鄭新國 郁培云 段林鋒 李書明 張馳 鄧青山

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3.中鐵上海工程局集團第七工程有限公司，上海 710061

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的鐵路工程將在嚴寒地區(qū)修建，而混凝土在負溫環(huán)境下施工易出現(xiàn)凝結(jié)硬化時間長、內(nèi)部結(jié)構(gòu)受凍破壞、后期強度損失大等問題。文獻［1］通過試驗分析了負溫下普通水泥混凝土的凍脹規(guī)律，以及基準混凝土早期凍脹應(yīng)力對混凝土強度及抗凍性能的影響；文獻［2］研究了正負溫交替養(yǎng)護下混凝土動彈性模量、抗壓強度以及損傷程度的變化規(guī)律。目前，負溫環(huán)境下混凝土施工主要采用保溫養(yǎng)護、摻加鹽類防凍劑等方法。鐵路無砟軌道為板條狀結(jié)構(gòu)，平面尺寸大，施工線路長，采用保溫養(yǎng)護措施費時費力，因此通常采用摻加防凍劑的方法。鹽類防凍劑在負溫下可使水泥石中水處于液相，促進水化反應(yīng)，緩解凍脹應(yīng)力，提高混凝土強度，然而當養(yǎng)護溫度轉(zhuǎn)為正溫后摻加鹽類防凍劑會導(dǎo)致混凝土強度降低。這是因為鹽類防凍劑使拌和水成為鹽溶液，導(dǎo)致水泥顆粒不能充分水化，同時未完全水化的鹽類防凍劑殘留在水泥漿體內(nèi)部，在后期不斷結(jié)晶析出。因此，研究低含鹽量的混凝土防凍劑是目前的主要發(fā)展方向。

摻入水化硅酸鈣晶種是近年發(fā)展起來的一種混凝土早強技術(shù)。通過將人工合成的水化硅酸鈣摻入混凝土中誘導(dǎo)水化產(chǎn)物更快結(jié)晶析出，加速早期水泥水化，提高早期強度，同時可以避免傳統(tǒng)早強劑帶來的不足。文獻［3-4］提出了單礦水化法、水熱合成法、溶液沉淀法等多種水化硅酸鈣晶種制備方法，探究了水化硅酸鈣晶種對水泥水化放熱速率、混凝土強度的影響規(guī)律，明確了水化硅酸鈣晶種的作用機理。然而，現(xiàn)有研究主要在常溫養(yǎng)護下進行，負溫養(yǎng)護下水化硅酸鈣晶種對混凝土的強度影響研究鮮有報道。因此，本文針對負溫養(yǎng)護下混凝土強度發(fā)展緩慢問題，探究水化硅酸鈣晶種對混凝土強度的影響規(guī)律，為新型混凝土防凍劑研究提供技術(shù)支持。

1 水泥混凝土抗壓強度試驗

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成和物理力學(xué)性能見表1、表2。粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，礦粉為礦渣粉。骨料采用5～20 mm級配碎石，砂子采用細度模數(shù)2.6的河砂。減水劑采用非引氣類聚羧酸減水劑。水化硅酸鈣采用自制的水化硅酸鈣懸浮液，

表1 普通硅酸鹽水泥的化學(xué)組成 %

表2 普通硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能指標

合成工藝采用硅酸鈉和硝酸鈣溶液沉淀法，水化硅酸鈣平均粒徑38.5μm。

1.2 配合比

以鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)常用的C30、C40、C50混凝土的配合比為基準，設(shè)置了不同晶種摻量的配合比，見表3。

表3 水泥混凝土配合比

1.3 試件養(yǎng)護及抗壓強度測試

考慮嚴寒地區(qū)混凝土施工環(huán)境溫度特點，分別設(shè)置正溫養(yǎng)護、負溫養(yǎng)護、正負溫交替養(yǎng)護等多種養(yǎng)護制度。

正溫養(yǎng)護：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于正溫20℃環(huán)境箱中養(yǎng)護至規(guī)定齡期，再拆模進行強度測試。

負溫養(yǎng)護：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于負溫（-5℃或-10℃）環(huán)境箱中養(yǎng)護至規(guī)定齡期，拆模后在20℃環(huán)境放置2 h進行強度測試。

負溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于負溫（-5℃或-10℃）環(huán)境箱養(yǎng)護7 d后再移入20℃環(huán)境箱養(yǎng)護至規(guī)定齡期，再拆模進行強度測試。

正溫轉(zhuǎn)負溫養(yǎng)護：將材料溫度控制在5～10℃成型試件，帶模置于20℃環(huán)境箱養(yǎng)護至規(guī)定齡期，然后置于負溫（-5℃或-10℃）環(huán)境箱養(yǎng)護6 h，再拆模進行強度測試。

抗壓強度測試參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 正溫養(yǎng)護下晶種對混凝土強度的影響

20℃養(yǎng)護下混凝土抗壓強度隨齡期的變化見圖1。其中，C30-1.0表示摻入1%晶種的C30混凝土，其他以此類推。可知：①摻入晶種后不同等級混凝土抗壓強度均有所提升，且混凝土等級越高抗壓強度提升值越大，但抗壓強度提升比例越低。摻入1%晶種后C30、C40、C50混凝土24 h抗壓強度較不摻晶種時分別提高8.0、9.8、12.5 MPa，抗壓強度提升比例分別為61%、58%、37%。②隨著養(yǎng)護齡期延長，晶種對混凝土抗壓強度的提升作用逐漸減弱，且混凝土強度等級越高減弱現(xiàn)象越明顯。與不摻晶種時相比，摻入1%晶種后C30混凝土1、3、7 d抗壓強度分別提升61%、24%、20%，C40混凝土1、3、7 d抗壓強度分別提升58%、21%、7%?？梢娋ХN對低強度等級混凝土抗壓強度的提升作用更加明顯。這是因為低等級混凝土中水膠比較大，水化產(chǎn)物中結(jié)構(gòu)相對疏松的Ca（OH）2含量較高，摻入晶種后可以增加水泥水化過程中的成核位點數(shù)量，降低成核位壘，促進水化硅酸鈣結(jié)晶反應(yīng)進行，使得水化產(chǎn)物中結(jié)構(gòu)較為致密的水化硅酸鈣含量提高［5］。

圖1 20℃養(yǎng)護下混凝土抗壓強度隨齡期的變化

2.2 負溫養(yǎng)護下晶種對混凝土抗壓強度的影響

負溫養(yǎng)護下混凝土抗壓強度隨齡期的變化見圖2。對比圖1、圖2可知：①負溫養(yǎng)護下混凝土的抗壓強度遠低于正溫養(yǎng)護，且在-10℃養(yǎng)護混凝土抗壓強度較在-5℃養(yǎng)護更低。不摻晶種時養(yǎng)護溫度從20℃降至-5、-10℃，C30混凝土1 d抗壓強度分別下降74%、77%。②負溫養(yǎng)護下?lián)饺刖ХN后，不同等級混凝土抗壓強度均有所提升，且由于負溫養(yǎng)護下混凝土強度發(fā)展延后，3 d時晶種對強度的提升作用較1 d和7 d高。在-5℃養(yǎng)護，與不摻晶種時相比，摻入1%晶種后C30混凝土1、3、7 d抗壓強度分別提升60%、82%、36%，C40混凝土1、3、7 d抗壓強度分別提升24%、70%、65%。③雖然負溫養(yǎng)護下混凝土抗壓強度較低，但摻入晶種后抗壓強度最大提升比例比正溫養(yǎng)護下有所提高。

圖2 負溫養(yǎng)護下混凝土抗壓強度隨齡期的變化

2.3 負溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護時晶種對混凝土強度的影響

負溫養(yǎng)護7 d后再轉(zhuǎn)入20℃養(yǎng)護?；炷量箟簭姸入S齡期的變化見圖3。

圖3 負溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護時混凝土抗壓強度隨齡期的變化

對比圖1、圖3可知：①不摻晶種時負溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護的混凝土抗壓強度遠低于正溫養(yǎng)護的混凝土，且低強度等級混凝土負溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護后抗壓強度損失更大，C30、C40、C50混凝土在-5℃養(yǎng)護56 d后轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護抗壓強度比20℃養(yǎng)護分別下降48%、45%、40%。②摻入晶種后不同強度等級混凝土抗壓強度均有所提升，且在-10℃養(yǎng)護，晶種對抗壓強度的提升作用較在-5℃養(yǎng)護更加明顯。這是因為在負溫下?lián)饺刖ХN可以提高混凝土的早期強度，使得混凝土具有一定的抗凍性，且混凝土在-10℃養(yǎng)護更需要一定的早期強度。③摻入晶種后高強度等級混凝土在負溫轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護下抗壓強度下降比例顯著小于低強度等級混凝土。摻入1%晶種后C30、C40、C50混凝土在-5℃養(yǎng)護56 d后轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護抗壓強度較20℃養(yǎng)護分別下降47%、42%和11%。隨著混凝土強度等級提高，水膠比逐漸降低，凍結(jié)應(yīng)力逐漸減??；同時摻入晶種后高強度等級混凝土早期強度發(fā)展較快，抗凍能力提高。

2.4 正溫轉(zhuǎn)負溫養(yǎng)護時晶種對混凝土強度的影響

20℃養(yǎng)護至一定齡期再轉(zhuǎn)入負溫養(yǎng)護6 h?；炷量箟簭姸入S齡期的變化見圖4?？芍孩俨粨骄ХN時正溫轉(zhuǎn)負溫養(yǎng)護的混凝土抗壓強度較正溫養(yǎng)護混凝土有所降低，且溫度越低抗壓強度損失越大。C30混凝土在20℃養(yǎng)護1 d后轉(zhuǎn)入-5、10℃養(yǎng)護，抗壓強度分別下降11%、23%。隨著混凝土齡期增長，負溫養(yǎng)護導(dǎo)致的抗壓強度損失逐漸減小，且低強度等級混凝土抗壓強度損失更大。C30混凝土在20℃養(yǎng)護28 d轉(zhuǎn)入-5、-10℃養(yǎng)護，抗壓強度分別下降8%、14%。C50混凝土在20℃養(yǎng)護28 d后轉(zhuǎn)入-5、-10℃養(yǎng)護，抗壓強度分別下降3%、8%。②不摻與摻入晶種混凝土正溫轉(zhuǎn)負溫養(yǎng)護后抗壓強度變化規(guī)律相似，但摻入晶種正溫轉(zhuǎn)負溫養(yǎng)護后抗壓強度降幅減小。C30混凝土不摻晶種正溫養(yǎng)護1 d轉(zhuǎn)入-5、-10℃養(yǎng)護，抗壓強度分別下降11%、23%；摻入1%晶種正溫養(yǎng)護1 d轉(zhuǎn)入-5、-10℃養(yǎng)護，抗壓強度分別下降7%、15%。

圖4 正溫轉(zhuǎn)負溫養(yǎng)護時混凝土抗壓強度隨齡期的變化

3 結(jié)論

1）正溫養(yǎng)護下晶種對不同等級混凝土抗壓強度均有提升作用，且混凝土等級越低抗壓強度提升比例越大。隨著養(yǎng)護齡期延長，晶種對混凝土抗壓強度的提升作用逐漸減弱，且混凝土強度等級越高減弱現(xiàn)象越明顯。

2）負溫養(yǎng)護下不摻晶種混凝土的抗壓強度遠低于正溫養(yǎng)護，隨著溫度下降混凝土抗壓強度逐漸降低。負溫養(yǎng)護下?lián)饺刖ХN可提高不同強度等級混凝土抗壓強度，摻入1%晶種后C30混凝土3 d抗壓強度較不摻晶種時提高82%。雖然負溫養(yǎng)護下混凝土抗壓強度較低，但摻入晶種后抗壓強度最大提升比例顯著高于正溫養(yǎng)護。

3）正負溫交替養(yǎng)護下不摻晶種混凝土抗壓強度低于正溫養(yǎng)護，且低強度等級混凝土受凍后抗壓強度損失更大。摻入晶種可提升負溫養(yǎng)護下混凝土抗壓強度，且負溫越低晶種對混凝土抗壓強度的提升作用越明顯。