熱養(yǎng)護(hù)下礦物摻合料高性能混凝土強度損失和孔結(jié)構(gòu)研究

王曉琰，李 峰，2，岳 陽，2，方 順，2

（1.甘肅五環(huán)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(yǎng)護(hù)的研究較多。田耀剛等[1-3]研究了熱養(yǎng)護(hù)的靜養(yǎng)時間、升溫降溫速率、恒溫溫度等各項熱養(yǎng)護(hù)參數(shù)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(yǎng)護(hù)工藝和熱養(yǎng)護(hù)參數(shù)對混凝土的毛細(xì)吸水性的影響，以及熱養(yǎng)護(hù)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(jié)論。劉寶舉等[5-6]通過復(fù)摻礦粉和粉煤灰改善了熱養(yǎng)護(hù)混凝土的力學(xué)性能，增強了熱養(yǎng)護(hù)混凝土后期強度，并且研究了超細(xì)粉煤灰代替等量的水泥材料后熱養(yǎng)護(hù)混凝土的抗凍性、抗?jié)B性、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等耐久性指標(biāo)。耿建等[7]通過壓汞法研究了熱養(yǎng)護(hù)制度對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，得出延長混凝土靜養(yǎng)時間能有效改善熱養(yǎng)護(hù)混凝土的孔結(jié)構(gòu)的結(jié)論。但是目前關(guān)于熱養(yǎng)護(hù)礦物摻合料高性能混凝土強度損失、孔結(jié)構(gòu)和后養(yǎng)護(hù)對強度損失的修復(fù)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(yǎng)護(hù)下的強度損失、孔結(jié)構(gòu)分布，以及不同后養(yǎng)護(hù)條件對熱養(yǎng)護(hù)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(chǎn)的P·O 42.5水泥，水泥的各項指標(biāo)見表1。粉煤灰為蘭州鑫合源有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅱ粉煤灰，粉煤灰各項指標(biāo)見表2。礦粉采用蘭州榆中鴻源有限責(zé)任公司生產(chǎn)的S95級礦粉，礦粉各項指標(biāo)見表3。減水劑采用上海三瑞聚羧酸系高性能減水劑；細(xì)骨料選用甘肅白銀天然河砂，Ⅱ級砂細(xì)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(xù)級配碎石，緊密度為1 700 kg/m3。

表1 P·O 42.5 水泥各項指標(biāo)

表2 Ⅱ級粉煤灰各項指標(biāo) 單位：%

表3 S 95 礦粉各項指標(biāo)

1.2 試驗方法

（1）強度試驗。根據(jù)GB/T 50081—2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗標(biāo)準(zhǔn)，按設(shè)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(yǎng)24 h 拆模后，一部分進(jìn)行50℃、60℃、70℃、80℃四種熱養(yǎng)護(hù)溫度養(yǎng)護(hù)，然后測其3 h、6 h、9 h、12 h、24 h、48 h，以及熱養(yǎng)護(hù)完成后轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的試塊抗壓強度；一部分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，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(jié)構(gòu)試驗。將養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)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(zhuǎn)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(jìn)行孔結(jié)構(gòu)測試。

（3）后養(yǎng)護(hù)試驗。將50℃、60℃、70℃、80℃熱養(yǎng)護(hù)溫度下養(yǎng)護(hù)48 h 的混凝土試塊降至20℃后，分別轉(zhuǎn)為（20±）1℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、（20±）1℃水養(yǎng)護(hù)[飽和Ca（OH）2水溶液]、自然養(yǎng)護(hù)（出棚灑水養(yǎng)護(hù)2 d 后覆塑料薄膜），養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期，進(jìn)行抗壓強度和孔結(jié)構(gòu)測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱養(yǎng)護(hù)對混凝土抗壓強度的影響

不同熱養(yǎng)護(hù)溫度的混凝土均以10℃/h 的升溫速率升至設(shè)定的恒溫溫度，養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)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(yǎng)護(hù)相應(yīng)時長的混凝土抗壓強度如圖1 所示。

圖1 熱養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗壓強度

從圖1 可以看出，熱養(yǎng)護(hù)條件下，隨著熱養(yǎng)護(hù)溫度和時長的增加，混凝土早期強度逐漸增長，熱養(yǎng)護(hù)溫度越高，強度增長越快。50℃恒溫養(yǎng)護(hù)9 h 時混凝土抗壓強度基本達(dá)到設(shè)計強度的75%以上。80℃恒溫養(yǎng)護(hù)9h 時抗壓強度達(dá)設(shè)計強度的95%以上。24～48 h 時，50℃、60℃、70℃恒溫養(yǎng)護(hù)下混凝土強度還在繼續(xù)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(guī)律大體可分為三個階段：0～9 h 快速增長階段、9～24 h 穩(wěn)定增長階段、24～48 h 緩慢增長階段。恒溫養(yǎng)護(hù)48 h 之后，混凝土強度基本達(dá)到最大值。這是因為高溫高濕的養(yǎng)護(hù)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(chǎn)物，所以在熱養(yǎng)護(hù)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(yīng)基本完成，水化產(chǎn)物數(shù)量和水化速度趨于疲軟，所以混凝土強度增長緩慢。

將熱養(yǎng)護(hù)48 h 的試塊降至20℃，轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行恒溫20±1℃，濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d齡期后測其抗壓強度，并與蒸養(yǎng)48 h 以及拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 齡期的試塊進(jìn)行對比，其結(jié)果如圖2 所示。

圖2 抗壓強度

由試驗結(jié)果可知，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，熱養(yǎng)護(hù)雖然能夠快速使混凝土在短期內(nèi)就能達(dá)到設(shè)計強度，但是熱養(yǎng)護(hù)后轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的28 d 抗壓強度卻低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的強度和蒸養(yǎng)出棚時的強度。這表明熱養(yǎng)護(hù)后對混凝土后期強度有一定的損傷。由圖2 可以看出，進(jìn)行50℃、60℃、70℃、80℃熱養(yǎng)護(hù)后轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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(fā)現(xiàn)，混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，其膠凝體系水化速度較慢，水化程度充分，水化產(chǎn)物分布均勻。而熱養(yǎng)護(hù)過程中，水泥及其摻合料水化速度加快，水化產(chǎn)物迅速堆積、分布不均，水化產(chǎn)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(kuò)散速度減慢。并且由于水化產(chǎn)物迅速堆積而產(chǎn)生了一定的粗晶體，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多孔隙的同時，也產(chǎn)生了一定的拉應(yīng)力，造成更多有害孔和裂隙的出現(xiàn)。過高的熱養(yǎng)護(hù)溫度使早期水化生成的鈣礬石分解，但在后期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)中又重新生成。而這些裂隙在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)中為鈣礬石產(chǎn)生析出提供了空間條件，使混凝土后期強度降低。

2.2 熱養(yǎng)護(hù)對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

采用Macro MR12-150H-I 核磁共振儀對養(yǎng)護(hù)相應(yīng)齡期的混凝土進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)測試，試驗結(jié)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)有不同的弛豫區(qū)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(yīng)孔徑孔隙的數(shù)量。通過數(shù)據(jù)可知，隨著熱養(yǎng)護(hù)溫度升高，信號強度逐漸增大，50℃下熱養(yǎng)護(hù)48 h 的第一峰信號強度為660.77，80℃的信號強度達(dá)到750.4。這說明混凝土中小孔的比例隨著熱養(yǎng)護(hù)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(dāng)熱養(yǎng)護(hù)溫度達(dá)到80℃時，0.1～0.25 μm 孔徑增加了3.39%。這說明隨著熱養(yǎng)護(hù)溫度的升高，大孔慢慢向小孔轉(zhuǎn)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(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)溫度下，水化速度加快，反應(yīng)生成了更多的含有凝膠孔的凝膠，細(xì)化了混凝土內(nèi)部的孔徑。同時高溫?zé)狃B(yǎng)護(hù)增加混凝土內(nèi)部有害孔的數(shù)量，導(dǎo)致總孔隙率的增加。

圖4 48 h 孔喉分布

從圖5 可知，熱養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，T2 譜第一峰小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的峰值，其縱坐標(biāo)隨著熱養(yǎng)護(hù)溫度的升高而減小，橫坐標(biāo)左移，第三峰的縱坐標(biāo)與48 h 的T2 譜相比有所增加，且熱養(yǎng)護(hù)溫度越高增加的幅度越大。這說明熱養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后，混凝土內(nèi)部大孔和有害孔的數(shù)量增加，導(dǎo)致內(nèi)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(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期時，0～0.1 μm 孔徑為88.02%，比48 h 時增加2%，比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)小3.34%；0.10～0.25 μm 孔徑為0.3%，比48 h 時增加0.124%，比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)多0.14%。而80℃熱養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)多4.7%。50℃、60℃、70℃、80℃熱養(yǎng)護(hù)48 h 后轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的總孔隙率分別為5.76%、5.95%、6.25%、6.41%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的總孔隙率為7.42%。

圖6 28 d 孔喉分布

2.3 后養(yǎng)護(hù)方式對混凝土強度和孔結(jié)構(gòu)的影響

為探究熱養(yǎng)護(hù)結(jié)束后各種后養(yǎng)護(hù)制度對混凝土強度的影響，將熱養(yǎng)護(hù)后的試塊降至室溫后，分別轉(zhuǎn)為（20±1）℃，濕度95%標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、水養(yǎng)護(hù)[（飽和Ca（OH）2水溶液）]和自然養(yǎng)護(hù)（出棚灑水養(yǎng)護(hù)2 d 后覆膜養(yǎng)護(hù)）。養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期后進(jìn)行抗壓強度試驗和孔結(jié)構(gòu)測試，強度結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同養(yǎng)護(hù)制度的抗壓強度

從圖7 可以看出，對于熱養(yǎng)護(hù)混凝土而言，不同的后養(yǎng)護(hù)制度對其強度影響不同。采用飽和Ca（OH）2水溶液養(yǎng)護(hù)的熱養(yǎng)護(hù)混凝土，28 d 齡期的抗壓強度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，80℃熱養(yǎng)護(hù)后采用水養(yǎng)護(hù)的方式，其28 d 齡期的強度損失率為11.9%，而熱養(yǎng)護(hù)后轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)的混凝土強度損失率分別為18.4%、21.7%。這說明后期水養(yǎng)護(hù)對熱養(yǎng)護(hù)混凝土強度損失有一定的修復(fù)作用。這主要是因為進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)能夠促進(jìn)膠凝材料中水泥和礦物摻合料的二次水化，而且當(dāng)二次水化反應(yīng)消耗混凝土內(nèi)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(chǎn)物，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，穩(wěn)定強度提高。

從圖8 中各個熱養(yǎng)護(hù)溫度不同后養(yǎng)護(hù)條件下混凝土T2 分布圖分析可以看出，相對于熱養(yǎng)護(hù)后采用水養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)，水養(yǎng)護(hù)能夠有效增加熱養(yǎng)護(hù)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(shù)量。50℃蒸養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)水養(yǎng)護(hù)總孔隙率為5.22%，轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)總孔隙率為5.61%，轉(zhuǎn)自然養(yǎng)護(hù)總孔隙率為5.79%。由此可見，進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)后能夠促使混凝土內(nèi)部大孔向小孔轉(zhuǎn)化，細(xì)化混凝土內(nèi)部孔隙，降低總孔隙率，提高混凝土的宏觀性能。

圖8 不同養(yǎng)護(hù)方式下的混凝土T2 譜分布

3 結(jié) 論

（1）對混凝土進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)能夠快速有效地提升其早期強度，且隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高和養(yǎng)護(hù)時長的增加，混凝土強度不斷增長。熱養(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)溫度越高，后期強度損失越大。

（2）熱養(yǎng)護(hù)能夠促進(jìn)膠凝體系中礦物摻合料的水化速度，激發(fā)火山灰效應(yīng)，細(xì)化混凝土內(nèi)部孔徑，促使大孔向小孔轉(zhuǎn)化，但同時也增加了有害孔的數(shù)量，增大了總孔隙率，熱養(yǎng)護(hù)后轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，有害孔的孔徑和數(shù)量進(jìn)一步增大。

（3）與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)相比，熱養(yǎng)護(hù)后采取Ca（OH）2水溶液養(yǎng)護(hù)的方式，對熱養(yǎng)護(hù)混凝土產(chǎn)生損傷有一定的修復(fù)作用，能夠降低混凝土的強度損失率，優(yōu)化內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，降低總孔隙率，提高混凝土的性能。