負溫環境下商品混凝土力學性能及水化特征分析

師 琦 ，廖國勝 ，2

（1.武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430065；2.武漢科技大學高性能工程結構研究院，湖北 武漢 430065）

0 引言

隨著科學技術的發展，國家相關部門提出了“一帶一路”發展戰略，尤其對寒冷偏遠地區及相關地帶的施工項目的順利進行予以高度重視，在此種情況下，整個施工建設的環境相對特殊，如何在低溫的施工環境下進行混凝土施工建設成為混凝土工程廣泛關注的研究熱點。目前，國內外已有大部分學者對低（負）溫環境下商品混凝土早期抗凍能力，受凍機制及防凍劑作用機制進行了多元研究，進一步證實施工企業在應對寒冷氣候地區的施工建設時，要求混凝土材料不但應具備國家城建部門規定的基本力學性能外，還應同時具備低溫環境下早強性、抗凍性、抗滲性及抗裂性等性能，管理人員應嚴格遵守各項施工管理要求，確保整個建筑結構主體安全性和穩定性能夠達到預設施工標準。

1 試驗部分

1.1 試驗配合比

根據試驗條件選擇低溫地區P.O 42.5 水泥，細度模數為2.8 的機制砂、Ⅰ級粉煤灰（細度篩余不超過12%），粒徑為5~20mm 級配良好的石灰石碎石，減水劑為高性能聚羧酸減水劑，減水率在27%左右；同時采購由江蘇博特有限公司生產的引氣劑材料，整個引氣劑的密度在1.05g/cm3左右，引氣劑的質量分數在0.015%~0.035%；此外，還應復配相應的防凍劑材料，整體含固量為35%[1]。

在試驗過程中，為了確保混凝土材料能夠在（-10±2）℃的低溫環境下使得防凍劑摻量最佳，應調整負溫混凝土的配合比例。因此，通過查閱資料并結合防凍劑廠家的專業介紹試配混凝土，針對混凝土防凍劑的摻量范圍設計了4 組試驗，經過實際測驗表明，最佳狀態下混凝土的水膠比W/B 為0.41，砂率為40%，且粉煤灰摻量為膠材總量的20%，引氣劑質量分數為0.02%[2]。具體的減水劑、防凍劑摻量配比如表1 所示[3]，整個試驗試件的尺寸為150mm×150mm×150mm。

表1 減水劑、防凍劑摻量

對此采用3 種不同方法對混凝土試件進行養護管理：①在-12℃的環境下將試件放入冰柜中進行全面的負溫養護；②在標準養護箱內將整個混凝土試件進行基礎養護；③在-12℃和22℃的環境下每4.5h 交替變換相應的試驗溫度，繼而完成養護管理。

1.2 試驗測試方法

首先，測定各齡期混凝土的抗壓強度。利用3000kN 電液伺服壓力試驗機，并全面參照相關普通混凝土力學性能的規范，整個試驗過程的加載速率應保持在1.25kN/s 左右；同時借助混凝土彈性模量測定儀器，并結合規定的混凝土長期性能檢驗方法完成彈性模量的測定，整個測試過程應確保測量誤差不超過2%。

其次，選用河北省唐山市試驗儀器有限公司制造的HZ-20 型鉆孔取芯機器設備對混凝土試件的內芯進行取樣處理，采用分析純無水乙醇材料浸泡72h 后，妥善放置于62℃的真空干燥箱內部，在將其置于24h 后，利用美國科技公司生產的FEI3D 型掃描電子顯微鏡進行全面的SEM 分析。在實際的測試前，應及時對混凝土樣品上方噴金并進行導電處理。

此外，對混凝土樣品芯部進行取樣后同樣利用分析純無水乙醇浸泡72h 且不再進行水化，放置于62℃的真空干燥箱內部，也將其置于24h，然后進行破碎處理并獲取漿體部分，并在研磨后通過45μm 篩，最后利用德國科技公司生產的D8Discovery 型X 射線衍射儀進行XRD 分析。整個分析過程的掃描速率為4°/min。

2 試驗結果與討論

2.1 負溫混凝土力學性能

（1）防凍劑摻量對負溫混凝土力學性能的影響。

經過大量的試驗結果表明，防凍劑摻量不同導致不同負溫環境下，混凝土的抗壓強度有所差異。例如，在-12℃的環境下，不同試驗組混凝土在3d 和7d 的抗壓強度數值均相對較低，沒有摻加防凍劑的混凝土甚至在3d 內都無法測量出相應的抗壓強度，一旦摻入相應的防凍劑后，抗壓強度效果會隨之提升，當達到最高數值時，實際的混凝土抗壓強度只能達到設計強度的26.4%，由此可以推斷，在-12℃下，水泥水化的過程相對緩慢，整體的抗壓強度也不理想[4]。值得注意的時，當防凍劑摻量為4.0%時，抗壓強度提升效果最為明顯，因此，可以設定4%作為負溫混凝土試驗的最佳防凍劑摻量[5]。具體變化如圖1 所示。

圖1 不同防凍劑摻量下負溫混凝土抗壓強度

（2）負溫養護齡期對混凝土力學性能的影響。

通過反復試驗得到相應的力學性能趨勢變化，對趨勢變化進行擬合分析。表明隨著水化反應的進行，在養護齡期7d 內，負溫環境下的混凝土的抗壓強度和動彈性模量上升速度較快，當養護齡期不斷增加后，整體混凝土的抗壓強度和動彈性模量增長幅度較大，3 組混凝土試件28d 抗壓強度均能夠達到預設的工作要求。因此，早期混凝土試件強度發展可能與區域溫差較大溫度較低存在直接的聯系[6]。

（3）交變溫度養護制度下混凝土力學性能的發展趨勢。

為了進一步證實交變溫度養護對混凝土力學性能的影響，兩組混凝土試件分別由 C（F0）、CA（F4）代表，即為整個試驗的標準養護期，交變溫度養護期由VT（F0）、VA（F4）表示。通過反復試驗獲取混凝土在不同養護制度下的力學性能變化如圖2、圖3 所示。

圖3 不同養護制度下混凝土的動彈性模量變化

通過對變化趨勢進行分析可知，混凝土試件抗壓強度和動彈性模量在前期階段上升幅度較為明顯，后期階段發展趨勢相對平緩甚至趨于穩定。例如，在標準養護模式下，交變溫度養護的混凝土早期抗壓強度僅為前者的70%~92%，混凝土試件的抗壓強度相對較低，摻入防凍劑的混凝土在28d 內的抗壓強度不超過標準養護模式下混凝土抗壓強度的35%[7]，且C（F0）的早期抗壓強度明顯低于CA（F4），后期CA（F4）的抗壓強度明顯降低，由此可以證實，摻入防凍劑的混凝土試件在標準養護環境下，早期抗壓強度有所提高，然而對后期抗壓強度可能產生諸多不利影響。

2.2 負溫混凝土的水化特征

2.2.1 負溫混凝土水化產物分析

通過微觀試驗獲取CA（F4）混凝土和C（F0）混凝土28d 水化產物的X 射線衍射示意圖譜，如圖4[8]所示。圖4 中1 為鈣礬石（AFt）的峰，由于防凍劑的防凍作用可知，CA（F4）混凝土其水泥成分中的鋁酸三鈣（C3A）能更好地參與水化反應，造成AFt 含量比不摻防凍劑的C（F0）混凝土多。大量實踐表明鈣礬石能提高混凝土的早期強度[9]，所以C（F0）混凝土早期強度會明顯低于CA（F4）混凝土。

圖4 CA（F4）混凝土和 C（F0）混凝土 28d 化產物的X 射線衍射示意圖譜

2.2.2 負溫混凝土微觀結構分析

在獲取樣品相應的掃描電鏡結果后通過相關照片可以得知，低溫混凝土的結構密度較基準混凝土低，試件表面呈現不同規則大小的微孔，粉煤灰玻璃微珠與周圍接觸面較少，導致負溫混凝土內部結構疏松，封閉球形微孔明顯增加，具體情況如圖5[10]所示。此外，在負溫養護模式下，外界溫度逐漸降低，早期混凝土部分水轉變為冰，體積逐漸膨脹且在產生相應微裂縫的同時，沒有結冰的部位還會順著微裂縫遷移并結冰，進而導致微裂縫的面積逐漸擴大[11]，由此推斷在交變溫度養護下，摻入防凍劑的VA（F4）混凝土的微裂縫寬度可能比沒有摻入防凍劑的VT（F0）混凝土的更小。

圖5 負溫混凝土的掃描電鏡照片

2.2.3 成熟度理論解釋

在相繼引入等效齡期成熟度模型后，進一步論證混凝土抗壓強度和成熟度的關系，具體計算公式如式（1）所示。

式（1）中，成熟度由M1表示，其標準值一般小于840℃·h。相對抗壓強度由fcu，1表示，即為某個混凝土特定齡期抗壓強度與其28d 的抗壓強度之比。將實際測定得到的抗壓強度代入式（1）中，通過計算分析進一步得出結論：在早期階段各組混凝土的成熟度增長幅度不一，但在后期時均能達到甚至超過標準值，這為各種環境和養護方式下混凝土的抗壓強度特別是早期抗壓強度的預測工作奠定了夯實基礎。

3 結語

總而言之，負溫環境下商品混凝土力學性能及水化特征涉及多個方面，施工企業應積極學習并引進國內外優良的混凝土養護方式，并根據不同負溫環境下混凝土的力學特征和實際情況，摻入適量防凍劑，避免混凝土微裂縫現象的頻繁出現，確保建筑結構的主體穩定和質量安全。