-3 ℃養護下引氣混凝土強度及孔徑分布規律研究★

王天雙 王起才 代金鵬 張 波 王堅強

(1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070； 3.蘭州交通大學道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

隨著我國社會經濟的發展，我國對于交通運輸業的要求也隨之增加，一條高質量、高效率的鐵路通道可以為沿線地區帶來巨大的經濟效益與社會效益，例如青藏鐵路的建成為青藏地區帶來了新的發展機遇，但是青藏高原地區氣候寒冷，氣溫低、溫差大，所以約有550 km鐵路穿越多年凍土區，沿線凍土年平均地溫為0 ℃～-3.5 ℃[1,2]，因此青藏鐵路常常“以橋代路”跨越多年凍土區，且橋梁基礎多采用鉆孔灌注樁基礎[3]，因此基礎的混凝土長期處于負溫的養護環境下。關于負溫混凝土，國內外學者進行了大量的研究，張瑞穩等[4]研究了負溫(-3 ℃)養護條件下，引氣混凝土在不同齡期內混凝土強度及滲透性變化規律；代金鵬等[5]表明-3 ℃養護條件下，摻加礦物摻合料的混凝土強度均低于不摻加的，礦物摻合料的摻加對混凝土抗氯離子滲透性能有一定程度的改善，也可以細化混凝土的孔結構；田悅等[6]采用恒低溫一次凍結法和自然變低溫多次凍結法，研究了在不摻防凍劑的情況下，不同養護條件下摻合料對低溫混凝土強度的影響并測定混凝土在不同齡期的強度值；梁柯鑫等[7]研究了低溫(3 ℃)養護環境下不同水膠比對引氣混凝土孔結構參數以及抗滲性能的影響；李治等[8]對比了標養、恒負溫養護、變負溫養護下高性能混凝土抗壓強度、抗滲性及抗凍性；楊英姿等[9]研究兩種坍落度、兩種防凍劑的混凝土在自然變負溫養護和恒負溫養護條件下抗壓強度發展規律；巴恒靜等[10]分析了負溫混凝土的顯微結構，提出了變負溫環境中摻防凍劑混凝土的強度遠高于恒負溫養護下的強度；趙霄龍等[11]研究了摻混合材負溫防凍劑混凝土強度發展規律，并提出了混合材和高效防凍劑的使用摻量；尹建[12]采用理論分析與試驗研究相結合的方式，研究了不同養護制度下負溫混凝土的溫度場及微觀性能變化規律。以上研究多為單一含氣量下負溫混凝土的強度及性能，而實際工程中摻加引氣劑主要為了提高混凝土的抗凍性，而不同引氣劑摻量對強度及孔結構的研究較少。本研究通過試驗，比較不同含氣量下標養與負溫養護下的混凝土的強度與孔徑分布，為負溫混凝土的施工與使用提供依據。

1 試驗過程

1.1 試驗原材料

本試驗儀器采用強制式混凝土攪拌機、人工氣候模擬箱、標養室、壓力試驗機以及多功能微結構分析與成像系統等。水灰比采用0.36，水泥采用甘肅祁連山水泥集團股份有限公司生產的P.O42.5級水泥，水泥性能指標如表1所示。細集料采用天然河砂，含泥量為3.2%，細度模數為2.8，屬中砂；粗骨料選用粒徑范圍5 mm～31.5 mm的連續級配碎石；水采用蘭州自來水；減水劑選用緩凝型聚羧酸高性能減水劑；引氣劑為液體SJ-2型引氣劑，四組試驗引氣劑摻量分別為0%,0.05%,0.08%和0.12%，混凝土配合比如表2所示。

表1 P.O42.5水泥性能指標

表2 混凝土配合比

1.2 試驗步驟及方法

本試驗按照引氣劑摻量分為BF1,BF2,BF3和BF4四組，按照表2所示稱取規定的水泥、砂子、碎石等材料，按照要求拌和混凝土；坍落度控制在(200±20)mm，將新拌和的混凝土制成100 mm×100 mm×100 mm的試件，將試件分別在標準養護室(20 ℃)和人工氣候模擬箱(-3 ℃)養護，負溫養護的試件采用套袋保持一定的濕度。根據GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能試驗方法標準混凝土強度測試方法測試標準養護下28 d齡期的混凝土抗壓強度，負溫養護下測試7 d,14 d,21 d,28 d,35 d……抗壓強度，強度達到標養28 d的強度值的±3%范圍內即視為達到等強度。然后利用多功能微結構分析與成像系統(核磁共振系統)，真空飽水24 h后測試達到兩種養護條件下等強度混凝土的孔徑分布情況。

2 結果與分析

2.1 混凝土強度試驗結果分析

以標養28 d齡期的混凝土抗壓強度值的±3%范圍為基準，對比-3 ℃養護下規定齡期的抗壓強度，在此范圍內即視為達到等強度，混凝土抗壓強度如圖1所示。

由圖1混凝土抗壓強度可以得知，兩種養護條件下，隨著引氣劑摻量的增加，同一齡期下混凝土抗壓強度降低；在-3 ℃養護下，混凝土抗壓強度隨著齡期逐漸增長，其中前14 d快速增長，可達到標養28 d的60%～83%，隨后增長速度減慢，主要是因為前期水泥的水化反應中對強度起決定作用的C3S在早期的強度發展較快，并且水化反應放熱又加速了負溫下混凝土的水化反應，而到了后期負溫條件使得水分子接近冰點，導致水化反應減緩，對強度發展起到了抑制作用；此外對比兩種養護條件下混凝土的抗壓強度，可以得到四種引氣劑摻量下混凝土達到等強度均為35 d，由此得到引氣劑摻量對負溫養護下混凝土達到等強度幾乎無影響，僅僅是負溫的養護環境會降低水泥的水化程度，從而減緩了混凝土抗壓強度的發展，達到等強度后，負溫混凝土抗壓強度繼續增長，直至超越標養28 d齡期的強度，由此也可以得到低溫僅是減緩了混凝土抗壓強度的發展速率，但是并不降低混凝土抗壓強度的發展大小。

2.2 孔徑分布試驗結果分析

將標準養護與達到等強度負溫養護的試塊分別真空飽水24 h后，利用核磁共振系統，可得到兩種養護方式下等強度混凝土的孔徑分布對比，如圖2所示。

由圖2等強度齡期下混凝土的孔徑分布可以得到：標養與負溫養護兩種養護方式下，隨著引氣劑摻量的增加，混凝土的孔徑分布向劣化趨勢發展，引氣劑摻量越大，孔隙數量與孔徑都增大，這也印證了混凝土抗壓強度的發展規律，引氣劑摻量越大，混凝土孔隙越大，強度也隨之降低，當引氣劑摻量為0,0.05%時，混凝土的孔徑大部分小于1 μm，此時混凝土的強度較高，而當混凝土引氣劑摻量為0.08%,0.12%時，孔隙數量和孔徑大小都增大較多，有害孔徑所占比例大大增加，混凝土的強度也隨之降低，所以引氣劑的摻加會降低混凝土的密實度，進而影響混凝土的強度。此外兩種養護方式下，同一引氣劑摻量，混凝土負溫下的孔徑分布差于標準養護，具體表現在孔徑變大且大孔徑所占比例上升，所以等強度混凝土只是達到了“等強度”，但是并未達到“等孔徑分布”，也未達到“等孔結構”。

3 結果與分析

1)標養與負溫(-3 ℃)養護下，隨著引氣劑摻量的增加，混凝土抗壓強度降低，且引氣劑摻量對兩種養護方式下的混凝土達到等強度時長無影響，僅是負溫減緩了強度發展。

2)標養與負溫(-3 ℃)養護下，隨著引氣劑摻量的增加，混凝土的孔徑分布向劣化趨勢發展，使得抗壓強度也隨之降低。

3)同一引氣劑摻量，兩種養護方式下混凝土雖達到等強度，但是負溫養護的混凝土孔徑分布差于標養，即混凝土達到了等強度，但是并未達到等孔結構。