早期濕養(yǎng)護(hù)時間對不同膠凝體系混凝土后期性能和耐久性的影響

夏榮立

（中國國際工程咨詢公司，北京 100048）

早期濕養(yǎng)護(hù)時間對不同膠凝體系混凝土后期性能和耐久性的影響

夏榮立

（中國國際工程咨詢公司，北京 100048）

早期的濕養(yǎng)護(hù)對混凝土的性能，特別是對混凝土的后期性能及耐久性有明顯的影響。本論文綜述了早期濕養(yǎng)護(hù)時間對純水泥混凝土和摻礦渣、粉煤灰、石灰石粉等摻合料的混凝土在后期性能及碳化、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕等耐久性方面的影響。

濕養(yǎng)護(hù)時間；后期性能；耐久性

0 引言

混凝土的性能是隨齡期不斷變化的，理論上講，如果混凝土一直能夠保濕養(yǎng)護(hù)，那么混凝土的微結(jié)構(gòu)會不斷細(xì)化發(fā)展，混凝土的宏觀性能和耐久性不斷增強(qiáng)[1]。然而，在實(shí)際工程中，混凝土的養(yǎng)護(hù)往往并不充分，尤其是在施工條件比較差的工況下，這勢必會對混凝土造成至少兩方面的負(fù)面作用：膠凝材料沒有持續(xù)的水分供應(yīng)，無法進(jìn)一步水化，達(dá)不到設(shè)計的性能指標(biāo)；發(fā)生干燥收縮，產(chǎn)生微裂紋甚至開裂[2]。這兩個方面的負(fù)面影響都會直接影響混凝土的耐久性，而且環(huán)境越干燥，這兩個方面的負(fù)面影響越突出。

混凝土對早期保濕養(yǎng)護(hù)的時間與膠凝體系的組成是密切相關(guān)的，因?yàn)椴煌z凝體系的早期水化速率不同，后期水化對水分的需求不同。一般來說，膠凝體系的早期整體活性越低，對濕養(yǎng)護(hù)時間的敏感性越大。例如，含大摻量粉煤灰的混凝土，早期濕養(yǎng)護(hù)時間對其性能的影響程度最大，濕養(yǎng)護(hù)時間不足，混凝土的后期性能與設(shè)計值相差巨大[3]。隨著水膠比的降低，混凝土對濕養(yǎng)護(hù)時間的敏感性降低，這是因?yàn)樗z比越低，混凝土的密實(shí)度越高，水分散失的速率越小。因此，在工程中確實(shí)難以保證濕養(yǎng)護(hù)時間的情況下，盡量在混凝土的配合比設(shè)計時，降低混凝土的水膠比。

本文的主要目的在于對早期濕養(yǎng)護(hù)時間對不同膠凝體系的混凝土的后期性能和耐久性的影響進(jìn)行了一個總結(jié)。

1 對力學(xué)性能的影響

混凝土的力學(xué)性能主要包括抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量等?；炷猎谶B續(xù)不斷的濕潤養(yǎng)護(hù)下，其強(qiáng)度會隨著齡期而不斷增長。大量的研究表明，混凝土的強(qiáng)度發(fā)展與養(yǎng)護(hù)有很大的相關(guān)性。

劉競[4]和何國青[5]的研究均表明，僅 1d 濕養(yǎng)護(hù)時間對摻與不摻礦渣的混凝土的抗壓強(qiáng)度均有很大的不利影響。而在濕養(yǎng)護(hù)天數(shù)大于等于 7d 時，摻礦渣的混凝土后期強(qiáng)度（90d和 180d）相對于 28d 強(qiáng)度的增幅比純水泥混凝土大。這是由于純水泥在干燥 28d 后水化就基本終止了，而摻礦渣后在干燥時仍在繼續(xù)水化。同時，在相同齡期下，混凝土在濕養(yǎng)護(hù)大于 7d 時，隨著濕養(yǎng)護(hù)天數(shù)增加，強(qiáng)度增幅不高，但相對 1d濕養(yǎng)護(hù)的增幅明顯，特別是對于摻礦渣的混凝土。這表明，前 7d 的濕養(yǎng)護(hù)對膠凝體系的水化很重要，且礦渣對濕養(yǎng)護(hù)的需求更大。研究表明[6,7]，在礦渣摻量超過 30% 時，混凝土早期養(yǎng)護(hù)時間至少為 7d 才能保證其強(qiáng)度。此外，礦渣摻量不宜過高，在摻量 75% 時，其后期強(qiáng)度出現(xiàn)下降之勢。何國青[5]的研究還表明，摻礦渣的混凝土在保濕養(yǎng)護(hù)小于等于 7d時，混凝土的早期和后期強(qiáng)度均有損失，且 180d 的彈性模量也有明顯損失，這充分顯示出早期養(yǎng)護(hù)時間不足時混凝土內(nèi)部微裂紋的存在。

Zhao H[8]的研究結(jié)果表明，在早期濕養(yǎng)護(hù)時間為 7d 時，含 20% 粉煤灰的混凝土可以達(dá)到最高的 28d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。阮琦[9]的研究結(jié)果表明，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度有先增加再降低的趨勢。因此，粉煤灰的摻量不宜超過 50%。Ati?[10]的研究表明，粉煤灰的摻入會使得混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，且純水泥混凝土和摻粉煤灰的混凝土的 28d 抗壓強(qiáng)度均隨著早期水養(yǎng)護(hù)時間的減少而降低。

孫建偉[11]研究早期養(yǎng)護(hù)時間對低品質(zhì)水泥制備的混凝土后期性能的影響結(jié)果表明：對于各組混凝土，縮短濕養(yǎng)護(hù)時間對 90d 抗壓強(qiáng)度的不利影響大于對 28d 抗壓強(qiáng)度的不利影響；縮短養(yǎng)護(hù)時間對摻石灰石粉混凝土的抗壓強(qiáng)度的不利影響明顯小于對純水泥混凝土的不利影響。這是因?yàn)?，石灰石粉在水泥水化的過程中起到了成核的作用[12]，促進(jìn)水泥的早期水化，使混凝土的早期微結(jié)構(gòu)更密實(shí)；另外，石灰石粉在混凝土中起到了微集料填充的作用，使混凝土的整體微結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，另一方面對水分遷移的通道起到了一定的阻斷作用。

2 對收縮性能的影響

混凝土的收縮甚至開裂不僅影響了強(qiáng)度的整體性發(fā)展和后期性能及耐久性的發(fā)展，它也是影響混凝土體積穩(wěn)定性的主要原因。對于高強(qiáng)度的混凝土而言，導(dǎo)致其開裂的原因不是其承載力不夠，而是由于早期的自收縮和干燥收縮[13]。

混凝土的自收縮是指在恒溫、與外界無水分交換條件下產(chǎn)生的收縮[14-18]?；炷恋淖允湛s不僅在混凝土表面發(fā)生，而且在混凝土內(nèi)部均勻的發(fā)生?；炷磷允湛s主要是由水泥水化引起的混凝土內(nèi)部自干燥產(chǎn)生的毛細(xì)管張力造成的。所謂自干燥，是指在外界無水供應(yīng)時水泥水化消耗毛細(xì)孔水導(dǎo)致飽和蒸氣壓亦即內(nèi)部濕度降低的現(xiàn)象[14]。由于混凝土的自收縮與水泥水化密切相關(guān)，所以混凝土中水泥基材料的組成成份、礦物摻合料的種類與摻量[19-21]等對自收縮有重要影響。此外，水灰比對自收縮也有很大影響：當(dāng)水灰比較低時，毛細(xì)孔中普遍發(fā)生的自干燥現(xiàn)象表現(xiàn)為宏觀上的自收縮；而當(dāng)水灰比較高時，自干燥現(xiàn)象僅在局部毛細(xì)孔中發(fā)生，宏觀上可以忽略[22]。

干燥收縮，是指置于未飽和空氣中的混凝土因水分散失而引起的體積縮小變形。隨著干燥收縮研究的不斷深入，形成了很多干燥收縮的機(jī)理：毛細(xì)管張力（Capillary Tension）機(jī)理、分離壓力（Disjoining Pressure）機(jī)理、表面張力（Surface Tension）機(jī)理、層間水移動（Movement or Removal of Interlayer Water）機(jī)理等[23]。實(shí)際上在較大濕度范圍內(nèi)，干縮是由毛細(xì)管張力引起的[24]。干燥收縮與水泥內(nèi)部孔隙有關(guān)。這是由于水泥水化的結(jié)果是生成水化硅酸鈣及在內(nèi)部形成大量被水填充的微細(xì)孔（〉5nm 的毛細(xì)孔與 0.5～ 2.5nm 的凝膠孔）?；炷粮稍飼r，混凝土表層水的蒸發(fā)速度超過混凝土向外泌水的速度，表面水分降低，進(jìn)而毛細(xì)孔與凝膠孔中的吸附水相繼失去。這些微細(xì)孔內(nèi)水分的失去將在孔中產(chǎn)生毛細(xì)管負(fù)壓，并促使氣液彎月面的形成，從而對孔壁（亦即水化硅酸鈣凝膠骨架）產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成水泥漿體收縮[22]。因此靠近表面的部分干縮較大，而靠近中心的部分干縮較小。

實(shí)際工程中的混凝土結(jié)構(gòu)都處于自然環(huán)境的溫濕度條件之下，既包括自收縮也包括干燥收縮，且二者難以區(qū)分，工程上測量的收縮一般是這兩者綜合的結(jié)果[23]。而張君[25]的研究認(rèn)為，不論濕度變化是水泥水化耗水引起的（自干燥作用）還是擴(kuò)散作用引起的（干燥作用），都可以歸結(jié)為相對濕度變化是濕度變形發(fā)生的內(nèi)在驅(qū)動力，而自收縮和干燥收縮都可以歸結(jié)為濕度收縮。濕養(yǎng)護(hù)時間對濕度收縮的影響是很大的。Beushausen[26]研究養(yǎng)護(hù)時間對混凝土收縮性能的影響表明，延長混凝土的養(yǎng)護(hù)時間可以延遲混凝土收縮開始的時間，并降低收縮率。錢曉倩[27]的研究表明：對摻減水劑的混凝土，不養(yǎng)護(hù)時，初凝 8h 內(nèi)的收縮值在水灰比為 0.50 時可達(dá)到 500×10-6以上，遠(yuǎn)超過混凝土開裂極限，且這一收縮率隨水灰比的減小急劇增大。國外一些研究[21,28-31]的結(jié)果顯示，摻入粉煤灰、礦渣、谷殼灰、偏高嶺土、硅灰等可延長混凝土開裂的時間、減少混凝土的收縮。而且同樣的混凝土早期養(yǎng)護(hù) 7d 的收縮要小于早期養(yǎng)護(hù) 3d 的收縮[30]。

3 對耐久性的影響

混凝土的耐久性問題自 20 世紀(jì) 50 年代提出后一直是現(xiàn)代混凝土研究的一個重點(diǎn)。影響混凝土耐久性的因素復(fù)雜多樣，早期濕養(yǎng)護(hù)時間是其中一個很重要的因素。我們主要從對碳化、氯離子滲透和硫酸鹽侵蝕等性質(zhì)的影響方面來討論。

3.1 對碳化的影響

混凝土碳化又稱為混凝土的中性化，是指在有水存在的情況下，空氣中的酸性氣體 CO2與混凝土堿性物質(zhì)（Ca(OH)2和 C-S-H 凝膠等）發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鹽或其它物質(zhì)，使得混凝土堿性下降和混凝土中化學(xué)成份改變的中性化反應(yīng)過程[32]。碳化的結(jié)果，一方面是生成的 CaCO3等固體物質(zhì)留在孔隙中增加了混凝土的密實(shí)度，提高了強(qiáng)度；另一方面降低了孔隙溶液的 pH 值，導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破壞，鋼筋產(chǎn)生銹蝕[33]。研究表明[34,35]，碳化過程中，CO2不僅與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，也與未水化的物相（C3S 和 C2S 等）發(fā)生碳化反應(yīng)。

影響混凝土碳化因素主要取決于：碳化反應(yīng)的速率、在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的速率、混凝土中可碳化物的總量[9]。因此，影響碳化因素主要有內(nèi)部因素（水灰比、水泥用量與品種、礦物摻合料、骨料與配比等）和外界因素（施工質(zhì)量與養(yǎng)護(hù)方法、環(huán)境濕度、環(huán)境中 CO2濃度等）。

混凝土的碳化耐久性的測試一般在 CO2濃度 20% 的碳化箱內(nèi)進(jìn)行加速碳化實(shí)驗(yàn)，并以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 26d（或 28d）齡期的結(jié)果為準(zhǔn)[36]，因?yàn)榇藭r混凝土已經(jīng)水化比較充分，得到的碳化耐久性結(jié)果比較好。但是，在實(shí)際工程中，混凝土的養(yǎng)護(hù)條件往往達(dá)不到這個標(biāo)準(zhǔn)，從而無法滿足設(shè)計的耐久性需求。

關(guān)于早期養(yǎng)護(hù)時間對混凝土碳化性能的研究很多[7,9,37-43]，大量研究均表明，隨著早期養(yǎng)護(hù)時間的增加，碳化深度降低，從而混凝土的抗碳化性能更好。俞國榮[7]對普通 C30 混凝土的研究表明，對于早期保濕養(yǎng)護(hù)僅 1d、2d、3d、5d、7d的混凝土，自然碳化達(dá)到保護(hù)層厚度（30mm）大致所需時間分別為 6.2 年、10.2 年、 12.1 年、23.7 年和 40.0 年，由于當(dāng)今的 C30 混凝土膠材中，混合材料和摻合料的比例較多，在水分不充分時其水化會受到影響，因此 7d 的濕養(yǎng)護(hù)時間是必需的。宋智偉[37]、葉青[38,39]等研究了早期養(yǎng)護(hù)時間對摻礦渣混凝土的碳化性能的影響，結(jié)果表明，隨著濕養(yǎng)護(hù)時間的減少和礦渣摻量的增加，混凝土的快速碳化深度明顯增加。尤其是早期濕養(yǎng)護(hù)時間在 3d 以內(nèi)時，碳化深度急劇增加。邱洪林[40]的研究表明，當(dāng)早期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時間小于 3d 齡期時混凝土的碳化深度與標(biāo)養(yǎng) 28d 的相比增加了 50%～100%。Haque[41]的研究表明，輕骨料混凝土 7 年內(nèi)的碳化深度均隨著早期濕養(yǎng)護(hù)時間和混凝土強(qiáng)度等級的增加而減少。林鵬[42]在研究干冷條件下，濕養(yǎng)護(hù)齡期對純水泥混凝土和三種粉煤灰和礦渣雙摻混凝土碳化性能影響的結(jié)果顯示，它們最短濕養(yǎng)護(hù)齡期分別為11.2d、11.1d、12.9d 和 14.5d，礦物摻合料的摻量越高則需要更長的濕養(yǎng)護(hù)時間。阮琦[9]、羅果[43]的研究表明，復(fù)摻礦渣與粉煤灰比單摻一種礦物摻合料的抗碳化性能要好，且復(fù)摻礦渣摻量超過 30% 時抗碳化性能顯著提高。

3.2 對氯離子滲透性的影響

氯離子滲入混凝土?xí)饍?nèi)部鋼筋的銹蝕。混凝土中氯離子的滲透性，主要取決于兩個因素：一是混凝土對 Cl-擴(kuò)散的阻礙能力，二是混凝土對 Cl-的物理或化學(xué)結(jié)合能力，即固化能力[44]。前者與混凝土的密實(shí)度和孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[45]，而后者則與混凝土中的物相有關(guān)。有關(guān)研究表明[46]，Ca(OH)2很容易受到 Cl-等侵蝕介質(zhì)的腐蝕。由于粉煤灰、礦渣等礦物摻合料的摻入，一方面火山灰效應(yīng)使 Ca(OH)2含量減少，優(yōu)化了水化產(chǎn)物的物相，生成了更致密的水化產(chǎn)物，同時，其微集料填充效應(yīng)也使得混凝土更加密實(shí)，阻礙了 Cl-擴(kuò)散的通道，從而改善了混凝土的抗氯離子滲透性能；另一方面，礦物摻合料本身較強(qiáng)的初始固化能力和二次水化反應(yīng)產(chǎn)物的物理化學(xué)吸附固化作用，使得混凝土對 Cl-的固化能力得到較大的提高[44]。

劉競[4]的研究表明，摻礦渣混凝土和純水泥混凝土的氯離子滲透深度隨著早期浸泡養(yǎng)護(hù)時間的增加而減??；同時摻礦渣的混凝土的氯離子滲透深度比相同條件下的純水泥混凝土要小，特別是當(dāng)早期濕養(yǎng)護(hù)時間更長時。這是由于礦渣的二次火山灰反應(yīng)消耗了氫氧化鈣，細(xì)化了混凝土的孔徑，從而使混凝土的抗氯離子滲透性更好。Güneyisi[47]在研究早期養(yǎng)護(hù)對摻有礦渣、石灰石粉、天然火山灰和石膏等混合物的混凝土及純水泥混凝土的性質(zhì)的影響中發(fā)現(xiàn)，早期濕養(yǎng)護(hù)時間的減少對混凝土的氯離子滲透深度增加影響很大，尤其對混合水泥混凝土的影響更大。此外，對于純水泥混凝土 7d 的濕養(yǎng)護(hù)是必要的，而對于混合水泥混凝土 7d 的濕養(yǎng)護(hù)是不夠的。Gastaldini[48]研究早期養(yǎng)護(hù)時間對摻谷殼灰混凝土的耐久性能的影響結(jié)果表明，谷殼灰可以達(dá)到和天然火山灰一樣高的火山灰活性，而摻礦渣、粉煤灰等的性能則較差一些。谷殼灰摻量的增加會降低混凝土的氯離子電通量，而早期養(yǎng)護(hù)時間的延長也降低摻谷殼灰混凝土的氯離子電通量。Haque[41]的研究表明，在海邊服役 7 年的混凝土，早期養(yǎng)護(hù) 7d 比 1d的混凝土中的氯離子濃度降低了 40%。對于不同膠凝體系的混凝土而言，其抗氯離子滲透性能均是隨著早期養(yǎng)護(hù)時間的增加而變好的，且一般在早期養(yǎng)護(hù)時間從 3d 到 7d 時其抗氯離子的滲透性能上升很快，所以對于最低養(yǎng)護(hù)時間的需求，一般而言是 7d，但也與水灰比、礦物摻合料的摻量、骨料等因素有關(guān)[49-52]。

3.3 對硫酸鹽侵蝕性能的影響

混凝土在含硫酸鹽的地質(zhì)條件下會受到硫酸鹽侵蝕。硫酸鹽對混凝土的侵蝕包括了物理侵蝕和化學(xué)侵蝕兩個方面。物理侵蝕指的是結(jié)晶破壞，即易溶鹽吸濕后都能滲入不密實(shí)的混凝土孔隙，在一定的濕度和溫度下轉(zhuǎn)化為體積膨脹的結(jié)晶水化物，導(dǎo)致混凝土的膨脹開裂?；瘜W(xué)侵蝕，指的是環(huán)境水溶液中的硫酸鹽與普通硅酸鹽水泥石中的堿性固態(tài)游離石灰質(zhì)及水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成石膏和硫鋁酸鈣，產(chǎn)生體積膨脹，使混凝土產(chǎn)生破壞[53-56]。其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

Ca(OH)2+Na2SO4·10H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O 2(3CaO·Al2O3·12H2O)+3(Na2SO4·10H2O)→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2Al(OH)3+6NaOH+16H2O此外，在有鎂離子存在時，除了能侵害水化鋁酸鈣和氫氧化鈣之外，還能和水化硅酸鈣反應(yīng)[53]，其反應(yīng)式：

3CaO·SiO3·H2O+MgSO4·7H2O→CaSO4·2H2O+Mg(OH)2+SiO2

由于氫氧化鎂溶解度很低，造成溶液 pH 值降低，從而不斷發(fā)生與消化硅酸鈣的反應(yīng)，因此，硫酸鎂較其它的硫酸鹽具有更強(qiáng)的侵蝕性。

混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能很大程度上與混凝土的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，其次才與膠凝材料的組成相關(guān)，因此降低水膠比對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕很有利[57]。另外，硫酸鹽溶液中的離子組成和濃度也會影響硫酸鹽的侵蝕程度[58-61]。胡曙光[62]、李華[63]的研究表明，礦渣的摻入可細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，降低 CH 組分的含量，并稀釋 C3A，因此可有效提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，而且摻量大于 65% 時效果顯著，但混凝土強(qiáng)度會偏低。高禮雄[64]、梁詠寧[65]的研究表明，當(dāng)粉煤灰的摻量在20%～50% 之間時，對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能有改善，且摻量越高效果越高，但摻量大于 50% 時混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力又有所降低。這是由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)不斷消耗水泥石中的 CH，從而改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，但摻量過高時則由于水泥石的成份太少而失去火山灰效應(yīng)的反應(yīng)物。研究表明[66-69]，石灰石粉的早期活性低，細(xì)度高、級配好的石灰石粉能起到很好的物理填充作用，但超過 20% 則會增加混凝土的孔隙率，降低其抗硫酸鹽侵蝕性，而低溫下?lián)绞沂鄹装l(fā)生 TSA 破壞，這是由于它為 TSA 提供了CO32-來源。

早期養(yǎng)護(hù)時間對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能的影響也是相當(dāng)顯著的。一些研究認(rèn)為[8,70-74]，早期養(yǎng)護(hù)齡期短，會影響水泥的水化，也會影響礦物摻合料火山灰活性的發(fā)揮，從而不能提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕的能力，并認(rèn)為，純水泥混凝土至少需要 3d、摻礦物摻合料的混凝土至少需要 7d 的濕養(yǎng)護(hù)，才能保證它們的抗硫酸鹽侵蝕性能。

4 結(jié)語

（1）混凝土的密實(shí)度和孔隙結(jié)構(gòu)對其后期性能和耐久性的影響是很大的，礦物摻合料的微集料填充效應(yīng)可以使得混凝土更加密實(shí)，火山灰反應(yīng)的產(chǎn)物使得混凝土的孔隙更加細(xì)密。在良好的養(yǎng)護(hù)條件下?lián)饺氲V物摻合料可使得混凝土的耐久性更好。

（2）早期的濕養(yǎng)護(hù)是水泥水化產(chǎn)物的形成的關(guān)鍵，在早期養(yǎng)護(hù)時間短時，水泥水化產(chǎn)物尚未完全形成，會使得混凝土的孔隙率增加，后期性能減弱；當(dāng)摻入礦物摻合料時，由于礦物摻合料的活性較低，早期濕養(yǎng)護(hù)時間短時，水化的程度更低，對孔隙結(jié)構(gòu)的形成更加不利，從而導(dǎo)致其耐久性能更差。

（3）降低混凝土的水膠比是增加混凝土密實(shí)度的一個很有效措施，特別是當(dāng)混凝土早期養(yǎng)護(hù)時間短時，降低水膠比使混凝土耐久性對早期養(yǎng)護(hù)時間的敏感度降低。

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夏榮立，男，中國國際工程咨詢公司，高級工程師，項(xiàng)目經(jīng)理，從事水電、火電、風(fēng)電和太陽能等能源項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計、咨詢和評估。