熱養護下礦物摻合料高性能混凝土強度損失和孔結構研究

王曉琰，李 峰，2，岳 陽，2，方 順，2

（1.甘肅五環公路工程有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省橋梁工程研究中心，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

目前對于混凝土材料熱養護的研究較多。田耀剛等[1-3]研究了熱養護的靜養時間、升溫降溫速率、恒溫溫度等各項熱養護參數對混凝土抗硫酸鹽侵蝕、抗碳化性能和抗凍性的影響。賀智敏等[4]分析了熱養護工藝和熱養護參數對混凝土的毛細吸水性的影響，以及熱養護后混凝土的表皮損傷，得出了加入礦物摻合料能夠有效降低損傷程度的結論。劉寶舉等[5-6]通過復摻礦粉和粉煤灰改善了熱養護混凝土的力學性能，增強了熱養護混凝土后期強度，并且研究了超細粉煤灰代替等量的水泥材料后熱養護混凝土的抗凍性、抗滲性、氯離子擴散系數等耐久性指標。耿建等[7]通過壓汞法研究了熱養護制度對混凝土孔結構的影響規律，得出延長混凝土靜養時間能有效改善熱養護混凝土的孔結構的結論。但是目前關于熱養護礦物摻合料高性能混凝土強度損失、孔結構和后養護對強度損失的修復研究較少。本試驗主要研究了礦物摻合料高性能混凝土熱養護下的強度損失、孔結構分布，以及不同后養護條件對熱養護混凝土的強度損失的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗選用蘭州祁連山水泥廠生產的P·O 42.5水泥，水泥的各項指標見表1。粉煤灰為蘭州鑫合源有限責任公司生產的Ⅱ粉煤灰，粉煤灰各項指標見表2。礦粉采用蘭州榆中鴻源有限責任公司生產的S95級礦粉，礦粉各項指標見表3。減水劑采用上海三瑞聚羧酸系高性能減水劑；細骨料選用甘肅白銀天然河砂，Ⅱ級砂細度為2.45，表觀密度為2 599 kg/m3，堆積密度為1 515 kg/m3；粗骨料選用5～25 mm 連續級配碎石，緊密度為1 700 kg/m3。

表1 P·O 42.5 水泥各項指標

表2 Ⅱ級粉煤灰各項指標 單位：%

表3 S 95 礦粉各項指標

1.2 試驗方法

（1）強度試驗。根據GB/T 50081—2019 混凝土物理力學性能試驗標準，按設計的配合比（見表4）成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土立方體試塊。靜養24 h 拆模后，一部分進行50℃、60℃、70℃、80℃四種熱養護溫度養護，然后測其3 h、6 h、9 h、12 h、24 h、48 h，以及熱養護完成后轉標準養護28 d 的試塊抗壓強度；一部分進行標準養護，測其28 d 齡期的抗壓強度。

表4 混凝土配合比 單位：kg

（2）微觀孔結構試驗。將養護至相應齡期的混凝土試塊放入VJH 真空飽水機，在-0.075 MPa 條件下無水抽真空3 h，然后保持真空注入蒸餾水，濕抽1 h后轉為常壓浸泡。常壓浸泡18 h 后取出試塊，用塑料保鮮膜纏繞包裹，放入核磁共振儀線圈，利用Macro MR12-150H-I 核磁共振儀，進行孔結構測試。

（3）后養護試驗。將50℃、60℃、70℃、80℃熱養護溫度下養護48 h 的混凝土試塊降至20℃后，分別轉為（20±）1℃標準養護、（20±）1℃水養護[飽和Ca（OH）2水溶液]、自然養護（出棚灑水養護2 d 后覆塑料薄膜），養護至28 d 齡期，進行抗壓強度和孔結構測試。

2 試驗結果與分析

2.1 熱養護對混凝土抗壓強度的影響

不同熱養護溫度的混凝土均以10℃/h 的升溫速率升至設定的恒溫溫度，養護至相應時長后，以10℃/h的降溫速率降至室溫測其抗壓強度。50℃、60℃、70℃、80℃恒溫溫度下養護相應時長的混凝土抗壓強度如圖1 所示。

圖1 熱養護條件下混凝土抗壓強度

從圖1 可以看出，熱養護條件下，隨著熱養護溫度和時長的增加，混凝土早期強度逐漸增長，熱養護溫度越高，強度增長越快。50℃恒溫養護9 h 時混凝土抗壓強度基本達到設計強度的75%以上。80℃恒溫養護9h 時抗壓強度達設計強度的95%以上。24～48 h 時，50℃、60℃、70℃恒溫養護下混凝土強度還在繼續增長，但80℃恒溫下的混凝土強度已基本不再增長。混凝土強度增長規律大體可分為三個階段：0～9 h 快速增長階段、9～24 h 穩定增長階段、24～48 h 緩慢增長階段。恒溫養護48 h 之后，混凝土強度基本達到最大值。這是因為高溫高濕的養護條件加快了礦物摻合料高性能混凝土中水泥的水化速率生成CH，而高溫促使礦物摻合料中的SiO2和Al2O3能快速與CH 生成水化CaSiO3和水化Ca（AlO2）2等一系列水化產物，所以在熱養護條件下，混凝土一、二階段強度增長較快。第三階段時，水泥的水化反應基本完成，水化產物數量和水化速度趨于疲軟，所以混凝土強度增長緩慢。

將熱養護48 h 的試塊降至20℃，轉入標準養護室進行恒溫20±1℃，濕度95%的標準養護，養護28 d齡期后測其抗壓強度，并與蒸養48 h 以及拆模后標準養護28 d 齡期的試塊進行對比，其結果如圖2 所示。

圖2 抗壓強度

由試驗結果可知，與標準養護相比，熱養護雖然能夠快速使混凝土在短期內就能達到設計強度，但是熱養護后轉為標準養護的28 d 抗壓強度卻低于標準養護28 d 的強度和蒸養出棚時的強度。這表明熱養護后對混凝土后期強度有一定的損傷。由圖2 可以看出，進行50℃、60℃、70℃、80℃熱養護后轉標準養護28 d 的混凝土強度損失率分別為4.2%、8.9%、14.8%、18.4%。通過分析發現，混凝土在標準養護條件下，其膠凝體系水化速度較慢，水化程度充分，水化產物分布均勻。而熱養護過程中，水泥及其摻合料水化速度加快，水化產物迅速堆積、分布不均，水化產物包裹著未水化的顆粒，水分子向未水化的水泥顆粒及其摻合料顆粒擴散速度減慢。并且由于水化產物迅速堆積而產生了一定的粗晶體，在混凝土內部產生較多孔隙的同時，也產生了一定的拉應力，造成更多有害孔和裂隙的出現。過高的熱養護溫度使早期水化生成的鈣礬石分解，但在后期標準養護中又重新生成。而這些裂隙在標準養護中為鈣礬石產生析出提供了空間條件，使混凝土后期強度降低。

2.2 熱養護對混凝土孔結構的影響

采用Macro MR12-150H-I 核磁共振儀對養護相應齡期的混凝土進行孔結構測試，試驗結果如圖3所示。

圖3 48 h T2 譜分布

通過觀察圖3 中的T2 曲線可以發現，四種溫度下的T2 譜都是三個波峰，從左到右依次稱為第1 波峰、第2 波峰、第3 波峰。三個波峰對應有不同的弛豫區間和信號強度。弛豫時間和信號強度代表孔徑的大小和相對應孔徑孔隙的數量。通過數據可知，隨著熱養護溫度升高，信號強度逐漸增大，50℃下熱養護48 h 的第一峰信號強度為660.77，80℃的信號強度達到750.4。這說明混凝土中小孔的比例隨著熱養護溫度的升高逐漸增大。圖4 中的孔喉分布也證明了這一點，50℃時0～0.1μm 孔徑為86%，60℃時0～0.1 μm 孔徑為87.6%，70℃時0～0.1 μm 孔徑為88.5%，80℃時0～0.1 μm 孔徑為90%。而隨著溫度的升高，大孔的比例逐漸減小。當熱養護溫度達到80℃時，0.1～0.25 μm 孔徑增加了3.39%。這說明隨著熱養護溫度的升高，大孔慢慢向小孔轉化。但是隨著溫度的升高，總孔隙率卻不斷增加，50℃、60℃、70℃、80℃熱養護48 h 的總孔隙率分別為5.61%、5.73%、6.0%、6.12%。這主要是因為混凝土中的礦物摻合料在較高的熱養護溫度下，水化速度加快，反應生成了更多的含有凝膠孔的凝膠，細化了混凝土內部的孔徑。同時高溫熱養護增加混凝土內部有害孔的數量，導致總孔隙率的增加。

圖4 48 h 孔喉分布

從圖5 可知，熱養護轉標準養護后，T2 譜第一峰小于標準養護28 d 的峰值，其縱坐標隨著熱養護溫度的升高而減小，橫坐標左移，第三峰的縱坐標與48 h 的T2 譜相比有所增加，且熱養護溫度越高增加的幅度越大。這說明熱養護轉標準養護28 d 后，混凝土內部大孔和有害孔的數量增加，導致內部小孔的比例降低。

圖5 28 d T2 譜分布

從圖6 可以看出，50℃熱養護轉標準養護28 d齡期時，0～0.1 μm 孔徑為88.02%，比48 h 時增加2%，比標準養護小3.34%；0.10～0.25 μm 孔徑為0.3%，比48 h 時增加0.124%，比標準養護多0.14%。而80℃熱養護轉標準養護28 d 齡期時，0～0.1 μm 孔徑為85.01%，比48 h 時降低了4.01%，比標準養護小6.35%；0.10～0.25 μm 孔徑為2.43%，比48 h 時減少0.54%，孔徑大于0.25 μm 比48 h 時多4.54%，比標準養護多4.7%。50℃、60℃、70℃、80℃熱養護48 h 后轉標準養護28 d 的總孔隙率分別為5.76%、5.95%、6.25%、6.41%，標準養護28 d 的總孔隙率為7.42%。

圖6 28 d 孔喉分布

2.3 后養護方式對混凝土強度和孔結構的影響

為探究熱養護結束后各種后養護制度對混凝土強度的影響，將熱養護后的試塊降至室溫后，分別轉為（20±1）℃，濕度95%標準養護、水養護[（飽和Ca（OH）2水溶液）]和自然養護（出棚灑水養護2 d 后覆膜養護）。養護至28 d 齡期后進行抗壓強度試驗和孔結構測試，強度結果如圖7 所示。

圖7 不同養護制度的抗壓強度

從圖7 可以看出，對于熱養護混凝土而言，不同的后養護制度對其強度影響不同。采用飽和Ca（OH）2水溶液養護的熱養護混凝土，28 d 齡期的抗壓強度明顯高于標準養護和自然養護。與標準養護相比，80℃熱養護后采用水養護的方式，其28 d 齡期的強度損失率為11.9%，而熱養護后轉為標準養護和自然養護的混凝土強度損失率分別為18.4%、21.7%。這說明后期水養護對熱養護混凝土強度損失有一定的修復作用。這主要是因為進行水養護能夠促進膠凝材料中水泥和礦物摻合料的二次水化，而且當二次水化反應消耗混凝土內部Ca（OH）2時，水溶液中的Ca（OH）2能夠不斷補充，促使礦物摻合料的水化更加徹底，從而生成更多的水化產物，使混凝土內部結構更加致密，穩定強度提高。

從圖8 中各個熱養護溫度不同后養護條件下混凝土T2 分布圖分析可以看出，相對于熱養護后采用水養護和自然養護，水養護能夠有效增加熱養護混凝土中孔徑小于0.1 μm 的小孔的比例，降低孔徑大于10 μm 有害孔的數量。50℃蒸養護轉水養護總孔隙率為5.22%，轉標準養護總孔隙率為5.61%，轉自然養護總孔隙率為5.79%。由此可見，進行水養護后能夠促使混凝土內部大孔向小孔轉化，細化混凝土內部孔隙，降低總孔隙率，提高混凝土的宏觀性能。

圖8 不同養護方式下的混凝土T2 譜分布

3 結 論

（1）對混凝土進行熱養護能夠快速有效地提升其早期強度，且隨著養護溫度升高和養護時長的增加，混凝土強度不斷增長。熱養護雖然能夠提升混凝.的早期強度，但對混凝土后期強度有一定的損傷，前期熱養護溫度越高，后期強度損失越大。

（2）熱養護能夠促進膠凝體系中礦物摻合料的水化速度，激發火山灰效應，細化混凝土內部孔徑，促使大孔向小孔轉化，但同時也增加了有害孔的數量，增大了總孔隙率，熱養護后轉為標準養護28 d，有害孔的孔徑和數量進一步增大。

（3）與標準養護和自然養護相比，熱養護后采取Ca（OH）2水溶液養護的方式，對熱養護混凝土產生損傷有一定的修復作用，能夠降低混凝土的強度損失率，優化內部孔結構，降低總孔隙率，提高混凝土的性能。