低溫(3 ℃)下高強混凝土強度增長及其水化程度研究

段　運，王起才，張戎令，陳　川，張少華

(蘭州交通大學土木工程學院，蘭州　730070)

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低溫(3 ℃)下高強混凝土強度增長及其水化程度研究

段運，王起才，張戎令，陳川，張少華

(蘭州交通大學土木工程學院，蘭州730070)

試驗研究了低溫(3 ℃)養護條件、水膠比、齡期對水泥水化程度和混凝土抗壓強度的影響規律，以及水化程度與混凝土抗壓強度之間的內在聯系。通過分析水泥水化反應機理、水化程度和混凝土抗壓強度影響因素，得出低溫(3 ℃)對水化程度和混凝土抗壓強度有明顯的抑制作用，前7 d內影響最明顯，隨著齡期的增加影響逐漸減弱；對水泥水化程度的影響是一個連鎖影響，影響程度大；對低水膠比混凝土抗壓強度影響時期較長，高水膠比混凝土抗壓強度影響時期較短；三種水膠比混凝土28 d抗壓強度損失為3.2%～6.2%，低溫(3 ℃)延遲了三種水膠比混凝土達到其設計抗壓強度的時間，且隨水膠比減小而增長；水化程度和混凝土抗壓強度有著共同的影響因素且兩者隨齡期的變化規律有很好的一致性，因此可以用水化程度來反映混凝土抗壓強度的變化。

低溫； 水膠比； 水化程度； 抗壓強度

1　引　言

我國北方大部分地區進入冬期時間較早且持續時間長，為使建筑工程盡早完工使用，經常需在冬期進行施工建設，但混凝土結構在冬期施工中容易出現強度不足、裂縫過多等質量隱患，進而影響建筑物的安全性及耐久性。建筑工程冬期施工規范JGJ/T104-2011[1]中規定，當室外日平均氣溫連續5 d低于5 ℃時，即進入冬期施工，且明確規定，凡進行冬期施工的工程項目，需編制冬期施工專項方案。目前混凝土冬期施工中，為了防止混凝土早期凝固時被凍壞，保證其后期強度，一般需要在施工和養生階段采取一些措施，例如加熱原材料、采用特殊養護方式以及摻加外加劑等，但這些措施不僅會增加施工難度，延緩施工進度，同時也會改變混凝土的一些性能，影響工程質量。張潤瀟等[2]研究了恒定低溫(0～20 ℃)條件下C30混凝土強度變化規律,劉潤清等[3]研究了低溫混凝土早期內部水化產物和水化結構，王傳星等[4]對已達到設計強度的同等級混凝土在不同低溫環境下的強度變化情況進行了研究，劉軍等[5]對自然變低溫養護條件下混凝土的強度及抗凍性能進行了研究,而以溫度和齡期作為變量，對普通與高強混凝土在低溫養護下的強度損失率以及10～50 ℃范圍內養護溫度和齡期對混凝土強度影響的研究僅限于Husem[6]、Kim[7]等學者所做的試驗，關于高強混凝土在5 ℃以下養護條件下的水化特性和強度變化規律研究很少。本試驗結合北方冬期施工條件，對低溫(3 ℃)下水泥水化特性和混凝土抗壓強度定量化分析，確定低溫(3 ℃)環境下不同水膠比水泥凈漿水化程度和混凝土抗壓強度隨齡期變化的增長規律，以及水泥水化程度和混凝土強度增長之間的內在關系，進而為冬期施工區混凝土結構提供理論依據。

2　試　驗

2.1試驗方法

恒定低溫環境下水泥凈漿水化熱試驗采用國標GB/T 12959-2008[8]中的直接法。目前我國使用的水泥水化熱的測定方法有直接法與溶解熱法。直接法原理是：將恒溫瓶放置在恒定的低溫環境中，用測溫元件測定恒溫瓶內冰和水泥漿體以及恒溫瓶內外空氣溫度隨齡期的變化值，通過計算不同齡期下恒溫瓶內冰吸收的熱量和恒溫瓶內外交換的熱量來推算不同齡期下的水泥水化熱量。

持續低溫養護條件下混凝土強度試驗依據GB/T 50081-2002[9]對不同齡期下混凝土立方體抗壓強度進行測量。試驗設計養護溫度為3 ℃和20 ℃，齡期為3、7、14、28、56 d，其中20 ℃試驗組為標準養護試驗。

2.2試驗儀器和原材料

2.2.1試驗儀器

試驗儀器：環境模擬箱、標養室、恒溫控制瓶、溫度自動巡檢儀、鉑電阻溫度傳感器、壓力試驗機等。

圖1　壓力試驗機Fig.1　Compression testing machine

圖2　恒溫控制瓶Fig.2　Constant temperature vacuum flask

2.2.2試驗原材料

兩個試驗中水泥都采用P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥，由蘭州甘草水泥集團生產。水泥各項性能指標實測值見表1，配合比見表2。

表1　P·O 42.5級硅酸鹽水泥性能指標

細骨料：河砂，細度模數為2.7，屬于中砂，表觀密度2640 kg/m3，松散堆積密度1630 kg/m3，緊密堆積密度1780 kg/m3，含泥量3.4%。

粗骨料：碎石，連續級配，粒徑范圍5～26.5 mm，表觀密度2800 kg/m3，壓碎指標6.7%。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑。

表2　混凝土配合比

2.3試驗方案與步驟

2.3.1試驗方案

恒定低溫環境下水泥凈漿水化熱試驗分為Q1、Q2、Q3三組，各組水泥用量均為1 kg。水泥凈漿的入模溫度控制在3 ℃，恒溫瓶內水泥凈漿初始水化溫度控制在(3±1) ℃，其中Q1、Q2、Q3三組的水泥凈漿的水膠比分別為0.24、0.31、0.38。

持續低溫養護條件下混凝土強度試驗F1、F2、F3、F4、F5、F6六組。前三組F1、F2、F3水膠比分別為0.24、0.31、0.38，入模溫度控制在18 ℃，養護溫度控制在(3±1) ℃，養護濕度控制在95%。后三組F4、F5、F6的水膠比分別為0.24、0.31、0.38，入模溫度控制在18 ℃，養護溫度控制在(20±1) ℃，養護濕度控制在95%。混凝土由專業混凝土攪拌機一次攪拌完成，試塊尺寸大小為100 mm×100 mm×100 mm，試模水平放置后灌入混凝土，經振動臺振搗60 s后抹平表面。標準養護下的混凝土試塊先在室內(1 d內平均氣溫為18 ℃)帶模保水養護1 d，然后脫模放入標準養護室進行養護；低溫養護條件下的試塊放入環境模擬箱中養護，養護過程采取保水措施，防止混凝土內大量水分散失到空氣中。

2.3.2試驗步驟

恒定低溫環境下水泥凈漿水化熱試驗前根據GB/T 12959-22008規范測定每組恒溫瓶的散熱常數K(J/(h·℃))，確保所有恒溫瓶的散熱常數在恒定的范圍內，再根據規范計算出每個恒溫瓶的總的熱容量CP(J/℃)。水泥凈漿攪拌均勻后灌入恒溫瓶中，用自動巡檢儀測定Q1、Q2、Q3三組恒溫瓶內冰和水泥漿體以及恒溫瓶內外空氣溫度隨齡期的變化值，計算不同齡期下恒溫瓶內冰吸收的熱量和恒溫瓶內外交換的熱量來得到不同齡期下的水泥水化熱量。

Qτ=CP(Tτ-T0)+K∑S0～τ

(1)

式中：Qτ-τ齡期內水泥水化放出的總熱量,J；CP-澆注完成后的恒溫瓶總熱容量,J/℃；Tτ-τ時刻的水泥水化溫度,℃；T0-水泥水化的初始溫度,℃；K-恒溫瓶的散熱常數,J/(h·℃);S0～τ-0～τ時間內恒溫瓶內外溫度曲線之間的面積,h·℃。

持續低溫養護條件下混凝土強度試驗依據GB/T 50081-2002對混凝土3 d、7 d、14 d、28 d、56 d的立方體抗壓強度進行測量。

3　結果與討論

3.1恒定低溫環境下水泥水化熱量計算及分析

試驗采用普通硅酸鹽水泥，1 kg水泥完全水化放出的熱量Qmax為425～460 kJ[10]，依據公式(1)計算出三種水膠比水泥凈漿在不同齡期下的水化放熱量。

水泥的水化程度[11]定義為下式：

(2)

式中：Qτ-τ齡期內1 kg水泥水化放出的總熱量；Qmax-1 kg水泥水化完全放熱總量，取454 kJ；γτ-其表示的是在一定時間內發生水化作用的量和完全水化量的比值。

表3為三種水膠比下1 kg水泥凈漿在不同齡期下的水化熱量(單位：kJ)及水化程度。

表3　不同水膠比下的水化熱量及水化程度

通過表3可以看出，入模溫度控制在3 ℃時，水膠比對恒定低溫下水泥水化放熱的影響很明顯，所有齡期下水膠比為0.38的水泥凈漿放熱量最大，水膠比為0.31的水泥凈漿放熱量次之，水膠比為0.24的水泥凈漿放熱量最小。水膠比的不同實際體現了單位水泥顆粒周圍水含量的不同，而水在水泥水化過程中是不可缺少的反應物。水泥水化反應屬于放熱反應，說明反應物的總能量大于生成物的總能量，依據化學反應原理，水泥顆粒周圍水含量較多時，反應物的數量相對較多，該反應物的總能量就相對較大，在同一化學反應過程中自然就放出的熱量較多。因此從化學反應角度分析水膠比大的水泥凈漿水化放熱量多。

28 d時水膠比為0.38的水泥凈漿水化程度為0.60，水膠比為0.31的水泥凈漿水化程度為0.56，水膠比為0.24的水泥凈漿水化程度為0.50，可以看出低溫環境下三種水膠比的水泥凈漿在28 d時的水化程度都比較低，說明低溫對水泥水化反應產生了明顯的抑制作用，這是因為低溫條件下水的粘滯性增大，水分子運動能力降低，水分子與水泥顆粒之間的碰撞減弱，水化反應變緩。水泥完全水化的理論需水量約為0.23，這三種水膠比中水的含量完全滿足水泥完全水化的需水量，水含量充足，但水化放熱量和水化程度卻依然不同，這說明低溫對不同水膠比水泥凈漿水化反應有不同的影響程度。由表3可知，低溫環境對水膠比小的水泥凈漿水化程度影響最大，這是由于水膠比小的水泥凈漿中單位水泥顆粒周圍本身水含量較少，而實際參與水化反應的水分子數量更少，使水與水泥顆粒的接觸面積變小，水化反應變緩，水泥顆粒水化不充分；低溫又使水泥水化反應速率降低，因此水膠比小的水泥凈漿水化反應變得很慢。溫度對化學反應速率的影響很大，因此從溫度的角度分析水化反應，試驗溫度為3 ℃，水化反應溫度較低，自然會降低水化反應速率和水化程度，水化反應又屬于放熱反應，熱量的產生就會導致化學反應溫度的升高，溫度升高，化學反應速率加快，水化放熱量增大，水化程度變大，說明溫度對水泥水化反應的影響是一個連鎖影響，并且影響程度很大。

28 d之后三組水膠比的水化程度增長都變得很緩慢，水膠比的不同和低溫環境的影響在這個時期內對水化反應速率的影響已經不顯著，說明水泥凈漿到達一定齡期后，低溫環境下三種水膠比的水化程度已經趨于一個相對穩定的值，水泥凈漿的水化放熱量進入一種穩態。因此低溫環境和水膠比的不同對水化反應速率的影響程度在早期的水化反應中較大，在后期的水化反應中較小。

3.2持續低溫養護條件下混凝土強度分析

持續低溫下養護條件下的混凝土試塊放在環境模擬箱中養護完成，溫濕度控制完全滿足要求，依據GB/T 50081-2002對混凝土立方體抗壓強度進行測量，每個齡期下的試驗組試塊數量為3個，試驗數值取這3個試塊結果的平均值，當單個試塊的實測值與平均值之差大于15%時，舍去該值，試驗結果取剩余試塊結果的平均值。3、7、14、28、56 d的混凝土立方體抗壓強度值見表4。

表4　混凝土抗壓強度值

混凝土強度的產生是水泥水化的結果，水泥水化的程度與水化溫度以及水膠比有關，混凝土強度的增長還與混凝土的養護齡期有關，因此水膠比、養護溫度、養護齡期成了影響混凝土強度增長的主要因素。

圖3　0.24水膠比混凝土強度Fig.3　Compressive strength of 0.24 water binder ratio concrete

圖4　0.31水膠比混凝土強度Fig.4　Compressive strength of 0.31 water binder ratio concrete

圖5　0.38水膠比混凝土強度Fig.5　Compressive strength of 0.38 water binder ratio concrete

由圖3、4、5可以得出，低溫(3 ℃)養護條件下三種水膠比混凝土抗壓強度在試驗齡期內都低于其標準養護條件下混凝土抗壓強度，這種差異在前7 d內最大，7 d之后差異變小且趨于穩定；28 d時低溫(3 ℃)養護條件下三種水膠比(0.24、0.31、0.38)混凝土抗壓強度分別為其標準養護條件下的93.8%、94.2%、96.8%，強度損失較小。說明低溫(3 ℃)養護條件對三種水膠比混凝土早期抗壓強度增長產生不利的影響，且隨著齡期增加，這種不利的影響程度逐漸減弱，28 d之后這種不利的影響程度變的很小。這是由于低溫(3 ℃)養護條件使混凝土內部初始溫度降低，致使混凝土內水泥水化反應速率降低，水化程度變小，進而導致混凝土早期抗壓強度增長緩慢；到一定齡期后，混凝土內大部分水泥顆粒已完成水化，繼續水化的水泥顆粒變得很少，低溫(3 ℃)對水化程度增長的影響變得很小，對混凝土強度增長的影響程度也就變得很小。

混凝土試塊在3 ℃養護條件下，水膠比為0.24混凝土3 d的強度達到了標準養護28 d強度的61.7%，7 d的強度達到了標準養護28 d強度的80.8%，56 d的強度達到了標準養護28 d強度的98.8%；水膠比0.31混凝土3 d的強度達到了標準養護28 d強度的40.6%，7 d的強度達到了標準養護28 d強度的81.2%，56 d的強度達到了標準養護28 d強度的100.5%；水膠比為0.38混凝土3 d的強度達到了標準養護28 d強度的41.5%，7 d的強度達到了標準養護28 d強度的80.5%，56 d的強度達到了標準養護28 d強度的101.7%。3 ℃養護條件下三種水膠比混凝土28 d抗壓強度都沒達到其標準養護28 d的抗壓強度，56 d時才能達到其標準養護28 d的抗壓強度，且水膠比越小的混凝土達到其28 d抗壓強度的時間越遲。由此可以得到，低溫(3 ℃)養護條件對水膠比小的混凝土抗壓強度影響時期較長；對水膠比大的混凝土前期抗壓強度影響明顯，后期影響不明顯。這是因為水膠比大的混凝土早期單位水泥顆粒周圍水含量多，水化反應較快，水化程度大，混凝土抗壓強度增長較快，當齡期達到一定時間后，混凝土內部大部分水泥已水化完成，混凝土強度增長已變緩，溫度對剩余的少部分水泥水化反應的影響已很微弱，溫度對混凝土強度增長的影響變得不明顯。

3.3低溫下混凝土強度與其水化程度之間的聯系

混凝土抗壓強度的增長速率是一個由快到慢的變化過程，水泥的水化程度也是一個由快到慢的變化過程。水泥的水化程度和混凝土抗壓強度的影響因素都主要為水膠比、溫度和齡期，并且兩者之間存在著內在聯系，因此用水泥的水化程度來反應混凝土抗壓強度的變化比較合理。

圖6　低溫下不同水膠比水泥水化程度Fig.6　Hydration degree of different water binder ratio under low temperature

圖7　低溫下不同水膠比混凝土強度Fig.7　Compressive strength of different water binder ratio under low temperature

由圖6和圖7曲線斜率可知，前7 d水泥的水化程度最大，混凝土強度的增長速度也最快，兩者的變化趨勢很接近，有明顯的線性相關性。7～14 d之間水泥的水化程度開始慢慢變緩，混凝土強度出現了更為明顯的變緩，兩者的變化趨勢開始有所不同，水泥水化程度變緩的比較均勻，而與之對應的混凝土強度增長速率變化不均勻，出現較為明顯的變化點，而且水膠比不同這種強度增長速率變化起始點也不同，水膠比為0.38的變化點齡期在第10 d，水膠比為0.31的變化點齡期在第9 d，水膠比為0.24的變化點齡期在第8 d，呈現出水膠比越小，這種強度增長速率的變化點會越早出現。14 d之后兩者的變化趨勢又開始比較一致，水化程度和混凝土抗壓強度變化都趨于平緩，增長很緩慢。

前7 d內混凝土強度增長與水泥水化程度有很一致的同步性，可認為這段齡期內混凝土強度的增長主要由水泥的水化來實現的。7～14 d水泥水化程度與混凝土強度增長不同步，混凝土強度增長比水泥凈漿水化程度早進入穩定緩慢增長狀態，說明當混凝土強度達到一定值后，水泥水化對混凝土強度增長不起決定性的作用了，但仍然是混凝土強度增長的影響因素。14 d后水泥水化程度和混凝土強度的增長趨勢都很平緩，但仍有同步性，水化程度依然是混凝土的強度增長的影響因素。說明混凝土抗壓強度的增長是水泥水化程度變化的宏觀表現，水泥水化程度的變化是混凝土抗壓強度增長的內在原因。

低溫(3 ℃)養護條件下，水泥水化反應的速率較慢，初始水泥水化放熱量較小，水化程度較低，混凝土強度增長也就較慢，這樣必然與標養下強度會產生差值。水膠比為0.38的混凝土，水泥顆粒與水接觸充分，初始水化放熱量較多，溫度就會升高，水化反應速率加快，水化程度變大，混凝土的強度增長變快，從而致使其低溫下的混凝土強度最早與標準養護條件下的混凝土強度接近。

4　結　論

(1)低溫(3 ℃)對水泥水化程度和混凝土強度增長有明顯的抑制作用，低溫(3 ℃)對水泥水化程度的影響是一個連鎖影響，影響程度大；對水膠比一定的混凝土抗壓強度的影響主要在前期，后期影響較小；

(2)低溫(3 ℃)條件下，水膠比小的水泥凈漿水化程度較小，水膠比大的水泥凈漿水化程度較大；同一齡期時水膠比小的混凝土抗壓強度比水膠比大的混凝土抗壓強度大；

(3)低溫(3 ℃)對不同水膠比水泥凈漿水化程度的影響主要在前期，隨著齡期的增長影響程度逐漸減弱；低溫(3 ℃)養護條件對水膠比小的混凝土抗壓強度影響時期較長；對水膠比大的混凝土抗壓強度影響時期較短；

(4)低溫(3 ℃)養護條件下三種水膠比混凝土28 d抗壓強度相對其標準養護條件下的強度損失為3.2%～6.2%，三種水膠比混凝土后期抗壓強度損失很小，低溫(3 ℃)延遲了三種水膠比混凝土達到其設計抗壓強度的時間，且水膠比越小，延遲時間越長；

(5)水泥的水化程度和混凝土抗壓強度的影響因素都為水膠比、溫度和齡期，且水化程度與混凝土強度之間有內在的聯系，因此可以用水泥的水化程度來反應混凝土抗壓強度的變化。低溫3 ℃)養護條件下，水化程度大，混凝土抗壓強度增長快，水化程度小，混凝土抗壓強度增長慢，這種影響程度在前7 d內最明顯，隨著齡期的增長影響程度逐漸減弱。

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Strength Growth of High Strength Concrete and Its Degree of Hydration under Low Temperature(3 ℃)

DUANYun,WANGQi-cai,ZHANGRong-ling,CHENChuan,ZHANGShao-hua

(School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Studied on the influence law of cement hydration degree and the compressive strength of concrete under the factors of low temperature (3 ℃) curing condition, water binder ratio and ages, as well as the inner link between hydration degree and the compressive strength of concrete by experience. By analyzing the mechanism of cement hydration reaction, the influence factors of cement hydration degree and the compressive strength, it showed that low temperature (3 ℃) has obvious inhibitory effect on the hydration degree and compressive strength of concrete, the first 7 d is the most obvious, and it is weaken with the increase of age. This influence is a chain effect, influence degree is huge. The influence period is longer in low water-binder ratio and shorter in high water-binder ratio. 28 d compressive strength loss of the three kinds of water-binder ratio of concrete is 3.2%-6.2%, low temperature (3 ℃) delayed the reach time of concrete compressive strength of its designed of the three water-binder ratio, and it is increased with the decrease of the water-cement ratio. Degree of hydration and concrete compressive strength own same influencing factors, and their changing rule with the age has a good consistency, therefore the hydration degree can be used in the variation of the compressive strength of concrete.

low temperature;water binder ratio;degree of hydration;compressive strength

國家自然科學基金(51268032) ;長江學者和創新團隊發展計劃基金項目(IRT1139)

段運(1990-)，男，碩士研究生.主要從事混凝土方面的研究.

王起才，教授，博導.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0012-07