張乘波

（蘭新鐵路新疆有限公司，新疆烏魯木齊830011）

－3℃養(yǎng)護(hù)對混凝土抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的影響

張乘波

（蘭新鐵路新疆有限公司，新疆烏魯木齊830011）

為了研究不同水灰比下混凝土的孔結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度之間的關(guān)系，測試了-3℃養(yǎng)護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下不同水灰比時(shí)混凝土孔結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律及強(qiáng)度變化規(guī)律。結(jié)果表明，在2種養(yǎng)護(hù)方式下，隨著水灰比的增大，混凝土的氣泡間距系數(shù)、氣泡平均孔徑、硬化后混凝土的孔隙率均逐漸增大，氣泡的比表面積逐漸減?。辉谙嗤冶葮?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的氣泡間距系數(shù)、氣泡平均孔徑、硬化后混凝土的孔隙率及氣泡比表面積均小于-3℃養(yǎng)護(hù)條件下；抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而逐漸減小。

水灰比；孔結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度；分布規(guī)律

孔結(jié)構(gòu)是材料的微細(xì)結(jié)構(gòu)，孔結(jié)構(gòu)性能是現(xiàn)代材料學(xué)的核心內(nèi)容［1］?；炷量捉Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且高度不均勻，決定了其十分復(fù)雜的宏觀性能。研究和掌握混凝土各組分孔結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系及其相互聯(lián)系，對混凝土各項(xiàng)宏觀性能的研究十分有益［2］?；炷列阅艿钠茐闹饕怯捎诳捉Y(jié)構(gòu)的破壞造成的，在微觀結(jié)構(gòu)對混凝土力學(xué)性能影響的研究中，大量工作主要集中在混凝土孔隙率、孔徑分布對混凝土強(qiáng)度影響的研究上［3-5］。郭劍飛［6］通過建立細(xì)觀結(jié)構(gòu)孔結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度之間的相關(guān)模型聯(lián)系，說明了混凝土材料孔結(jié)構(gòu)的孔隙率與孔級(jí)配對混凝土強(qiáng)度的影響；韋江雄等［7］建立了分形模型來模擬水泥漿體的空間結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了孔體積分形維數(shù)D、孔隙率P與孔徑分布的關(guān)系式；楊淑雁等［8］采用壓汞法、光學(xué)顯微鏡法、顯微硬度儀、掃描電子顯微鏡的手段分別對高性能混凝土的孔結(jié)構(gòu)和界面過渡區(qū)進(jìn)行了測試，研究了引氣劑對高性能混凝土顯微結(jié)構(gòu)的影響；姚曉等［9］根據(jù)Powers理論模型，通過引入相對水化程度及選定油井水泥石的本征強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)合Balshin方程和Schiller方程，建立了低溫條件下油井水泥石孔結(jié)構(gòu)和抗壓強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型。目前來看，主要對混凝土孔結(jié)構(gòu)與性能方面、孔結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的關(guān)系研究較多［10-12］，但對于不同水灰比持續(xù)負(fù)溫下混凝土孔結(jié)構(gòu)之間的變化規(guī)律研究甚少，特別是持續(xù)負(fù)溫下混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系，國內(nèi)幾乎沒有研究。本文主要研究了持續(xù)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)混凝土的孔結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系，并對比其與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土性能之間的差異，為多年凍土區(qū)混凝土的養(yǎng)護(hù)奠定了基礎(chǔ)。

1　試驗(yàn)方法

1.1原材料及配合比

混凝土由水泥、水、礦物摻合料、砂、石等物質(zhì)組成。水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的要求；水為符合國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的飲用水；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.1，含泥量0.65%的細(xì)砂；粗骨料為顆粒級(jí)配5～31.5 mm的碎石，壓碎指標(biāo)為4.75%；礦物摻合料按m粉煤灰∶m礦粉=1∶1配合而成，技術(shù)指標(biāo)均滿足《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T 18736—2002）的要求；減水劑為北京建筑工程研究院生產(chǎn)的AN4000聚羧酸減水劑；引氣劑為液體SJ-2型引氣劑，技術(shù)指標(biāo)滿足《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 500119—2003）的要求?；炷僚浜媳纫姳?。

各水灰比下新拌混凝土的坍落度至少為150 mm，擴(kuò)展度至少為450 mm，流動(dòng)性好。新拌混凝土黏聚力較好，沒有分層和離析現(xiàn)象，保水性也較好。

1.2強(qiáng)度測試方法

養(yǎng)護(hù)條件為-3℃養(yǎng)護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。新拌混凝土配好后，一部分直接放入-3℃大氣模擬箱內(nèi)帶模養(yǎng)護(hù)，5 d后脫模，脫模后再次放入-3℃大氣模擬箱；另一部分先放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，1 d后脫模再次放入20℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）進(jìn)行混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試件為150 mm×150 mm×150 mm的立方體，3塊為1組，按相應(yīng)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)至7，28，84 d后，在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

表1　混凝土配合比

1.3孔結(jié)構(gòu)測試方法

將養(yǎng)護(hù)28 d的立方體混凝土試塊切割成10～20 mm厚的試件，經(jīng)打磨、噴涂熒光劑后，放入試驗(yàn)儀器中測試。在測試軟件中，輸入混凝土測試范圍、水灰比等參數(shù)，并用模板標(biāo)定尺寸后，由硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀自動(dòng)采集數(shù)據(jù)［13］。

硬化混凝土氣泡特征參數(shù)計(jì)算公式為：

平均氣泡面積α=S/N

孔隙率AS=100nα

氣泡間距系數(shù)

式中：S為累計(jì)氣泡面積；N為氣泡個(gè)數(shù)；n為單位面積內(nèi)氣泡數(shù)；Si為氣泡面積；P為水灰比。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

-3℃和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下不同水灰比混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期增長的變化規(guī)律見表2?？梢姡瑯?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土A-1在養(yǎng)護(hù)齡期為7，28及84 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為52.6，65.0及75.8 MPa，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長而增大。在-3℃養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土A-1在養(yǎng)護(hù)齡期為7，28及84 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為35.7，54.9及64.7 MPa，混凝土的抗壓強(qiáng)度亦隨著齡期的增長而增大，這是由于隨著齡期的增長水化產(chǎn)物增多，使得混凝土的強(qiáng)度增大。但是由于負(fù)溫養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土的水化速率相對減緩，致使水化產(chǎn)物減少，因此-3℃養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)混凝土A-1，B-1及C-1的抗壓強(qiáng)度分別為65.0，55.0及47.0 MPa，-3℃養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)混凝土A-1，B-1及C-1的抗壓強(qiáng)度分別為54.9，45.9及34.7 MPa。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而減小。

表2　混凝土的強(qiáng)度

圖1　不同水灰比下混凝土的氣泡間距系數(shù)

2.2孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1混凝土的氣泡間距系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及-3℃養(yǎng)護(hù)條件下齡期28 d時(shí)不同水灰比下混凝土氣泡間距系數(shù)的變化規(guī)律見圖1?？梢?，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，A-1的氣泡間距系數(shù)為0.053 mm，A-2及A-3的氣泡間距系數(shù)分別為0.065及0.076 mm，分別為A-1的氣泡間距系數(shù)的1.226倍及1.434倍。-3℃養(yǎng)護(hù)條件下，A-1的氣泡間距系數(shù)為0.121 mm，A-2及A-3的氣泡間距系數(shù)分別為0.137及0.154 mm，分別為A-1的氣泡間距系數(shù)的1.132倍及1.273倍。可見在2種養(yǎng)護(hù)方式下，隨著水灰比的增大，混凝土的氣泡間距系數(shù)在逐漸增大；在相同水灰比下，混凝土A-1，A-2，A-3標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下氣泡間距系數(shù)分別是-3℃養(yǎng)護(hù)條件下的0.438倍、0.474倍、0.494倍。在相同水灰比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土的氣泡間距系數(shù)要小于-3℃養(yǎng)護(hù)條件下，這是由于在-3℃養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的水化速率要小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的水化產(chǎn)物會(huì)減少，導(dǎo)致混凝土的氣泡間距系數(shù)要大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下。

2.2.2混凝土的氣泡平均孔徑試驗(yàn)結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及-3℃養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期時(shí)不同水灰比下混凝土氣泡平均孔徑的變化規(guī)律見圖2?？梢姡跇?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，A-1，A-2及A-3的氣泡平均孔徑分別為0.034，0.042及0.051 mm，混凝土的氣泡平均孔徑隨著水灰比的增大而逐漸增大。在-3℃養(yǎng)護(hù)條件下，A-1，A-2及A-3的氣泡平均孔徑分別為0.075，0.086及0.096 mm，混凝土的氣泡平均孔徑隨著水灰比的增大而逐漸增大，與上述不同水灰比下混凝土氣泡間距系數(shù)的變化規(guī)律相同。在相同水灰比下，混凝土A-1，A-2，A-3標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下氣泡平均孔徑分別為-3℃養(yǎng)護(hù)條件下的0.453倍、0.488倍、0.531倍。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的氣泡平均孔徑要小于-3℃養(yǎng)護(hù)條件下，且隨著水灰比的增大，兩者之間的比值在逐漸增大。

圖2　不同水灰比下混凝土的氣泡平均孔徑

2.2.3混凝土的孔隙率試驗(yàn)結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及-3℃養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期時(shí)不同水灰比下硬化后混凝土孔隙率的變化規(guī)律見圖3。A-1標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d時(shí)硬化混凝土的孔隙率為3.3%，-3℃養(yǎng)護(hù)條件下硬化后混凝土的孔隙率為4.5%，前者比后者減少了1.2%。A-2標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d時(shí)硬化混凝土的孔隙率為3.9%，-3℃養(yǎng)護(hù)條件下硬化后混凝土的孔隙率為5.0%，前者比后者減少了1.1%。A-3標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d時(shí)硬化混凝土的孔隙率為4.4%，-3℃養(yǎng)護(hù)條件下硬化后混凝土的孔隙率為5.3%，前者比后者減少了0.9%。由此可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下硬化后混凝土的孔隙率要小于-3℃養(yǎng)護(hù)條件下，且兩者之差隨著水灰比的增大變化不大。由表1和圖3可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下A-1，A-2及A-3硬化后混凝土的孔隙率相比新拌混凝土的孔隙率分別增加了2.5%，2.5%及2.9%，在-3℃養(yǎng)護(hù)條件下A-1，A-2及A-3硬化后混凝土的孔隙率相比新拌混凝土的孔隙率分別增加了3.7%，3.6%及3.8%。2種養(yǎng)護(hù)方式下，隨著水灰比的增大，硬化后混凝土的孔隙率與新拌混凝土的孔隙率變化幅度基本一致。

2.2.4混凝土氣泡的比表面積試驗(yàn)結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及-3℃養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期時(shí)不同水灰比下混凝土氣泡比表面積的變化規(guī)律見圖4?？梢姡跇?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下A-1的比表面積為24.23 mm-1，A-2及A-3的比表面積分別為20.18 mm-1及16.65 mm-1，分別為A-1的比表面積的0.833倍及0.687倍。-3℃養(yǎng)護(hù)條件下，A-1的比表面積為31.37 mm-1，A-2及A-3的比表面積分別為26.67 mm-1及22.7 6 mm-1，分別為A-1的比表面積的0.85倍及0.726倍。由此可知，不同水灰比-3℃養(yǎng)護(hù)下混凝土比表面積要大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，且隨著水灰比的增大，混凝土的氣泡比表面積逐漸減小。

圖3　不同水灰比下混凝土的孔隙率

圖4　不同水灰比下混凝土的比表面積

3　結(jié)論

1）相同齡期下，-3℃養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，且在2種養(yǎng)護(hù)方式下混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大逐漸減小。

2）在2種養(yǎng)護(hù)方式下，隨著水灰比的增大，混凝土的氣泡間距系數(shù)在逐漸增大，混凝土的氣泡平均孔徑逐漸增大，硬化后混凝土的孔隙率逐漸增大，氣泡的比表面積逐漸減小。

3）在相同水灰比，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的氣泡間距系數(shù)、氣泡平均孔徑、硬化后混凝土的孔隙率及氣泡比表面積均小于-3℃養(yǎng)護(hù)條件下。

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（責(zé)任審編李付軍）

Discussion of－3℃Cure Temperature on Concrete Compressive Strength and Its Pore Structure

ZHANG Chengbo
（Lan-Xin Railway Xinjiang Co.，Ltd.，Urumqi Xinjiang 830011，China）

In this paper，the influence of water-cement ratio on the relationship between concrete pore structure and strength was studied.T wo different cure environments were compared：at-3℃and standard curing.T he results indicate that bubble hole spacing coefficient of concrete，concrete bubble average pore diameter and porosity of the concrete increase as the water-cement ratio goes up，but the bubble surface area decreases in these two cases.By comparison，the values of the four parameters mentioned above are less in the case of standard curing，given the same water-cement ratio.As the water-cement ratio increases，concrete compressive strength decreases gradually.

W ater-cement ratio；Pore structure；Strength；Distribution

TU528.31

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.36

1003-1995（2016）10-0136-04

2016-03-27；

2016-05-15

國家自然科學(xué)基金（51268032）

張乘波（1963—），男，高級(jí)工程師。