負溫(-3 ℃)養護下混凝土抗壓強度增長試驗研究

段　運，王起才，張戎令，代金鵬，徐瑞鵬

(蘭州交通大學土木工程學院，蘭州　730070)

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負溫(-3 ℃)養護下混凝土抗壓強度增長試驗研究

段運，王起才，張戎令，代金鵬，徐瑞鵬

(蘭州交通大學土木工程學院，蘭州730070)

本實驗主要研究負溫(-3 ℃)養護條件、水灰比、齡期對混凝土抗壓強度的影響規律。通過測定持續負溫養護條件和標準養護條件下三種水灰比(0.24、0.31、0.38)混凝土試塊在不同齡期下的抗壓強度值，分析混凝土強度增長機理和抗壓強度影響因素，得出負溫養護條件對三種水灰比混凝土抗壓強度增長有明顯的抑制作用，前7d內影響最明顯，隨著齡期的增加影響逐漸減弱，而且對水灰比為0.24的混凝土抗壓強度造成了不可恢復的損傷；低水灰比由于水含量的不足導致其后期混凝土抗壓強度較低，高水灰比會由于混凝土內部結冰量較大，體積發生膨脹形成微裂縫，導致其后期抗壓強度不高，故存在著與養護溫度對應的最優水灰比。

負溫； 水灰比； 齡期； 抗壓強度； 最優水灰比

1　引　言

混凝土是由水泥、骨料和水共同組成的復雜多相聚集體。從宏觀結構上看，可以把混凝土看成是連續相的水泥漿和離散相的嵌入在水泥漿中的骨料顆粒所組成的復合材料[1]，從微觀結構上看，混凝土是由水泥凝膠、氫氧化鈣結晶、未水化的水泥顆粒、膠凝孔隙、毛細管、孔隙水以及氣泡等組成[2]。青藏鐵路中跨越溫度極不穩定且高含冰量凍土區“以橋代路”的橋梁，大多數都采用鉆孔灌注樁基礎[3,4]。青藏鐵路沿線的凍土年平均溫度維持在0～-3.5 ℃[5,6]，而建設過程中混凝土的入模溫度一般控制為2～10 ℃[7]。巴恒靜等[8]測出了基準混凝土在負溫下的早期凍脹應力并得出早期凍脹應力及強度的發展規律；楊少偉等[9]對負溫、自然變負溫及轉正溫標養下混凝土動彈性模量與抗壓強度的變化規律以及損傷程度做了研究；鐔春來等[10]測出了基準混凝土在負溫下的早期凍脹應力并研究了早期凍脹應力對混凝土強度及抗凍性能的影響；楊英姿等[11]認為高防凍組分的防凍劑能夠促進自然變負溫養護下混凝土強度的持續增長也抑制了標準養護條件下混凝土后期強度的增長；周梅等[12]從理論上探討了外加劑及摻合料對負溫混凝土的作用機理并指出復合外加劑及摻合料是制備負溫混凝土的技術關鍵。以上學者從不同角度研究了負溫養護條件下混凝土的性能，但大部分研究都基于普通混凝土，對高強混凝土性能研究較少。試驗以凍土地區、北方冬季施工地區為背景，主要研究負溫(-3 ℃)條件下不同水灰比混凝土立方體抗壓強度，得出負溫環境下不同水灰比混凝土抗壓強度隨齡期變化的規律，分析負溫下混凝土抗壓強度損失的原因，進而為負溫混凝土施工技術以及多年凍土區和冬季施工區混凝土強度提供理論依據。

2　試　驗

2.1試驗方案

混凝土強度試驗根據養護條件和水灰比的不同分為F1、F2、F3、F4、F5、F6六個試驗組。前三組F1、F2、F3混凝土的水灰比分別為0.24、0.31、0.38，在環境模擬箱中養護完成，入模溫度控制在18 ℃，養護溫度控制在(-3±1) ℃，養護濕度控制在85%以上；后三組F4、F5、F6混凝土的水灰比分別為0.24、0.31、0.38，在標準養護室中養護，入模溫度控制在20 ℃，養護溫度控制在(20±1) ℃，養護濕度控制在95%。在持續負溫(-3 ℃)養護條件下和標準養護條件下養護至3、5、7、10、14、21、28、56、128d時依據GB/T50081—2002[13]對混凝土立方體抗壓強度進行測試。

2.2試驗儀器和原材料

本試驗儀器包括：環境模擬箱、標養室、溫度自動巡檢儀、鉑電阻溫度傳感器、壓力試驗機等。環境模擬箱有效尺寸6m×3.5m×2.2m(長×寬×高)。溫度范圍：-20～80 ℃，升/降溫速率最大≥1 ℃/min，溫度變化可實現溫度荷載編程，溫度波動度≤±0.5 ℃；溫度均勻度≤2 ℃。濕度范圍：10%～90%RH；濕度偏差±5%RH(≤75%RH)。

圖1　環境模擬箱Fig.1　Environment simulation cabin

圖2　溫度自動巡檢儀Fig.2　Automatic temperature recorder

試驗中水泥采用P·O42.5的普通硅酸鹽水泥，蘭州甘草水泥集團生產。水泥各項性能指標實測值見表1，混凝土配合比見表2。

細骨料：河砂，細度模數為2.67，屬于中砂，表觀密度2643kg/m3，松散堆積密度1625kg/m3，緊密堆積密度1785kg/m3，含泥量3.4%。

粗骨料：碎石，連續級配，粒徑范圍5～26.5mm，表觀密度2798kg/m3，壓碎指標6.7%。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑。

表1　P·O 42.5級硅酸鹽水泥性能指標

表2　混凝土配合比

2.3試驗步驟

原材料各項指標測定完之后，依據混凝土配合比進行稱料攪拌，每個水灰比下的混凝土由專業攪拌機一次攪拌完成，試驗時室內溫度為18 ℃，濕度為86%。試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，試模水平放置后灌入混凝土，經振動臺振搗60s后抹平表面。標準養護下的混凝土試塊先在室內(1d內平均氣溫為18 ℃)帶模保水養護1d，然后脫模放入標準養護室養護；負溫(-3 ℃)養護條件下的試塊帶模放入環境模擬箱中保水養護。混凝土試塊在兩種養護條件下養護至所需齡期依據GB/T50081—2002對其3、5、7、10、14、21、28、56、128d的立方體抗壓強度進行測試,每個齡期下的試驗組試塊3個，試驗數值取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，應舍去該值，試驗結果取剩余試塊結果平均值。

3　結果與討論

六組混凝土試塊在不同齡期下的立方體抗壓強度值見表3。

表3　混凝土抗壓強度

3.1水灰比對混凝土抗壓強度的影響

負溫和標準養護下不同水灰比混凝土抗壓強度隨齡期的變化關系曲線見圖3和圖4。由表3和圖3、圖4的試驗結果可知，相對于標準養護條件，持續負溫(-3 ℃)養護條件對三種水灰比混凝土抗壓強度的增長有明顯的抑制作用。首先，負溫(-3 ℃)養護條件下三種水灰比的混凝土早期(前7d內)抗壓強度增長速率快，呈線性增長趨勢，7d之后抗壓強度增長速率開始變緩，隨著齡期的增大，變緩程度越明顯。

其次，由圖3可知，在前12d內，水灰比小的混凝土抗壓強度相對較高，符合常規的混凝土抗壓強度變化規律，12d之后水灰比為0.31的混凝土抗壓強度開始超過水灰比為0.24的混凝土抗壓強度，并且在128d時仍高于水灰比為0.24的混凝土抗壓強度，但水灰比為0.24的混凝土抗壓強度在整個齡期內都高于水灰比為0.38的混凝土抗壓強度。水灰比的不同，主要體現在單位水泥周圍水含量的不同，水灰比小，單位水泥顆粒周圍的水含量就少。盡管這三種水灰比都能完全滿足水泥完全水化的理論需水量，但是水含量的多少會直接影響水泥的早期水化程度[14]，進而影響到早期混凝土的抗壓強度。負溫(-3 ℃)環境下，溫度較低，混凝土中大部分水已接近冰點，水的粘滯性大大增加，水泥水化反應進行緩慢，水化程度較低，混凝土早期抗壓強度較低，隨著齡期的增加，水化反應的進行，水化程度增大，混凝土抗壓強度增大，混凝土早期結構基本形成。對于水灰比為0.24的混凝土，由于水灰比值較小，本身含水量較少，外界環境雖然采取了保濕處理，但相對于混凝土內部的濕度仍然較低，這樣混凝土內部的一小部分水分由于濕度的差異會散失到混凝土周圍空氣中，由于混凝土試塊處于負溫環境中，散失的水分子遇冷凝華成固體小冰晶，又導致混凝土內外濕度不平衡，水分子又從混凝土內向周圍環境轉移，形成連鎖反應，隨著水化反應的進行，部分水已經發生水化反應，未水化的水含量減少，且由于處于負溫環境下，一部分水會形成小冰晶，無法直接參與水化反應，這樣真正未水化的自由水含量就會變得很少，隨著混凝土養護齡期的增加，水灰比為0.24的混凝土內部提供水泥繼續完全水化的自由水含量已經不足，從而嚴重影響水化反應的進行，使水泥水化程度降低，混凝土抗壓強度增長很緩慢，中后期混凝土由于水的不足而使其抗壓強度相對于標準養護條件下同水灰比混凝土強度變得很低。水灰比為0.38的混凝土，由于水灰比較大，本身抗壓強度低，內部未水化的自由水含量又較大，在負溫(-3 ℃)條件下，混凝土內部結冰量較大，水結冰以后體積發生膨脹，內部形成凍脹應力[15]，在形成冰晶的周圍應力集中，而早期混凝土強度很低，凍脹應力超過此時混凝土的抗拉強度值，形成許多微裂縫，已結冰的水會推動未結冰的水沿著這些裂縫遷移，在裂縫中繼續結冰，進而促進了裂縫的擴展，并且這些裂縫在后期養護中是無法愈合的[16]，0.38水灰比的混凝土內可進行遷移的水含量又較多，因此，不可恢復的裂縫數量較多，從而使混凝土的抗壓強度降低。水灰比為0.31的混凝土介于兩者之間，既能滿足后期水泥水化需水量的需求，也能有效的降低不可恢復裂縫的產生，因而合理的解釋了其后期抗壓強度最高的原因。

圖3　負溫養護下不同水灰比混凝土抗壓強度Fig.3　Compressive strength of different water cement-ratio under minus temperature

圖4　標準養護下不同水灰比混凝土抗壓強度Fig.4　Compressive strength of different water cement-ratio under standard temperature condition

最后，負溫(-3 ℃)養護條件下三種水灰比混凝土28d的抗壓強度都比較低，水灰比為0.24、0.31和0.38的混凝土抗壓強度分別為40.1、43.4和34.7MPa，分別達到了其標準養護條件下28d抗壓強度的58.8%、75.6%和78%。表明負溫(-3 ℃)養護對三種水灰比28d的抗壓強度有明顯的抑制作用，尤其對水灰比為0.24的混凝土抗壓強度影響程度最大。

3.2養護溫度對混凝土抗壓強度的影響

圖5、圖6和圖7分別為三種水灰比混凝土在持續負溫(-3 ℃)養護條件下和標準養護條件下的抗壓強度與時間的關系圖，從這些圖中可以分析出不同養護條件對混凝土抗壓強度的影響。

圖5　0.24水灰比混凝土抗壓強度Fig.5　Compressive strength of 0.24 water-cement ratio concrete

圖6　0.31水灰比混凝土抗壓強度Fig.6　Compressive strength of 0.31 water-cement ratio concrete

圖7　0.38水灰比混凝土抗壓強度Fig.7　Compressive strength of 0.38 water-cement ratio concrete

由圖5、圖6和圖7可以看出，標準養護條件下三種水灰比的混凝土抗壓強度在前5d內增長非常快，可以達到較高的值，抗壓強度增長速率呈直線型增長，5d之后混凝土抗壓強度增長速率開始變緩，隨著齡期的增加，抗壓強度趨于穩定。負溫(-3 ℃)養護條件下，三種水灰比下的混凝土抗壓強度在前7d內增長速率較快，但明顯低于標準養護下的增長速率。在試驗所設定的所有齡期內，同一齡期下三種水灰比的混凝土在負溫(-3 ℃)養護條件下的抗壓強度都明顯低于對應的標準養護條件下混凝土抗壓強度，而這兩種養護條件下抗壓強度的差值會隨著齡期的增大而逐漸的減小，說明負溫養護條件對三種水灰比混凝土抗壓強度的增長在整個養護齡期內都有明顯的影響。這是由于外部壓力發生變化、水中溶有空氣時，水的冰點都會發生改變[17]，隨著水化反應的進行，水泥石中會形成多種鹽類，而鹽類的加入也會使水的冰點降低， 而且由于冰晶引起基模勢或滲透勢的變化，未凍水會向凍區運動[18,19]，因此，在-3 ℃時，混凝土中的自由水部分結冰，部分與水泥發生反應，大大降低了水泥的水化程度；混凝土中部分水結冰體積發生膨脹，在混凝土內部產生內應力，使混凝土內部結構變得疏松、不密實[20]；并且隨著水化反應的進行，自由水遷移、泌出所造成的氣孔含量也相應的增多，部分小的氣孔會連通合并成大的氣孔，所以在負溫下養護，混凝土的抗壓強度變得很低。

以標準養護條件下混凝土28d的抗壓強度值作為基準計算兩種養護條件下三種水灰比混凝土抗壓強度的增長程度，具體數值見表4。由表4可以看出負溫(-3 ℃)養護條件下三種水灰比(0.24、0.31、0.38)混凝土128d的抗壓強度都沒達到標準養護條件下28d的強度值,此時的強度損失分別為28.4%、5.6%和7.2%，表明負溫(-3 ℃)養護條件，對三種水灰比的混凝土抗壓強度增長的抑制作用時期比較長，而且水灰比越小，抑制時期越長。

表4　混凝土抗壓強度增長程度

水灰比為0.24的混凝土抗壓強度在128d時只達到標準養護28d的71.6%，遠低于水灰比為0.31和0.38混凝土達到其標養的百分比，說明負溫(-3 ℃)對水灰比為0.24的混凝土抗壓強度不是簡單的抑制作用，而是由于其內部水含量缺失，外界的水分又很難進入到混凝土內部，水化不完全造成一定程度的損傷，從而導致其后期抗壓強度不可能達到設計強度值。因此負溫養護條件下存在著與之對應的最優水灰比，即該養護條件下能達到最高設計強度的水灰比，小于最優水灰比時，混凝土會因為缺水而達不到設計強度，大于最優水灰比時，會因為水灰比本身太大和混凝土內少部分水結冰產生裂縫，混凝土不密實使其達不到最高設計強度。

4　結　論

(1)負溫(-3 ℃)養護條件下三種水灰比混凝土28d的抗壓強度都比較低，水灰比分別為0.24、0.31和0.38的混凝土抗壓強度分別為40.1、43.4和34.7MPa，分別達到了其標準養護條件下28d抗壓強度的58.8%、75.6%和78%，說明負溫(-3 ℃)養護對三種水灰比混凝土抗壓強度的增長有明顯的抑制作用，尤其對水灰比小的混凝土抗壓強度影響最大；

(2)負溫(-3 ℃)養護條件對混凝土早期抗壓強度增長的影響最為顯著，隨著齡期的增長，這種影響會逐漸減弱，但對水灰比為0.24混凝土抗壓強度明顯造成了一定程度的不可恢復的損傷；

(3)負溫下(-3 ℃)參與水化反應的水含量多少直接影響混凝土抗壓強度的增長，低水灰比(0.24)由于水含量的不足導致其后期混凝土抗壓強度很低，高水灰比(0.38)會由于混凝土內部結冰量較大，體積發生膨脹，形成許多微裂縫，導致其后期抗壓強度不高；

(4)負溫養護條件下，并不是水灰比越小，混凝土抗壓強度就越高，存在著與養護溫度對應的最優水灰比，即該養護條件下能達到最高設計強度的水灰比。

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CompressiveStrengthGrowthofMinusTemperature(-3 ℃)CuringConcrete

DUAN Yun,WANG Qi-cai,ZHANG Rong-ling,DAI Jin-peng,XU Rui-peng

(SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

Thisexperimentstudiesconcretecompressivestrengthchangingruleunderthreedifferentcircumstances,namely,minustempe-raturecuring(-3 ℃),water-cementratioandage.Bymeasuringconcretecompressivestrengthofconcretetestcubesindifferentagesunderasustainedminustemperatureandthreewater-cementratiorangefrom0.24, 0.31to0.38,wecancometoaconclusionthatminustemperaturehasanobviousinhibitoryeffectonconcretecompressivestrengthofthosethreedifferentwater-cementratio.Theeffectgoeshighestwithinthefirst7d,withtheincreaseofage,theinfluencedecreases,anditmakesirreversibledamagetoconcretecompressivestrengthwithacorrespondingwater-cementratioof0.24.Lowwater-cementratioduetolackofwatercontentledtoitslatecompressivestrengthofconcreteisverylow,whilehighwater-cementratioconcreteduetoalargeamountofinternalicing,micro-cracksformationappearbecauseofvolumeswell,resultingnotsohighcompressivestrengthinlaterperiod.Thereisacorrespondingoptimalcuringtemperatureandwater-cementratio.

minustemperature;water-cementratio;age;compressivestrength;optimalwater-cementratio

國家自然科學基金(51268032);長江學者和創新團隊發展計劃(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)01-0244-06