-3 ℃養(yǎng)護(hù)下引氣混凝土強(qiáng)度及孔徑分布規(guī)律研究★

王天雙 王起才 代金鵬 張 波 王堅(jiān)強(qiáng)

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070； 3.蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)于交通運(yùn)輸業(yè)的要求也隨之增加，一條高質(zhì)量、高效率的鐵路通道可以為沿線地區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，例如青藏鐵路的建成為青藏地區(qū)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，但是青藏高原地區(qū)氣候寒冷，氣溫低、溫差大，所以約有550 km鐵路穿越多年凍土區(qū)，沿線凍土年平均地溫為0 ℃～-3.5 ℃[1,2]，因此青藏鐵路常?！耙詷虼贰笨缭蕉嗄陜鐾羺^(qū)，且橋梁基礎(chǔ)多采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)[3]，因此基礎(chǔ)的混凝土長(zhǎng)期處于負(fù)溫的養(yǎng)護(hù)環(huán)境下。關(guān)于負(fù)溫混凝土，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，張瑞穩(wěn)等[4]研究了負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)條件下，引氣混凝土在不同齡期內(nèi)混凝土強(qiáng)度及滲透性變化規(guī)律；代金鵬等[5]表明-3 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，摻加礦物摻合料的混凝土強(qiáng)度均低于不摻加的，礦物摻合料的摻加對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能有一定程度的改善，也可以細(xì)化混凝土的孔結(jié)構(gòu)；田悅等[6]采用恒低溫一次凍結(jié)法和自然變低溫多次凍結(jié)法，研究了在不摻防凍劑的情況下，不同養(yǎng)護(hù)條件下?lián)胶狭蠈?duì)低溫混凝土強(qiáng)度的影響并測(cè)定混凝土在不同齡期的強(qiáng)度值；梁柯鑫等[7]研究了低溫(3 ℃)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下不同水膠比對(duì)引氣混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)以及抗?jié)B性能的影響；李治等[8]對(duì)比了標(biāo)養(yǎng)、恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)、變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下高性能混凝土抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性及抗凍性；楊英姿等[9]研究?jī)煞N坍落度、兩種防凍劑的混凝土在自然變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)和恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律；巴恒靜等[10]分析了負(fù)溫混凝土的顯微結(jié)構(gòu)，提出了變負(fù)溫環(huán)境中摻防凍劑混凝土的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度；趙霄龍等[11]研究了摻混合材負(fù)溫防凍劑混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，并提出了混合材和高效防凍劑的使用摻量；尹建[12]采用理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，研究了不同養(yǎng)護(hù)制度下負(fù)溫混凝土的溫度場(chǎng)及微觀性能變化規(guī)律。以上研究多為單一含氣量下負(fù)溫混凝土的強(qiáng)度及性能，而實(shí)際工程中摻加引氣劑主要為了提高混凝土的抗凍性，而不同引氣劑摻量對(duì)強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的研究較少。本研究通過試驗(yàn)，比較不同含氣量下標(biāo)養(yǎng)與負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下的混凝土的強(qiáng)度與孔徑分布，為負(fù)溫混凝土的施工與使用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)儀器采用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)、人工氣候模擬箱、標(biāo)養(yǎng)室、壓力試驗(yàn)機(jī)以及多功能微結(jié)構(gòu)分析與成像系統(tǒng)等。水灰比采用0.36，水泥采用甘肅祁連山水泥集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)水泥，水泥性能指標(biāo)如表1所示。細(xì)集料采用天然河砂，含泥量為3.2%，細(xì)度模數(shù)為2.8，屬中砂；粗骨料選用粒徑范圍5 mm～31.5 mm的連續(xù)級(jí)配碎石；水采用蘭州自來水；減水劑選用緩凝型聚羧酸高性能減水劑；引氣劑為液體SJ-2型引氣劑，四組試驗(yàn)引氣劑摻量分別為0%,0.05%,0.08%和0.12%，混凝土配合比如表2所示。

表1 P.O42.5水泥性能指標(biāo)

表2 混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)步驟及方法

本試驗(yàn)按照引氣劑摻量分為BF1,BF2,BF3和BF4四組，按照表2所示稱取規(guī)定的水泥、砂子、碎石等材料，按照要求拌和混凝土；坍落度控制在(200±20)mm，將新拌和的混凝土制成100 mm×100 mm×100 mm的試件，將試件分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(20 ℃)和人工氣候模擬箱(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)，負(fù)溫養(yǎng)護(hù)的試件采用套袋保持一定的濕度。根據(jù)GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度測(cè)試方法測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下28 d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度，負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下測(cè)試7 d,14 d,21 d,28 d,35 d……抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)養(yǎng)28 d的強(qiáng)度值的±3%范圍內(nèi)即視為達(dá)到等強(qiáng)度。然后利用多功能微結(jié)構(gòu)分析與成像系統(tǒng)(核磁共振系統(tǒng))，真空飽水24 h后測(cè)試達(dá)到兩種養(yǎng)護(hù)條件下等強(qiáng)度混凝土的孔徑分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

以標(biāo)養(yǎng)28 d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度值的±3%范圍為基準(zhǔn)，對(duì)比-3 ℃養(yǎng)護(hù)下規(guī)定齡期的抗壓強(qiáng)度，在此范圍內(nèi)即視為達(dá)到等強(qiáng)度，混凝土抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

由圖1混凝土抗壓強(qiáng)度可以得知，兩種養(yǎng)護(hù)條件下，隨著引氣劑摻量的增加，同一齡期下混凝土抗壓強(qiáng)度降低；在-3 ℃養(yǎng)護(hù)下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著齡期逐漸增長(zhǎng)，其中前14 d快速增長(zhǎng)，可達(dá)到標(biāo)養(yǎng)28 d的60%～83%，隨后增長(zhǎng)速度減慢，主要是因?yàn)榍捌谒嗟乃磻?yīng)中對(duì)強(qiáng)度起決定作用的C3S在早期的強(qiáng)度發(fā)展較快，并且水化反應(yīng)放熱又加速了負(fù)溫下混凝土的水化反應(yīng)，而到了后期負(fù)溫條件使得水分子接近冰點(diǎn)，導(dǎo)致水化反應(yīng)減緩，對(duì)強(qiáng)度發(fā)展起到了抑制作用；此外對(duì)比兩種養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度，可以得到四種引氣劑摻量下混凝土達(dá)到等強(qiáng)度均為35 d，由此得到引氣劑摻量對(duì)負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土達(dá)到等強(qiáng)度幾乎無影響，僅僅是負(fù)溫的養(yǎng)護(hù)環(huán)境會(huì)降低水泥的水化程度，從而減緩了混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展，達(dá)到等強(qiáng)度后，負(fù)溫混凝土抗壓強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)，直至超越標(biāo)養(yǎng)28 d齡期的強(qiáng)度，由此也可以得到低溫僅是減緩了混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展速率，但是并不降低混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展大小。

2.2 孔徑分布試驗(yàn)結(jié)果分析

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與達(dá)到等強(qiáng)度負(fù)溫養(yǎng)護(hù)的試塊分別真空飽水24 h后，利用核磁共振系統(tǒng)，可得到兩種養(yǎng)護(hù)方式下等強(qiáng)度混凝土的孔徑分布對(duì)比，如圖2所示。

由圖2等強(qiáng)度齡期下混凝土的孔徑分布可以得到：標(biāo)養(yǎng)與負(fù)溫養(yǎng)護(hù)兩種養(yǎng)護(hù)方式下，隨著引氣劑摻量的增加，混凝土的孔徑分布向劣化趨勢(shì)發(fā)展，引氣劑摻量越大，孔隙數(shù)量與孔徑都增大，這也印證了混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律，引氣劑摻量越大，混凝土孔隙越大，強(qiáng)度也隨之降低，當(dāng)引氣劑摻量為0,0.05%時(shí)，混凝土的孔徑大部分小于1 μm，此時(shí)混凝土的強(qiáng)度較高，而當(dāng)混凝土引氣劑摻量為0.08%,0.12%時(shí)，孔隙數(shù)量和孔徑大小都增大較多，有害孔徑所占比例大大增加，混凝土的強(qiáng)度也隨之降低，所以引氣劑的摻加會(huì)降低混凝土的密實(shí)度，進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度。此外兩種養(yǎng)護(hù)方式下，同一引氣劑摻量，混凝土負(fù)溫下的孔徑分布差于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，具體表現(xiàn)在孔徑變大且大孔徑所占比例上升，所以等強(qiáng)度混凝土只是達(dá)到了“等強(qiáng)度”，但是并未達(dá)到“等孔徑分布”，也未達(dá)到“等孔結(jié)構(gòu)”。

3 結(jié)果與分析

1)標(biāo)養(yǎng)與負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)下，隨著引氣劑摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度降低，且引氣劑摻量對(duì)兩種養(yǎng)護(hù)方式下的混凝土達(dá)到等強(qiáng)度時(shí)長(zhǎng)無影響，僅是負(fù)溫減緩了強(qiáng)度發(fā)展。

2)標(biāo)養(yǎng)與負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)下，隨著引氣劑摻量的增加，混凝土的孔徑分布向劣化趨勢(shì)發(fā)展，使得抗壓強(qiáng)度也隨之降低。

3)同一引氣劑摻量，兩種養(yǎng)護(hù)方式下混凝土雖達(dá)到等強(qiáng)度，但是負(fù)溫養(yǎng)護(hù)的混凝土孔徑分布差于標(biāo)養(yǎng)，即混凝土達(dá)到了等強(qiáng)度，但是并未達(dá)到等孔結(jié)構(gòu)。