王月華 蔣睿 劉子科 何龍 翁智財 謝永江 胡建偉

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081

由于預應力張拉、模具周轉等需求混凝土制品須具備較高的早期強度，故在其生產(chǎn)過程中多采用蒸汽養(yǎng)護。硅灰、礦粉、粉煤灰等工業(yè)副產(chǎn)品，最初因環(huán)保需求而消納在建筑材料中，如今已成為高性能混凝土必不可少的重要組分，對改善混凝土的工作性能、力學性能與耐久性發(fā)揮著積極作用。在新拌水泥混凝土中礦物摻和料的微填充效應、形貌效應、比重效應及分散效應可起到增塑減水作用［1］，其火山灰效應則改善了混凝土中水泥石與集料之間的界面強度，降低了孔隙率，并使孔細化，同時生成更多C-S-H凝膠，提高了混凝土抗氯離子滲透能力［2］。超細磨粉煤灰、礦粉、硅灰三種摻和料中硅灰對水泥漿體密實性的改善效果最好［3］。粉煤灰、礦粉等在3 d前對混凝土抗壓強度的貢獻很小，但3 d后抗壓強度增長速率加快，有利于提升耐久性［4］。

除材料自身的物理化學特性外，養(yǎng)護條件對混凝土強度的發(fā)展同樣有著重要影響［5-6］。常壓90℃蒸汽養(yǎng)護條件下各種礦物摻和料的活性得以提高，水化反應更加復雜，礦粉參與水化的程度高于粉煤灰［7］。對于粉煤灰、礦粉摻量均為50%的水泥砂漿，熱水轉空氣的養(yǎng)護方式可明顯改善砂漿的抗壓強度、吸水率與孔隙率［8］。

盡管相關研究已取得許多成果，但對水泥基體系試件在不同齡期的強度發(fā)展缺乏系統(tǒng)研究，且對單位用量摻和料的強度貢獻尚無定量評價。為此，本文對摻有硅灰、超細礦粉、粉煤灰微珠的水泥砂漿分別在不同溫度條件下進行早期養(yǎng)護，測試不同齡期試件強度，計算單位用量摻和料的強度貢獻比，評價各材料在不同養(yǎng)護溫度下的強度貢獻差異，為混凝土養(yǎng)護條件的合理選擇、配合比的科學設計以及超細礦物摻和料的高質化利用提供參考。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥為海螺P·II 52.5級水泥（cement，C）。骨料為標準砂。超細礦物摻和料（簡稱摻和料）為北京江漢科技有限公司提供的硅灰（silica fume，SF）、山東盛世高鐵工程材料有限公司提供的超細礦粉（ultra-fine slag powder，US）、深圳道特科技有限公司提供的粉煤灰微珠（fly ash microsphere，F(xiàn)M）。粉體材料的物理化學性能見表1，C、US、FM的粒徑分布見圖1。

圖1 C、US、FM的粒徑分布

1.2 試驗配合比

試驗配合比見表2。SF系列中SF摻量分別為3%、5%，US與FM系列中US與FM摻量分別為5%、10%、15%、20%。為減少其他因素的影響，各系列采用統(tǒng)一的膠凝材料用量與水膠比，且不使用外加劑。

表2 試驗配合比 g

1.3 養(yǎng)護方式

分別將各試件在20、40、60、80℃的蒸養(yǎng)箱中養(yǎng)護16 h后，移入標準養(yǎng)護室（溫度（20±2）℃，相對濕度不低于95%）中養(yǎng)護至7、28、56 d。蒸養(yǎng)箱升溫、降溫速率不大于15℃/h。測試各系列試件在8、16 h和7、28、56 d的抗壓強度與抗折強度。20℃條件下養(yǎng)護8 h試件強度過低，故強度測試從16 h開始。

1.4 測試和評價方法

參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》，采用尺寸為160 mm（長）×40 mm（寬）×40 mm（高）的棱柱體試件進行強度測試。

蒲心誠教授［9］提出了水泥比強度的概念，即單位用量水泥熟料對水泥膠砂試件各齡期的強度貢獻。本文借鑒該思路，以不加入摻和料的各齡期試件中單位用量水泥的強度貢獻為基準，計算摻有摻和料的各系列試件中單位用量摻和料的強度貢獻，并通過其與單位用量水泥的強度貢獻之比，量化各摻和料在水泥膠砂試件中的火山灰活性大小。

采用基準試件強度計算單位用量水泥的強度貢獻，計算公式為

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其中：Kc，t，a為早期養(yǎng)護溫度t、養(yǎng)護齡期a的基準試件單位用量水泥的強度貢獻，MPa；Rc，t，a為基準試件強度，MPa。

單位用量摻和料的強度貢獻的計算公式為

其中：Ks，t，a為早期養(yǎng)護溫度t、養(yǎng)護齡期a的試件中單位用量摻和料的強度貢獻，MPa；Rs，t，a為摻有摻和料的試件強度，MPa；mc為該體系中水泥用量占膠凝材料總量的比例，%；ms為摻和料用量占膠凝材料總量的比例，%。

單位用量摻和料強度貢獻與基準試件中單位用量水泥的強度貢獻之比Ns，t，a為

2 試驗結果與分析

2.1 不同養(yǎng)護溫度下各體系試件強度試驗結果

各體系試件抗壓強度試驗結果見表3?？梢钥闯觯孩僭缙陴B(yǎng)護溫度越高抗壓強度越高，但后期增幅降低。56 d時早期采用較低溫度養(yǎng)護的試件抗壓強度高于采用較高溫度養(yǎng)護的試件。②對于SF系列，摻量由3%提高至5%時，盡管采用40℃養(yǎng)護試件的早期抗壓強度略有降低，整體而言，不同養(yǎng)護溫度下?lián)?%SF試件抗壓強度較高。③對于US系列，盡管早期養(yǎng)護溫度不同，但28 d與56 d試件的抗壓強度總體上均隨US摻量增大而增大，除20℃養(yǎng)護試件外其他試件抗壓強度基本上高于未添加摻和料的基準組試件。④對于FM系列，早期養(yǎng)護溫度為20、40℃時，16 h、7 d齡期試件的抗壓強度大致上隨FM摻量增大而降低；早期養(yǎng)護溫度為60℃時，僅8 h試件的抗壓強度隨FM摻量增大而降低；早期養(yǎng)護溫度升至80℃時FM的活性得到較好發(fā)揮，不同齡期試件的抗壓強度均隨FM摻量的增大而提高。

表3 各體系試件抗壓強度試驗結果

各體系試件抗折強度試驗結果見表4?？梢钥闯觯孩僭缙陴B(yǎng)護溫度越高早期抗折強度越高，隨著齡期增長，抗折強度增幅逐漸減小。②不同養(yǎng)護溫度下添加摻和料試件的抗折強度整體上高于同條件養(yǎng)護的未添加摻和料的基準試件，表明摻和料的加入有利于抗折強度的發(fā)展，該增強效果因摻和料種類與摻量的不同而存在差異。③對于SF系列，不同早期養(yǎng)護溫度下各齡期摻量5%試件的抗折強度總體上高于摻量3%的試件。對于US系列，在不同養(yǎng)護下試件抗折強度基本上隨US摻量增大而增大。對于FM系列，早期養(yǎng)護溫度在20、40℃時，試件早期抗折強度隨FM摻量增大而降低，早期養(yǎng)護溫度升至80℃時16 h及以上齡期試件的抗折強度總體上隨著FM摻量增大而提高。不僅如此，早期采用80℃養(yǎng)護后，US與FM摻量15%及以上試件的56 d抗折強度高于同條件養(yǎng)護的摻SF試件。

表4 各體系試件抗折強度試驗結果

2.2 養(yǎng)護溫度對SF強度貢獻比的影響

根據(jù)式（1）—式（3）計算得到單位用量摻和料的強度貢獻比。不同齡期SF系列試件中SF的強度貢獻比隨早期養(yǎng)護溫度變化曲線見圖2。

圖2 不同齡期試件中SF強度貢獻比隨早期養(yǎng)護溫度變化曲線

由圖2（a）可知：①早期養(yǎng)護溫度升高，不同齡期試件中SF的抗壓強度貢獻比大致上先增大后減小。以16 h齡期時摻量3%的試件為例，在20℃時，試件中SF的抗壓強度貢獻比為1.48，這種增強作用主要來自SF的密實填充效應；養(yǎng)護溫度升至40℃時，試件中SF的抗壓強度貢獻比提高至4.77，SF的反應活性開始發(fā)揮；養(yǎng)護溫度升至60℃時，試件中SF的抗壓強度貢獻比進一步提高至4.96，但養(yǎng)護溫度升至80℃時，SF抗壓強度貢獻比反而下降，這可能是由于過高的早期養(yǎng)護溫度下膠凝材料反應速度過快，結構密實度下降。②8 h齡期摻量由3%提高到5%時，40℃和60℃養(yǎng)護溫度下試件中SF的抗壓強度貢獻比顯著降低；7 d齡期摻量5%的試件中SF的抗壓強度貢獻比基本上高于摻量3%時。此外，早期養(yǎng)護溫度若采用80℃，不同齡期摻量5%的試件中SF的抗壓強度貢獻比高于摻量3%時。③整體而言，適宜的養(yǎng)護溫度有助于激發(fā)SF的活性，綜合考慮不同齡期試件中SF的抗壓強度貢獻比，SF系列的早期養(yǎng)護溫度以40℃為佳。

2.3 養(yǎng)護溫度對US強度貢獻比的影響

不同齡期US系列試件中US的強度貢獻比隨早期養(yǎng)護溫度變化曲線見圖3。

圖3 不同齡期試件中US強度貢獻比隨早期養(yǎng)護溫度變化曲線

由圖3（a）可知：①與SF系列試件類似，隨著早期養(yǎng)護溫度升高，不同齡期試件中US的抗壓強度貢獻比大致上先增大后減小。對于8、16 h早齡期，早期養(yǎng)護溫度為60℃時試件中US的抗壓強度貢獻比較高，而對于7、28、56 d中長齡期，早期養(yǎng)護溫度為40℃時試件中US的抗壓強度貢獻比較高。②早期養(yǎng)護溫度相同，8、16 h早齡期試件中US的抗壓強度貢獻比均隨摻量的提高而降低，而7、28、56 d中長齡期試件中US的抗壓強度貢獻比均隨摻量的提高先增大后減小，整體上摻量10%的試件中US抗壓強度貢獻比較高。③綜合考慮不同齡期試件中US抗壓強度貢獻比的差異，建議US系列試件的早期養(yǎng)護溫度在40～60℃為宜。

由圖3（b）可知：①不同早期養(yǎng)護溫度下除8 h外各齡期試件中US的抗折強度貢獻比隨早期養(yǎng)護溫度變化曲線總體上較為平緩，且在不同摻量試件中US的抗折強度貢獻比差異較小。②對于8 h齡期試件，當早期養(yǎng)護溫度由40℃升高至60℃時，不同摻量試件中US抗折強度貢獻比最大增幅高達360%，表明60℃時US的反應活性已較好發(fā)揮。但當早期養(yǎng)護溫度進一步升高至80℃時，試件中US的抗折強度貢獻比降低。③考慮US在早齡期試件中的活性，及其在較長齡期試件中的抗折強度貢獻比，US系列的早期養(yǎng)護溫度在40～60℃為宜，US推薦摻量為10%～15%。

2.4 養(yǎng)護溫度對FM強度貢獻比的影響

不同齡期FM系列試件中FM的強度貢獻比隨早期養(yǎng)護溫度變化曲線見圖4。

圖4 不同齡期試件中FM強度貢獻比隨早期養(yǎng)護溫度變化曲線

由圖4（a）可知：①對于8 h齡期試件，當早期養(yǎng)護溫度由60℃升高至80℃時，F(xiàn)M的抗壓強度貢獻比顯著增大；而對于16 h齡期試件，早期采用60℃養(yǎng)護的FM的抗壓強度貢獻比較高。②在8、16 h早齡期，同一早期養(yǎng)護溫度下試件中FM的抗壓強度貢獻比隨摻量的增大而減小，摻量5%的試件中FM的抗壓強度貢獻比較高。這可能是由于在早期FM的物理效應占主導，其良好的顆粒形貌效應與級配效應改善了基體的勻質性與密實度。隨著齡期的增長，至28、56 d長齡期時試件中FM的抗壓強度貢獻比因摻量不同而產(chǎn)生的差異明顯縮小，摻量15%的試件中FM的抗壓強度貢獻比較高。

由圖4（b）可知：①隨著早期養(yǎng)護溫度升高，8 h齡期時摻量5%試件中FM的抗折強度貢獻比有所降低，但仍維持在較高水平，摻量10%、15%與20%試件中FM的抗折強度貢獻比則逐漸增大；16 h齡期時試件中FM的抗折強度貢獻比先明顯減小而后略有增大，表明采用60～80℃養(yǎng)護有助于激發(fā)FM的反應活性。②8、16 h早齡期時試件中FM的抗折強度貢獻比的變化幅度與其摻量密切相關，F(xiàn)M摻量越高，試件中FM的抗折強度貢獻比越低。隨著齡期的增長，因摻量不同引起的FM抗折強度貢獻比差異明顯縮小。從56 d齡期看，摻量15%、20%的試件中FM的抗折強度貢獻比較高。

3 結論

1）早期養(yǎng)護溫度越高，各系列試件的抗壓強度與抗折強度越高，但后續(xù)增幅減小?？傮w上早期養(yǎng)護溫度為20℃的試件長齡期強度略高。

2）SF的早期抗壓強度貢獻比隨養(yǎng)護溫度升高先增大而后減小。綜合考慮不同齡期試件中SF的強度貢獻比，SF系列的早期養(yǎng)護溫度以40℃為宜。

3）根據(jù)不同摻量各齡期試件中US的強度貢獻比差異，US系列的早期養(yǎng)護溫度在40～60℃為宜，且US推薦摻量為10%～15%。

4）FM的早期強度貢獻比與其摻量密切相關。FM系列在60～80℃養(yǎng)護有助于激發(fā)FM的反應活性。