試驗(yàn)研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(3)： 14-17.

[8] RILEM TC117-FDC/95.Test method for the freeze-thaw resistance of concrete with water(CF) or with sodium chloride solution (CDF),1995.

[9] 梁軍林，王浩，張擎. 養(yǎng)生溫濕度條件對(duì)路面水泥混凝土彎拉強(qiáng)度的影響[J].公路交通科技，2011(11) :32-38.

[10] Organisation for Economic Co-operation and Development,“Durability of Concrete Road Bridges”,reported by an OECD scientific experts group ,1990:5-75.

[11] 王能.不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2014.

[12] 胡曙光.不同養(yǎng)護(hù)制度下混合水泥反應(yīng)程度的研究[J]. 武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,18(12):33-36.

[13] 于韻，蔣正武. 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土早期內(nèi)部相對(duì)濕度的影響研究 [J]. 江西建材，2003(11): 15-17.

[14] 黃瑜，祁錕，張君.早齡期混凝土內(nèi)部濕度發(fā)展特征[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(4): 309-311.

[15] 耿健，彭波，孫家瑛. 蒸汽養(yǎng)護(hù)制度對(duì)水泥石孔結(jié)構(gòu)影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2011(1)：116-118.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

A study of the effect of the durability of concrete in cold region

HE Chengyi, WANG Jingbo, XIAN Junzhang, YANG Yang

(College of of Architectural and Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,China)

The experimental study on the durability of concrete in the bridge is carried out. The influence of different curing temperature and relative humidity combination concrete of the cold region construction bridges are used durability is obtained. The conclusion shows that, The late strength of concrete is slow when the curing temperature heats up too fast. Because The water on the concrete surface evaporates in large quantities .It is necessary for the high temperature curing of concrete to keep enough moisture.

cold region;curing; concrete durability；bridge concrete

2017-03-22

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201325)

何承義(1962-)，男，教授， 研究方向：土木工程.

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.04.001

TU528

A

1671-4679(2017)04-0001-03