早期高温养护对预制混凝土构件长期抗压强度的影响

颜成华，李果，夏军武

（1.江苏东浦管桩有限公司，江苏 连云港222346; 2.中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏 徐州221116）

早期高温养护对预制混凝土构件长期抗压强度的影响

颜成华1，李果2，夏军武2

（1.江苏东浦管桩有限公司，江苏 连云港222346; 2.中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏 徐州221116）

混凝土构件的早期养护条件是决定其长期抗压强度的重要因素，为研究早期养护温度对预制混凝土构件长期抗压强度的影响，制作了单掺粉煤灰（SPC）、双掺粉煤灰、矿渣（DPC）和三掺粉煤灰、矿渣、硅灰（TPC）以及对比普通水泥混凝土（OPC）试件，按照有、无预养分别进行了40℃、60℃和80℃的水养护，达到设计强度后取出放置在室内大气环境，再分别测试其28 d、100 d、200 d和300 d龄期的抗压强度。研究结果表明：无论普通混凝土还是矿物掺合料混凝土，早期养护温度越高，混凝土达到设计强度所需的养护时间越短，但长期的抗压强度越低。掺加矿物掺合料和20℃的预养有助于增强混凝土抵御高温养护导致的热应力问题，有利于预制混凝土构件长期强度的提高。

矿物掺合料；预制混凝土构件；抗压强度；早期高温养护

0 引言

混凝土的强度尤其是长期强度是决定混凝土结构承载力安全的基础，而混凝土的原材料组成与初期养护条件是决定其长期强度的重要因素。为了加快模具周转，提高混凝土预制构件的生产效率，蒸汽养护、蒸压养护和高温水养护在混凝土预制构件的生产中得到广泛的应用[1-3]。早期的高温养护可以加速水泥的水化，对火山灰质材料还可以激发其活性提高其水化程度，从而提高混凝土的早期强度和致密程度[4-6]。但许多研究同时表明：早期的高温养护温度越高，持续时间越长，混凝土的后期强度下降甚至倒缩也越多[6-13]。究其原因，主要为早期的高温养护导致水泥水化产物生成和沉淀速度过快，使得水化产物分布不均匀、水泥石结构疏松，且硬化的水化产物包裹在未水化熟料的表面还会阻止其进一步水化，同时还有高温养护引起的混凝土内部热应力问题。

如何避免或尽可能减少预制混凝土早期高温养护带来的负面效应，众多学者做了大量研究[8-18]。文献[8]的研究发现对比27℃、34℃、42℃和50℃水养护的磨细粉煤灰混凝土试件，其早期强度随养护温度的升高而增大，而后期强度随温度的升高而降低。文献[9]的研究认为降低混凝土的水灰比可以降低混凝土对高温养护的敏感性，从而部分消除高温养护带来的负面效应。文献[14]的研究发现在10～40℃范围掺入30%替代率的粉煤灰，随着水养护温度的升高、养护时间延长，粉煤灰的水化程度越高，粉煤灰混凝土的后期强度越高。文献[15]的研究发现在25～100℃的水养护范围，掺加了磨细高炉矿渣的混凝土强度随养护温度升高而增大，而且后期强度也没有下降且高于对比普通混凝土。文献[18]的研究发现60℃、80%相对湿度条件增加预养时间可以明显提高粉煤灰混凝土各龄期的抗压强度，而文献[1]对自密实蒸养混凝土的研究发现增加预养时间会导致混凝土脱模强度的下降。总体来讲，由于高温养护的温度范围比较宽泛，混凝土所用原材料的性能差异较大，养护条件的各不相同，关于高温养护对混凝土长期力学性能的影响还需进一步深入研究。

选择单掺、双掺和三掺粉煤灰、矿渣、硅灰来配制混凝土，研究在不同初期养护温度（40℃、60℃、80℃）和有、无预养条件对预制混凝土构件长期抗压强度的影响规律。

1 试验研究

1.1 原材料

水泥采用淮海中联水泥有限公司生产的P·O42.5R级普通硅酸盐水泥，细骨料采用本地产天然河砂，细度模数Mx为2.56，类别为II区中砂，粗骨料采用粒径5～20 mm的碎石，拌合水采用普通自来水，减水剂选择一种萘系高效减水剂，掺量为胶凝材料用量的1.8%。混凝土水胶比0.54，设计强度35 MPa。为研究矿物掺合料类别对混凝土强度的影响规律，选择了徐州华润电厂生产的I级低钙粉煤灰、徐州铸本混凝土有限公司提供的一种粒化高炉矿渣和山东三美硅材料有限公司生产的硅粉，通过单掺、双掺和三掺的方式分别配制了单掺粉煤灰混凝土（SPC）、双掺粉煤灰、矿渣混凝土（DPC）和三掺粉煤灰、矿渣、硅粉混凝土（TPC）以及用作对比的普通混凝土（OPC），具体四类混凝土的配合比组成如表1所示。

表1 混凝土类别及配合比组成 单位：kg/m3

1.2 试验方法

混凝土试件采用100 mm×100 mm×100 mm立方体，3个一组。混凝土采用强制式搅拌机拌合，浇筑后24 h拆模（OPC试件20 h拆模）。在试件进行高温养护之前分别选择了“无预养”和“有预养”两种处理方式。“无预养”为试件拆模之后即放入一定温度的热水水槽中进行养护，“有预养”为试件拆模后先放入20℃水槽中养护达到一定的强度，设计为40%的设计强度，即14 MPa，然后再放入热水水槽中进行养护。

为了确定各类混凝土达到14 MPa所需的时间，先对四类混凝土进行了20℃水养护实验。四类混凝土试件拆模后先放入20℃水槽中养护，再分别测定其1 d、2 d、3 d、7 d、14 d和28 d龄期的抗压强度，获得其各自强度发展曲线并通过回归拟合建立其强度发展模型，然后将14 MPa代入计算获得四类混凝土所需的预养时间。

将“无预养”和“有预养”的混凝土试件放入不同温度（40℃、60℃和80℃）的水槽中养护，采用万能压力试验机定期测定其抗压强度，获得两类试件随水养护温度的强度发展模型，确定其抗压强度达到设计强度（35 MPa）所需的养护时间。试件养护达到设计强度后终止养护，取出放置在室内自然大气环境中，待28 d、100 d、200 d和300 d龄期时再测定其抗压强度。

2 实验结果与讨论

2.1 20℃养护条件混凝土抗压强度发展

四类混凝土试件在20℃养护条件不同龄期的抗压强度发展如图1所示。

图1 混凝土20℃养护抗压强度发展曲线

从图1可以看出，随着20℃水养护龄期的增长，四类混凝土的强度均不断增大。掺矿物掺合料混凝土与普通对比混凝土的强度—龄期发展规律非常相似，均是早期强度发展迅速，但随着龄期的增长强度增长趋于缓慢。根据已有的理论知识，矿物掺合料的火山灰反应滞后于水泥的水化反应。因此，掺矿物掺合料的混凝土其早期强度发展一般要慢于对比的普通混凝土。从图1可以清晰地看到，矿物掺合料混凝土早期强度明显低于对比的普通混凝土，且在3 d龄期以内DPC和TPC混凝土强度发展低于SPC，3 d以后DPC和TPC混凝土的强度发展均超过了SPC。随着养护龄期的继续增长，矿物掺合料混凝土的强度发展速度变快，与对比普通混凝土之间的强度差别不断减少，但由于矿物掺合料的活性较低、掺量较大，矿物掺合料混凝土28 d强度依然低于对比普通混凝土，其28 d抗压强度的排序依次为：OPC＞TPC＞DPC＞SPC。

相对SPC混凝土，DPC和TPC混凝土的矿物掺合料较多、水泥含量较少，而且由于20℃的养护温度较低，在养护初期混凝土的强度主要由水泥含量所控制，水泥含量越少试件的强度也就越低，故在养护初期TPC混凝土强度表现最低，DPC混凝土次之，SPC混凝土再次。而在养护后期，矿物掺合料的活性渐次得到发挥，掺有活性越高掺合料的混凝土其强度越高。于是DPC混凝土的强度超过了SPC，TPC混凝土的强度超过了DPC。

2.2 达到设计强度所需的早期高温养护时间

由四类混凝土28 d的强度数据回归拟合成理论公式，据此分别计算出四类混凝土达到14 MPa的预养强度需要20℃养护的时间分别为：OPC试件14 h、SPC试件27 h、DPC试件42 h和TPC试件45 h。根据无预养和有预养试件水养护的实测数据可以绘制出其达到设计强度35 MPa各自所需的时间分别如图2、图3所示。

图2 无预养试件水养护时间

图3 有预养试件水养护时间

从图2和图3可以看出，无论是矿物掺合料混凝土还是普通混凝土，当水养护温度从40℃升高至60℃、再升高至80℃，各类混凝土达到相同强度所需的水养护时间均不断减小。说明提高养护温度确能起到加速水泥基胶凝材料的水化、缩短养护时间的作用，这和许多已有的研究获得的结论是一致的[3-7]。对无预养OPC混凝土，当水养护温度从40℃升高至60℃，养护时间缩短了25%；当养护温度从60℃升高至80℃时，养护时间缩短了50%。

从图2同时可以看出，掺加了矿物掺合料之后为达到设计强度各类混凝土所需的水养护时间发生了变化。如在40℃水养护温度时，SPC和DPC试件的养护时间均长于OPC试件，仅有TPC试件略短于OPC试件。反映了40℃的温度对粉煤灰和矿粉的激发作用尚不明显，而TPC试件由于硅灰的高活性在40℃温度条件已能得到充分发挥。对于60℃和80℃条件，可清晰看出矿物掺合料混凝土所需的养护时间已低于对比普通混凝土，且DPC少于SPC，TPC少于DPC。反映硅灰的活性高于矿粉，矿粉的活性高于粉煤灰。同时说明相对普通硅酸盐水泥，提高温度对促进矿物掺合料的水化作用更有效，即掺矿物掺合料的混凝土更适宜提高温度养护。对无预养SPC混凝土，当水养护温度从40℃升高至60℃，养护时间缩短了38.9%；当养护温度从60℃升高至80℃时，养护时间缩短了65.6%。

四类混凝土浇筑成型脱模时已经具有一定强度，20℃的预养使得混凝土在脱模后强度继续增大，从而在接受热水养护之前距离目标强度的差距比无预养小，故所需的后续热水养护时间应该减小。图3的数据结果和预测是吻合的，有预养试件在不同温度水养护的所需时间变化规律同无预养试件基本相似，同一类混凝土随着水养护温度的升高所需水养护时间普遍缩短。

2.3 早期高温养护对混凝土抗压强度的影响

高温水养护类似于蒸汽养护，使混凝土在较短时间内获得较高的硬化速度和早期强度，但同时也容易造成一些不利影响，如混凝土内部结构在升、降温过程中会产生一定的应力，水和气的迁移会在混凝土中形成定向孔隙，水泥石和骨料间的界面会出现不同程度的微裂缝，钙矾石可能在微裂缝中形成并生长；同时，混凝土的强度不仅取决于水化产物的数量，还与水化产物的质量有关，在较高的温度下，混凝土短期内迅速生成的水化产物C-S-H凝胶会变得粗糙，而且水化产物分布不均匀，硬化后的孔隙率较大，会造成混凝土后期的强度和耐久性能下降。图4给出了在不同初始养护温度条件下四类混凝土（300 d/无预养）的抗压强度，从中可以看出无论是普通水泥混凝土还是掺矿物掺合料混凝土，随着初期养护温度的升高混凝土的抗压强度呈现明显的线性下降趋势，即初期养护的温度越高其后期的抗压强度越低。同时可以看出，通过三掺粉煤灰、矿渣和硅粉（TPC）能够在一定程度缓解初期高温水养护对其后期抗压强度发展的不利影响，而单掺粉煤灰（SPC）、双掺粉煤灰、矿粉（DPC）基本不起作用。

图4 养护温度对混凝土抗压强度（300 d）的影响

预养可以使混凝土具有一定的初始强度，升温后的残余变形减小，抵御高温养护热应力破坏的能力增强[7]。图5给出了有、无预养对四类混凝土（80℃/300 d）抗压强度的影响，可以看出有预养混凝土的抗压强度均超过无预养，即预养对初始高温养护的混凝土长期抗压强度或多或少都起到一定作用。反映了预养有助于混凝土后期抗压强度的提高，预养能够在一定程度上缓解高温养护对混凝土后期强度发展的不利影响，这一点同文献[16]采用60℃、80%RH蒸养条件下延长预养时间能够提高粉煤灰混凝土各龄期的抗压强度的研究结果是一致的，但是提高的幅度对OPC和TPC较明显，对SPC和DPC混凝土则不甚明显。

图5 预养对混凝土抗压强度的影响

混凝土试件即使养护终止后，由于内部残存的水分仍然会使得水泥基胶凝材料继续水化，从而使得混凝土的强度继续增大。图6、图7分别给出了四类混凝土试件在20℃、80℃（无预养）初期养护条件下后期抗压强度随放置龄期的发展规律。

图6 混凝土长期抗压强度-龄期发展曲线（20℃）

图7 混凝土长期抗压强度-龄期发展曲线（80℃）

从图6可以看出，在20℃的初期养护条件，无论是掺矿物掺合料混凝土还是对比普通混凝土后期抗压强度均随龄期呈现缓慢地不断增长趋势，即20℃的初期养护对混凝土长期抗压强度的发展是比较有利的。而从图7可以看出，经历了早期高温（80℃）养护的混凝土其后期抗压强度增长较少且发展势头明显不足，除TPC试件外在200 d以后甚至还略有回缩。TPC试件虽也一度增长缓慢，但200 d龄期后又呈现增长势头，甚至超过了OPC试件。反映三掺粉煤灰、矿渣和硅灰对弥补初期高温养护对混凝土强度造成的负面效应有一定效果。

3 结论

通过实验研究与理论分析，获得如下结论：

（1）提高养护温度可以激发火山灰质胶凝材料的活性，加速胶凝材料的水化，快速实现设计强度，缩短养护周期。一般来说，养护的温度越高，所需的养护时间越短，而且相对普通水泥混凝土，养护温度越高掺矿物掺合料混凝土所需的养护时间越短。

（2）提高养护温度会快速实现混凝土的早期抗压强度，但早期养护温度的升高会对混凝土的长期抗压强度发展带来不利影响。无论是普通混凝土还是矿物掺合料混凝土，早期养护温度越高，后期抗压强度越低。

（3）通过对混凝土20℃的预养和粉煤灰、矿渣、硅粉等矿物掺合料的添加，能够在一定程度上缓解早期高温水养护对预制混凝土构件长期抗压强度发展的不利影响，有利于混凝土后期抗压强度的提高。

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Initial curing condition is an important influencing factor to pre-cast concrete long-term strength. To study the influences of initial high temperature curing on pre-cast concrete compressive strength,concrete specimens made from fly ash concrete (SPC),fly ash and slag concrete (DPC),fly ash,slag and silica fume concrete(TPC)and ordinary portland cement concrete(OPC)for comparison were fabricated.According to with or without pre-curing,specimens were put into 40℃,60℃and 80℃water tanks respectively for curing until designed compressive strength reached.Then specimens were taken out and placed in an indoor natural environment,and tested for compressive strength at 28 d,100 d,200 d and 300 d age periodically.Results indicate that the higher the initial water-curing temperature is,the shorter the water-curing time is needed to reach the designed strength,and the lower of the concrete long-term strength is.Adulteration of mineral admixtures （especially fly ash）and pre-curing of 20℃are beneficial for pre-cast concrete member to resist the thermal stress problem caused by elevated temperature curing,and are liable to improve the long-term strength.

mineral admixture;concrete;compressive strength;initial high temperature curing

颜成华（1971-），男，本科，高级经济师，工程管理专业。

岚嵘）（

2014-8-18）

（来源：江苏省经信委）

国家自然科学基金面上项目（No.51178455），江苏省重点实验室开放基金项目（JSKL2012YB01）。

预计建材业利润增幅将进一步收窄。2014年上半年，我国建材产品出口增速同比回落7.8个百分点，建材产品出厂价格呈现出在波动中下滑趋势，水泥、平板玻璃价格持续下降。受国际市场需求不旺影响，上半年建材商品出口额155亿美元，同比增长8.9%，增速同比回落7.8个百分点。建材产品价格下跌。2014年5月份以后建材实际出口数量已经负增长。出口增速呈现较大幅度的回落，说明出口面临的压力在增加，出口形势愈加严峻。建筑用石等部分商品出口持续下降，这也是近年来所罕见的。6月份，全国通用水泥平均出厂价格304元/吨，与年初相比，下降了18元；6月份平板玻璃价格降至每重量箱68元，为2012年9月份以来的最低价格。上半年水泥产销率98%，比年初下降0.9个百分点，库存增加7%;平板玻璃产销率85%，比年初下降3.7个百分点，库存增加35%。经济效益增幅收窄。受去年同期基数较低的影响，2014年以来建材工业实现利润总额保持了较快增长态势，前5个月增速均保持在25%或以上的高位，但到6月份增速已经下降到21.8%。前6个月利润总额增速呈现逐月回落的态势。建材产品毛利率不断下降。1～6月份建材工业毛利率为14%，比去年同期下降0.5个百分点，而且今年以来下降幅度不断加大。从2012年开始建材工业毛利率一直呈同比下降态势，主要是由于建材工业主营业务成本上升所致。1～6月份建材工业主营业务成本同比增长13.8%，高于同期主营业务收入13.2%的增长速度。从具体成本构成情况看，除煤炭价格下降外，天然气、柴油、电力、纯碱等燃料、原料价格以及人工成本均在上涨，同时随着建材工业节能减排工作的不断推进，环保方面的刚性投入也在持续加大。从财务成本看，1～6月份“三项费用”总额比上年同期增长13.9%，高于主营业务收入增长速度。