張戎令，王起才，楊 斌，龍朝飛

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；3.中國鐵路建設(shè)集團(tuán)管理有限公司, 北京 100161)

混凝土由水泥、粗骨料、細(xì)骨料、水等多種物質(zhì)組成，為多孔介質(zhì)材料。混凝土的許多特性與其孔結(jié)構(gòu)有關(guān)[1]，例如，混凝土毛細(xì)孔中冰結(jié)晶壓力的發(fā)展引起的內(nèi)部凍害，孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)水泥/混凝土試樣的凍融耐久性有重要影響[2]。混凝土在長期凍融作用下，可能會(huì)產(chǎn)生裂紋，而這種裂紋為水分和有害介質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部提供了途徑；鹽凍破壞明顯高于水凍破壞，且破壞迅速[3]，最終造成混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命大幅度縮短[4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)混凝土凍融破壞問題開展了大量研究，總結(jié)了在凍融循環(huán)作用下環(huán)境因素對(duì)混凝土凍融損傷的作用機(jī)制和影響規(guī)律；開展了相關(guān)理論與試驗(yàn)研究[5]；探討了不同配合比的混凝土在不同腐蝕方式下抗凍性和抗腐蝕性能演變規(guī)律[6]，研究指出，混凝土中摻入復(fù)合防凍劑和礦物摻和料有利于提高其在負(fù)溫環(huán)境下的力學(xué)性能和抗凍耐久性[7]；分析了三種溫度工況下凍融次數(shù)對(duì)混凝土彈性模量的影響[8]，選定動(dòng)彈性模量作為混凝土在水下和除冰鹽凍融循環(huán)作用下的損傷變量，導(dǎo)出在此條件下混凝土凍融疲勞損傷方程，進(jìn)而構(gòu)建了相應(yīng)壽命預(yù)測(cè)模型[9]；認(rèn)為在寒冷地區(qū)，凍融對(duì)混凝土材料有嚴(yán)重的降解作用，提出內(nèi)聚力減小參數(shù)，建立了凍融破壞本構(gòu)模型[10]。Luo等[11]認(rèn)為在不同的凍融作用下混凝土界面過渡區(qū)最有可能在霜凍侵蝕下首先破壞；Jin等[12]通過抗力降低量來計(jì)算損傷程度，以評(píng)估遭受凍融循環(huán)后混凝土內(nèi)部的劣化情況；文獻(xiàn)[13-14]發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)作用下，混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)演變過程與其受凍損傷機(jī)理和宏觀力學(xué)性能密切相關(guān)，基于CT分析技術(shù)，研究進(jìn)一步得出了混凝土試樣在凍融循環(huán)作用下內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)隨凍融循環(huán)次數(shù)增長的變化規(guī)律，建立了混凝土孔隙率與其抗壓強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系式；Wawrzeczyk等[15]采用臨界質(zhì)量增加所需的凍融循環(huán)次數(shù)用于確定Weibull分布參數(shù)，建立了凍結(jié)狀態(tài)下混凝土損傷模型。

世界范圍內(nèi)多年凍土區(qū)分布廣泛，總占地面積約為22.79×106km2,占據(jù)北半球陸地面積的24%[16]；我國有廣袤的凍土區(qū)，其總面積約2.15×106km2，占全國總領(lǐng)土面積的22.3%[17]。持續(xù)低負(fù)溫凍土地區(qū)，混凝土樁基礎(chǔ)、承臺(tái)等下部結(jié)構(gòu)長期處于低負(fù)溫環(huán)境中，因此，此類混凝土強(qiáng)度增長規(guī)律明顯不同于常溫下混凝土的強(qiáng)度增長規(guī)律。以青藏鐵路凍土層中混凝土灌注樁為研究對(duì)象，對(duì)持續(xù)-3 ℃環(huán)境下引氣混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律和抗凍耐久性進(jìn)行試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，相比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，持續(xù)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土的強(qiáng)度有明顯的“齡期滯后”現(xiàn)象[18]，此現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和內(nèi)在機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。

本文為掌握高寒低負(fù)溫凍土地區(qū)混凝土強(qiáng)度增長機(jī)理，開展了四種不同入模溫度、兩種環(huán)境養(yǎng)護(hù)制度下混凝土水泥水化、強(qiáng)度以及微觀結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元擬合，分析基于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下考慮入模溫度和齡期的低負(fù)溫時(shí)混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)計(jì)算公式。

1 原材料特性及試驗(yàn)方法

1.1 原材料特性

本試驗(yàn)使用水泥為P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其相關(guān)實(shí)測(cè)指標(biāo)見表1。粗骨料選用5.0～31.5 mm的連續(xù)級(jí)配，其各項(xiàng)實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)見表2。細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.47的河砂，其各項(xiàng)實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)見表3。聚羧酸型減水劑各項(xiàng)實(shí)測(cè)指標(biāo)見表4。持續(xù)負(fù)溫(-5 ℃)養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的混凝土試樣配合比一致，詳見表5。

表1 P·O42.5普通硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 碎石技術(shù)指標(biāo)

表3 砂的級(jí)配

表4 減水劑檢測(cè)指標(biāo)

表5 混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)溫度工況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.2.1 入模溫度控制

為得出適應(yīng)凍土區(qū)混凝土強(qiáng)度的計(jì)算方法，以凍土區(qū)凍土溫度為實(shí)際工程背景，依據(jù)既有規(guī)范[19-20]，以實(shí)際工程中入模溫度的可行性為指導(dǎo)，試驗(yàn)入模溫度共設(shè)計(jì)4種工況，分別為5、10、15、20 ℃，對(duì)應(yīng)的溫度控制精度分別為(5±1)、(10±1)、(15±1)、(20±1) ℃。為了能夠準(zhǔn)確控制不同入模溫度工況，試驗(yàn)前，將稱好的混凝土原材料提前放置在恒溫養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，依據(jù)不同入模溫度工況調(diào)設(shè)好試驗(yàn)箱溫度，進(jìn)行預(yù)溫處理，以達(dá)到試驗(yàn)時(shí)相應(yīng)入模溫度要求。

1.2.2 環(huán)境溫度控制

混凝土所處的環(huán)境溫度直接影響其強(qiáng)度增長。在凍土區(qū)，混凝土澆筑后，將長期處于低負(fù)溫環(huán)境中。為了研究混凝土在凍土區(qū)強(qiáng)度增長規(guī)律，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩種環(huán)境溫度。

環(huán)境溫度一：持續(xù)負(fù)溫(-5 ℃)下，待混凝土入模后將其放入溫度為-5 ℃的大氣模擬箱中養(yǎng)護(hù)，3 d后，進(jìn)行試件的脫模，然后繼續(xù)在該溫度環(huán)境下養(yǎng)護(hù)。混凝土澆筑完畢后不宜過早脫模，通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土在持續(xù)負(fù)溫環(huán)境下完成終凝需要3 d時(shí)間。

環(huán)境溫度二(對(duì)比組)：將澆筑完畢的混凝土放入標(biāo)養(yǎng)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，室內(nèi)環(huán)境溫度為(20±1) ℃，濕度大于90%。養(yǎng)護(hù)1 d后對(duì)試件進(jìn)行脫模，之后繼續(xù)在標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

1.2.3 水泥水化熱控測(cè)

蓋斯定律認(rèn)為，化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)只與體系的初態(tài)和終態(tài)相關(guān)?；诖嗽恚囼?yàn)采用溶解熱法測(cè)試恒定負(fù)溫(-5 ℃)環(huán)境下水泥的累積水化放熱量，測(cè)試流程詳見GB/T 12959—2008《水泥水化熱測(cè)定方法》[20]。

1.2.4 強(qiáng)度及微觀孔結(jié)構(gòu)測(cè)試

強(qiáng)度試驗(yàn)按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21]進(jìn)行，試驗(yàn)澆筑了兩批100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試塊，將澆筑好的試塊分別置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境和持續(xù)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，待試塊達(dá)到指定齡期(3、14、28、42、56、70、84、98、112 d)時(shí)取出，采用電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試兩種養(yǎng)護(hù)制度下試塊的抗壓強(qiáng)度。

采用全自動(dòng)測(cè)孔儀測(cè)試混凝土的孔徑分布情況和孔隙率。測(cè)試流程分為兩步：首先，準(zhǔn)備(7±0.5) g的試樣(避免試件質(zhì)量影響試驗(yàn)結(jié)果)，將其放入烘箱中烘干，烘烤結(jié)束后取出試樣冷卻至25 ℃；然后，采用全自動(dòng)測(cè)控儀對(duì)制備好的試樣進(jìn)行高低壓測(cè)試，采集并分析數(shù)據(jù)。

2 強(qiáng)度增長過程中水化反應(yīng)

分析計(jì)算時(shí)，依據(jù)GB/T 12959—2008《水泥水化熱測(cè)定方法》[20]，首先對(duì)水化熱進(jìn)行熱量計(jì)熱容量標(biāo)定計(jì)算，熱容量和經(jīng)矯正的溫度為

(1)

(2)

式中：C為熱量計(jì)熱容量；G0為氧化鋅重量；t為氧化鋅加入熱量計(jì)時(shí)的室溫；ta為溶解期首次θa加貝氏溫度計(jì)0 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度；R0為經(jīng)校正的溫度上升值；θa和θb分別為溶解期首次和結(jié)束時(shí)測(cè)讀溫度；a和b分別為測(cè)讀θa和θb時(shí)距初測(cè)期結(jié)束溫度時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間。

未水化水泥和部分水化水泥溶解熱為

(3)

(4)

式中：q1和G1分別為未水化水泥溶解熱和其灼燒后的質(zhì)量；q2和G2分別為經(jīng)某一齡期水化水泥溶解熱和其灼燒后的質(zhì)量；T′和T″分別為未水化水泥和水化水泥在熱量計(jì)時(shí)的室溫；ta′和ta″分別為未水化水泥和水化水泥溶解期首次測(cè)讀θa′的0 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。

升溫值和溫度上升值分別為

(5)

(6)

式中：R1、R2分別為升溫值、溫度上升值；θ0′、θa′、θb′分別為未水化水泥試樣初期、溶解期首次和第二次時(shí)的溫度；a′、b′分別為未水化水泥溶解期首次時(shí)θa′和第二次θb′距初期θ0′的時(shí)間；θ0″、θa″、θb″、a″、b″與前述相同，但在這里是代表水化水泥試樣。

水泥水化熱為

q=q1-q2+0.4(20-ta′)

(7)

(8)

式中：q為水泥某一水化齡期放出的水化熱；γt為t時(shí)間內(nèi)發(fā)生水化的量和完全水化量的比值；Qt、Qm分別為t齡期水化放熱總量、水泥完全水化放熱總量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

四種不同入模溫度和兩種環(huán)境溫度下，水泥水化過程中水化放熱量、水化程度及對(duì)應(yīng)混凝土不同齡期下的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律見圖1～圖4。

圖1 不同入模溫度在持續(xù)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下的水泥水化

圖2 不同入模溫度在持續(xù)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下的水泥水化量

圖3 不同入模溫度的混凝土水化程度變化

圖4 不同入模溫度的混凝土抗壓強(qiáng)度變化

由圖1～圖3分析可知，在四種不同入模溫度工況下，無論是在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)還是在持續(xù)-5 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，水泥水化過程均隨齡期增加而增加。根據(jù)水化反應(yīng)放熱情況，可以將凍土區(qū)恒定負(fù)溫下水泥水化分為早期快速水化、中期較快水化、后期緩慢水化三個(gè)階段。水化初期快速反應(yīng)階段為從澆筑到齡期14 d，這一過程中，水化速度最快，20 ℃入模溫度下，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14 d的水化熱為332.6 J/g，約為放出水化熱總量的73%；20、15、10、5 ℃四種入模溫度在持續(xù)-5 ℃負(fù)溫環(huán)境下水泥水化對(duì)應(yīng)的水化熱量分別為217.2、180.2、154.6、123.8 J/g，分別為放出水熱總量的48%、40%、34%、27%。水化中期階段為從齡期14 d到齡期28 d，這一過程中，水化速度減緩，20 ℃入模溫度下，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的累積水化熱為368.0 J/g，約為放出水化熱總量的81%；20、15、10、5 ℃四種入模溫度在持續(xù)-5 ℃負(fù)溫環(huán)境下水泥水化對(duì)應(yīng)的累積水化熱量分別為276.0、230.6、199.0、170.1 J/g，分別為放出水化總熱量的61%、51%、44%、38%。水化后期階段為齡期28 d以后，這一過程中，水化速度緩慢，對(duì)于20 ℃入模溫度下，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，水泥水化會(huì)持續(xù)緩慢進(jìn)行，完成余下不足20%的水化量，但是在持續(xù)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，雖然水化反應(yīng)緩慢，但是還有大量的水化反應(yīng)還沒有進(jìn)行，20、15、10、5 ℃四種入模溫度在持續(xù)-5 ℃負(fù)溫環(huán)境下水泥水化分別還有39%、49%、56%、62%的水化熱量沒有完成?？梢缘贸?，低負(fù)溫環(huán)境對(duì)水泥水化反應(yīng)進(jìn)程影響顯著。以上試驗(yàn)工況表明，28 d時(shí)FC20、FC15、FC10、FC5四種工況水泥水化程度僅分別為BC20水化程度的0.75、0.63、0.54、0.47倍。在實(shí)際高寒低負(fù)溫凍土地區(qū)的工程建設(shè)中，不宜用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法評(píng)定混凝土的性能。同時(shí)，通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在相同的持續(xù)-5 ℃環(huán)境養(yǎng)護(hù)溫度下，F(xiàn)C20、FC15、FC10在28 d時(shí)水化量是FC5對(duì)應(yīng)水化量的1.59、1.32、1.14倍；在水泥水化過程中，相同齡期時(shí)，F(xiàn)C10水泥水化量是FC5水化量的1.09～1.57倍、FC15水泥水化量是FC5水化量的1.26～2.21倍、FC20水泥水化量是FC5水化量的1.39～2.83倍。因此，可以得出，在低負(fù)溫環(huán)境下，適當(dāng)提高入模溫度是保證混凝土性能的有效措施。

由圖4分析可得，不同入模溫度工況下，兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境中混凝土的強(qiáng)度隨齡期均呈正相關(guān)增長。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土28 d齡期強(qiáng)度達(dá)到47 MPa，而FC20、FC15、FC10、FC5對(duì)應(yīng)的28 d齡期強(qiáng)度分別為42、36、29、26 MPa，強(qiáng)度僅是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的0.89、0.77、0.62、0.55倍，在5 ℃入模溫度工況下，持續(xù)-5 ℃負(fù)溫環(huán)境養(yǎng)護(hù)下混凝土28 d的強(qiáng)度約為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的1/2，強(qiáng)度發(fā)展較為緩慢。FC20、FC15、FC10工況下28 d的強(qiáng)度分別是同齡期FC5強(qiáng)度的1.61、1.38、1.12倍；FC20各齡期下混凝土的強(qiáng)度是對(duì)應(yīng)齡期FC5的1.48～1.70倍、FC15各齡期下混凝土的強(qiáng)度是同齡期FC5的1.31～1.44倍、FC10各齡期下混凝土的強(qiáng)度是同齡期FC5的1.06～1.25倍。因此，可以認(rèn)為，在相同環(huán)境溫度條件下，入模溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度增長影響顯著。在實(shí)際高寒低負(fù)溫環(huán)境工程建設(shè)中，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)娜肽囟纫员ＷC混凝土強(qiáng)度的增長。但是，低負(fù)溫環(huán)境對(duì)混凝土強(qiáng)度影響顯著，試驗(yàn)中，齡期為112 d時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土強(qiáng)度達(dá)到58 MPa，而FC20、FC15、FC10、FC5對(duì)應(yīng)的112 d齡期的強(qiáng)度分別為53、46、40、34 MPa，強(qiáng)度僅是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的0.92、0.79、0.69、0.59倍；FC20、FC15、FC10、FC5對(duì)應(yīng)112 d齡期強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d強(qiáng)度的1.12、0.97、0.84、0.71倍。以上分析表明，在負(fù)溫環(huán)境下，即使齡期不斷增加，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土強(qiáng)度仍較低。因此，在高寒凍土區(qū)中，須重視環(huán)境溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。

4 低負(fù)溫下混凝土強(qiáng)度增長微觀機(jī)理

微觀層次的研究可體現(xiàn)出事物的內(nèi)在機(jī)理，基于混凝土微觀性能的演變過程，可以進(jìn)一步理解和掌握持續(xù)低負(fù)溫環(huán)境下混凝土宏觀性能的演化機(jī)理?；炷?8 d齡期微觀孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 不同入模溫度的混凝土孔徑分布

圖6 不同入模溫度的混凝土孔體積占比

圖7 不同入模溫度的混凝土孔隙率和平均孔徑

由圖5～圖7可知，與持續(xù)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)相比，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土小孔較多，大孔較少；在持續(xù)負(fù)溫下，小孔數(shù)量由高到低的順序?yàn)椋篎C20>FC15>FC10>FC5，大孔數(shù)量由高到低的順序?yàn)椋篎C5>FC10>FC15>FC20；特別是在5 ℃入模溫度和持續(xù)-5 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，混凝土大孔數(shù)量明顯高于其他工況，表明低負(fù)溫環(huán)境下混凝土內(nèi)部大孔較多，這是影響混凝土強(qiáng)度的內(nèi)在原因之一，同時(shí)也不利于其在凍土區(qū)長期服役。在孔徑小于20 nm以下無害孔中，BC20小孔多于其他工況孔隙率，孔隙率為自身總孔隙的36.33%。在持續(xù)負(fù)溫下，隨著入模溫度的增加，小于20 nm以下孔數(shù)量增加，其中，在5 ℃入模溫度和持續(xù)-5 ℃的養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，小于20 nm以下孔的孔隙率僅占自身總孔隙的6.85%；孔徑20～50 nm少害孔的規(guī)律與無害孔相同；孔徑50～200 nm的有害孔中，BC20、FC20、FC15、FC10、FC5對(duì)應(yīng)的孔隙率分別占自身總孔隙的15.46%、33.03%、41.55%、44.81%、51.24%。在持續(xù)負(fù)溫下，入模溫度越低，有害孔數(shù)量越多，說明低入模溫度會(huì)對(duì)混凝土抗凍耐久性產(chǎn)生不利影響。在持續(xù)負(fù)溫環(huán)境下，混凝土的孔隙率和平均孔徑在較低入模溫度工況下均增長顯著，這表明在低負(fù)溫環(huán)境下，入模溫度的大小與混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的演變密切相關(guān)。以上混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律較好地印證了在不同入模溫度和養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土宏觀強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律。

5 低負(fù)溫下混凝土強(qiáng)度增長預(yù)測(cè)模型及驗(yàn)證

為方便計(jì)算長期低負(fù)溫下不同入模溫度在不同齡期時(shí)混凝土的強(qiáng)度以及齡期28 d時(shí)混凝土的孔結(jié)構(gòu)，考慮試驗(yàn)時(shí)入模溫度和齡期對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上擬合分析得出預(yù)測(cè)混凝土強(qiáng)度和孔隙率的計(jì)算式。

(9)

式中：fFC為負(fù)溫環(huán)境下混凝土強(qiáng)度；fBC為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土強(qiáng)度；ΔT為標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃與入模溫度之差；t為混凝土齡期；ki為齡期調(diào)整系數(shù)，當(dāng)齡期≤28 d時(shí)，ki=0.6+0.02ΔT，當(dāng)齡期>28 d時(shí)，ki=1。

公式(9)中第一項(xiàng)為按照國家混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)[20]養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)規(guī)程在入模溫度為20 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)所測(cè)得的混凝土強(qiáng)度值，該值在實(shí)際工程中容易測(cè)得，同時(shí)與現(xiàn)行既有混凝土強(qiáng)度評(píng)定辦法[20]相統(tǒng)一；第二項(xiàng)為受入模溫度和長期-5 ℃環(huán)境溫度影響的相對(duì)于混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下強(qiáng)度減小值，公式擬合結(jié)果R2=0.930 85。

φ28d=0.008T2-0.48T+22.25

(10)

式中：φ28d為長期-5 ℃環(huán)境溫度下混凝土28 d齡期的孔隙率；T為入模溫度。

式(10)可以用來評(píng)定在恒定持續(xù)低負(fù)溫環(huán)境下入模溫度對(duì)應(yīng)的28 d混凝土孔隙率，進(jìn)而可用于分析混凝土的抗凍性能，公式適用于的入模溫度范圍為5～20 ℃，擬合結(jié)果R2=0.997 66。考慮試驗(yàn)研究對(duì)象為永久凍土區(qū)混凝土(如灌注樁)，其周圍環(huán)境溫度為持續(xù)-5 ℃，入模溫度不宜過高或過低，試驗(yàn)中5、10、15、20 ℃等四種溫度較好地涵蓋了實(shí)際工程中可能采用的入模溫度工況。

為驗(yàn)證公式的準(zhǔn)確性，在室內(nèi)采用與表5所示相同的配合比，重新澆筑相同尺寸的立方體混凝土試塊，分別對(duì)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下齡期為7、21、35 d(往后依次遞增14 d直至105 d)的混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，將模型理論計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 低負(fù)溫下理論強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值驗(yàn)證對(duì)比

圖9 低負(fù)溫下理論強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差

由圖8和圖9可以得出，模型理論計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合良好，預(yù)測(cè)最大誤差為-9.39%，最小為-1.56%；在早齡期階段，如7、14、21 d時(shí)，部分理論計(jì)算結(jié)果低于實(shí)測(cè)值(圖9中黑色虛線區(qū)域)，在28 d以后齡期中，理論計(jì)算值均略大于實(shí)測(cè)值，略高估了混凝土的實(shí)際強(qiáng)度，但高估值不大于實(shí)測(cè)值的9%。公式所擬合出的長期低負(fù)溫環(huán)境、不同入模溫度工況下混凝土強(qiáng)度發(fā)展計(jì)算結(jié)果可以用來定量分析長期低負(fù)溫環(huán)境下混凝土強(qiáng)度的發(fā)展和演變規(guī)律。

6 結(jié)論

本文通過長期低負(fù)溫環(huán)境下，不同入模溫度工況對(duì)混凝土水化熱、強(qiáng)度和微觀孔結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論，研究成果可為實(shí)際凍土區(qū)混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的預(yù)測(cè)提供參考和借鑒。

(1)在長期低負(fù)溫(-5 ℃)下，水泥水化可分為：水化早期快速水化階段、中期較快水化階段和后期緩慢水化階段三個(gè)階段。

(2)在實(shí)際高寒低負(fù)溫凍土地區(qū)工程建設(shè)中，不宜用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法評(píng)定混凝土的性能，適當(dāng)提高入模溫度是保證低溫環(huán)境下混凝土性能的有效措施，須重視低負(fù)溫環(huán)境對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。

(3)在持續(xù)負(fù)溫下，大孔數(shù)量由高到低的順序?yàn)椋篎C5>FC10>FC15>FC20，隨著入模溫度的降低，有害孔數(shù)量增加，特別是在較低的入模溫度下，混凝土的有害孔數(shù)量較多，不利于混凝土的強(qiáng)度發(fā)展和在凍土區(qū)長期服役。

(4)文中以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度為基礎(chǔ)，在長期低負(fù)溫環(huán)境下，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元擬合得到了考慮入模溫度、齡期的混凝土強(qiáng)度發(fā)展預(yù)測(cè)計(jì)算公式。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證表明，該公式可用于預(yù)測(cè)計(jì)算長期低負(fù)溫環(huán)境下，不同入模溫度和齡期對(duì)應(yīng)的混凝土強(qiáng)度。公式基于試驗(yàn)得出，由于水泥組份含量不同、混凝土膠凝材料用量不同、實(shí)際溫度亦不一定恒定在-5 ℃，因此，公式在其他條件下的適用性宜進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。