轻细骨料内养护混凝土抗冻融和抗盐冻性能

魏 亚，向亚平

（1.清华大学 土木工程系，北京 100084；2.清华大学 土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084）

高性能混凝土采用低水胶比、高效减水剂和各种矿物外加剂，其早期自收缩明显，易引起混凝土开裂，并且传统的养护方法很难达到良好的养护效果［1］.为此，国内外学者采用掺入饱水轻骨料来减少混凝土自收缩［2－4］，但关于其对混凝土抗冻融和抗盐冻性能的影响有不同观点.Cusson等［5－6］认为轻细骨料内养护混凝土在抗冻融或抗盐冻方面要优于普通混凝土.Pospichala等［7－8］认为轻骨料内养护混凝土抗冻性能比普通混凝土略差，且轻骨料预湿程度越高，混凝土抗冻性能越差.郑秀华等［9］认为在轻骨料预湿程度较低时轻骨料混凝土抗冻性能要优于普通混凝土，但在预湿程度较高时则相反.综上，目前国内外对轻骨料尤其是轻细骨料内养护混凝土抗冻融和抗盐冻性能缺乏系统的研究，限制了轻细骨料的应用.本研究分别采用粉煤灰陶砂和页岩陶砂2种轻细骨料作为内养护材料，在保证混凝土不产生自收缩的情况下研究不同水灰比、是否引气以及轻细骨料种类对混凝土抗冻融和抗盐冻性能的影响.

1 试验

1.1 原材料及混凝土配合比

水泥（C）采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，密度为3 150kg／m3，比表面积为350m2／kg；粗集料（A）采用石灰石碎石，表观密度为2 650kg／m3，吸水率为1.2%（质量分数，下同），粒径为5～25mm 连续级配；细集料（NS）采用河砂，表观密度为2 650kg／m3，吸水率1.5%，细度模数2.60；采用2种轻细骨料（LWFA）做为内养护材料：粉煤灰陶砂（F）和页岩陶砂（S），其级配曲线如图1所示，相关性能如表1所示；所用外加剂为聚羧酸减水剂（WRA）和引气剂（AEA）；拌和水（W）为自来水.为达到内养护的目的，轻细骨料需预湿1d，并在拌和前测试其含水率.

图1 轻细骨料级配曲线Fig.1 Gradation of LWFA

表1 轻细骨料相关性能Table 1 Performances of LWFA

Bentz等［2］建立了内养护饱水轻骨料掺量公式：

式中：MLWA为单方混凝土需要的轻骨料用量，kg／m3；Mf为单方水泥用量，kg／m3；Sch为水泥完全水化产生的化学收缩，64mm3／g；αmax为预期最大水化程度或当mw／mc≥0.36时，αmax＝1）；Sc为轻骨料饱和度（0～1）；φLWA为轻骨料吸水率.

本文根据式（1）设计混凝土配合比，如表2 所示.表2中，试样编号中的3和4分别代表水灰比为0.3和0.4；O，F，S 分别代表普通混凝土和掺F，S混凝土；A 代表引气.新拌混凝土的含气量及28d抗压强度也列于表2.

1.2 试验和测试方法

1.2.1 轻细骨料阶梯释水性能测定

表3为测试饱水轻细骨料阶梯释水性能所用的3种盐溶液在饱和状态时所对应的相对湿度RH.环境温度恒定在23℃以确保相对湿度稳定.轻细骨料阶梯释水性能测试具体步骤为：各取2组约50g的饱水F和S在RH＝97.4%环境中放置5d后移入RH＝94.6%环境中放置5d，再移入RH＝85.1%环境中放置5d，最后放入105℃烘箱中烘干至恒重.期间记录每次移入时轻细骨料的质量，精度为0.001g.

1.2.2 水泥水化程度测定

分别搅拌好水灰比mw／mc为0.3和0.4的水泥净浆，之后每隔15min搅拌1次至泌水结束，装模，同时将饱水轻细骨料放入mw／mc为0.3和0.4的水泥净浆中，养护至规定龄期，然后将硬化浆体敲成小块，并剥离轻细骨料周围约1mm 厚的水泥净浆，放入丙酮中阻止其继续水化.水化程度试验采用DTA／TG 分析，试验前对水泥试块进行真空干燥.

1.2.3 混凝土内部相对湿度测定

混凝土成型时在其中心处插入带有切口的PVC管，并使混凝土处于密闭状态，待混凝土初凝后，先吸干PVC 管中的自由水，然后插入温湿度传感器，用密封胶密封，每10min记录1次数据.试验所用的湿度传感器误差为±3%，使用前先用饱和盐溶液进行标定.

表2 混凝土配合比，含气量及28d抗压强度Table 2 Mix proportion，air content and 28dcompressive strength of concrete

表3 测试轻细骨料阶梯释水性能所用的3种饱和盐溶液相对湿度（23℃）Table 3 RH of 3kinds of saturated salt solution for step－shaped releasing water performance test for LWFA（23℃）%

1.2.4 混凝土薄片等温脱附试验

待混凝土养护到28d 龄期时，用切割机将高200mm，直径100mm 的混凝土试块切割成18个2～3mm 厚的薄片，之后进行真空饱水试验.每组取2个薄片共9组分别放置于表4所示的9种相对湿度的饱和盐溶液环境中，待其质量达到平衡后，取出放入60℃烘箱中烘干至恒重，期间每隔5d记录1次混凝土薄片质量，精度为0.001g，得到其饱水度试验结果.

表4 混凝土薄片等温脱附试验所用的9种饱和盐溶液相对湿度（23℃）Table 4 RH of 9kinds of saturated salt solution for concrete isothermal stripping test（23℃） %

1.2.5 混凝土冻融及盐冻试验

冻融试验参照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中的“水泥混凝土抗冻性试验方法（快冻法）”进行，试件为100 mm×100mm×400mm 的棱柱体.盐冻试验采用杨全兵等［10］提出的方法.盐冻混凝土短柱试件高75mm，直径244mm.试件标准养护28d后取出，待试件表面干燥后，在试件侧面涂抹环氧树脂，将试件放入盐冻试验机内进行混凝土盐冻试验.盐冻试验介质采用质量分数为4%的NaCl溶液.混凝土成型面为吸水面，水面高出成型面约5 mm.冻融过程在（－20±2）℃下冻3h，在（20±5）℃空气中融3h，冷冻速率约为0.5℃／min.每5次循环对试件进行1次剥落量测试.经过30次循环，当剥落量小于1.0kg／m2时，认为该试件的抗盐冻性能合格.剥落量按下式计算：

式中：Cn为经n次冻融循环后试件的单位面积剥落量，kg／m2；mn为经n 次冻融循环后试件的剥落质量，kg；S 为试件的横截面积，m2.

2 内养护对水泥水化程度和混凝土内部相对湿度的影响

2.1 轻细骨料的释水性能

轻细骨料在混凝土中能否将其孔中的水释放出来将直接影响混凝土内养护效果.释水性能好的轻细骨料可以明显减少其用量，同时提高混凝土的力学性能.图2为2种轻细骨料在不同相对湿度下的饱水度.由图2可知，饱水F和S在RH＝85.1%时几乎能释放出100%的水；在RH＝94.6%时也能分别释放出约70%和80%的水，说明F和S释水性能非常好，适宜做内养护材料.研究［11］表明，由于自干燥引起的混凝土内部相对湿度降低到75.5%之后就不再降低，因此轻细骨料释水性能测试时最低环境相对湿度为75.5%.

图2 F和S在不同相对湿度下的饱水度Fig.2 Degree of saturation of F and S at different RH

2.2 混凝土内养护效率与轻细骨料释水距离的关系

在混凝土中饱水轻细骨料能对周围区域水泥浆体进行内养护，此区域为净浆养护区.轻细骨料在混凝土中的释水距离r将直接关系到混凝土内养护效率Eic，Eic即单位体积混凝土中净浆养护区体积Vic与整个水泥浆体的体积Vp之比，用表示.当级配相同时，轻细骨料释水距离越大，混凝土内养护效率就越高.Lura［12］采用墨水显色方法测得轻细骨料释水距离约为1mm，但是由于墨水分子比水泥浆体中的毛细孔径要大，因此得出的释水距离偏小.Henkensiefken等［13］采用X 射线吸收法精确测出轻细骨料（粒径约为5mm）的释水距离为1.8mm.

轻细骨料掺量不同时净浆养护区的体积也不同，Garboczi等［14］基于数学模型［15］把轻细骨料净浆养护区算入界面过渡区，建立了净浆养护区体积Vic与轻细骨料释水距离r的关系：

式中：φLWFA为轻细骨料体积分数；ρ为单位体积轻细骨料个数；c，d，g 分别为轻细骨料粒径分布函数的系数.

由式（3）结合图1中的轻细骨料粒径分布数据，得出不同轻细骨料掺量下混凝土内养护效率Eic与轻细骨料释水距离r的关系（见图3）.由图3可知：当r＝1.8mm 时，试件3F，4F的内养护效率分别为67.7%，75.1%；当r＝0.5mm 时，试件3S，4S的内养护效率分别为93.5%，97.2%.

图3 混凝土内养护效率与轻细骨料释水距离的关系Fig.3 Relationship between internal curing efficiency（Eic）and water release distance（r）

2.3 轻细骨料对水泥水化程度的影响

混凝土中轻细骨料引入的内养护水在水泥水化过程中会释放出来，可以提高其周围水泥的水化程度，但对于不同水灰比的混凝土，轻细骨料对周围水泥水化程度的影响不同.图4为掺F 水泥浆体与普通水泥浆体的水化程度.由图4可知：水灰比为0.3时，轻细骨料水泥浆体各龄期水化程度较普通水泥浆体提高得较多，这对混凝土抗压强度具有一定的正面效果（见表2）；但当水灰比为0.4时，轻细骨料水泥浆体水化程度较普通水泥浆体提高得较少，这对混凝土抗压强度的提高作用有限，当轻细骨料本身筒压强度较低时混凝土总的抗压强度甚至会有所下降（见表2）.

图4 掺F水泥浆体与普通水泥浆体的水化程度Fig.4 Degree of hydration of cement pastes with and without F

2.4 轻细骨料对混凝土饱水度的影响

图5 混凝土内部相对湿度和28d饱水度Fig.5 Internal relative humidity and 28ddegree of saturation of concrete

混凝土内部相对湿度随龄期的变化和28d饱水度结果见图5.由图5（a）可知，轻细骨料内养护混凝土的28d内部相对湿度仍保持在97%左右，明显高于普通混凝土，这说明饱水F 和S对混凝土的内养护效果显著.混凝土中的饱水轻细骨料能释放出其内部储存的水以供水泥继续水化，并明显提高混凝土内部相对湿度.对于普通混凝土，由于缺少内养护，其内部相对湿度一直下降，且水灰比越低，相同龄期下普通混凝土内部相对湿度越低.试件3O，3F，3S，4O，4F 和4S 的28d饱水度分别为64%，80%，83%，68%，84%和88%，见图5（b）.由图5（b）可知，同等条件下水灰比为0.4的混凝土内部饱水度要高于水灰比为0.3的混凝土.

3 混凝土抗冻融和抗盐冻性能

3.1 混凝土抗冻融性能

混凝土抗冻融试验结果见图6，7.由图6可知，在非引气情况下，当水灰比为0.3时，经200次冻融循环后轻细骨料内养护混凝土28d抗冻融性能要稍差于普通混凝土，但其相对动弹性模量仍在70%以上.由图7（a）可知：当水灰比为0.4 时，试件4F和4S仅经25次冻融循环后就发生断裂，这是因为其28 d 饱水度较高，分别为84%和88%（见图5（b）），十分接近混凝土临界饱水度90%［16］，并且混凝土在冻融过程中毛细孔会继续吸水，经初始几次冻融循环后混凝土饱水度会大于其临界饱水度，当混凝土继续冻融循环时会导致其内部水结晶压过大，产生冻融破坏；普通混凝土试件4O 的28d内部相对湿度值较低，导致其饱水度要明显低于临界饱水度，所以经200次冻融循环后试件4O 基本完好.由图7（b）可知，向水灰比为0.4的轻细骨料内养护混凝土中引入适量气体后，其28d抗冻融性能明显提高，这说明引气是提高混凝土抗冻融性能的最佳方法.此外，由图6，7还可知，在同等条件下，掺F内养护混凝土28d抗冻融性能要稍优于掺S内养护混凝土，原因是掺F内养护混凝土28d饱水度要比掺S内养护混凝土的28d饱水度低，并且F本身筒压强度要高于S.

图6 轻细骨料对水灰比0.3混凝土28d抗冻融性能的影响Fig.6 Influence of lightweight fine aggregate on 28d freeze－thaw resistance of concrete（mw／mc＝0.3）

3.2 混凝土抗盐冻性能

混凝土抗盐冻试验结果见图8，9.由图8可知，当水灰比为0.3时，无论是否引气，经30次冻融循环后，轻细骨料内养护混凝土的单位面积剥落量与普通混凝土差不多.这是因为轻细骨料内养护混凝土28d抗压强度稍高于普通混凝土（见表2）.当水灰比为0.3时，由于轻细骨料内养护混凝土中内养护水明显提高了混凝土内部水泥水化程度，因此轻细骨料对混凝土抗压强度的正面影响超过了其本身筒压强度低于混凝土抗压强度带来的不利影响.

图7 轻细骨料及引气剂对水灰比0.4混凝土28d抗冻融性能的影响Fig.7 Influence of lightweight fine aggregate and air－entrainment on 28dfreeze－thaw resistance of concrete（mw／mc＝0.4）

图8 轻细骨料及引气剂对水灰比0.3混凝土28d抗盐冻性能的影响Fig.8 Influence of lightweight fine aggregate and air－entrainment on 28dsalt－scaling resistance of concrete（mw／mc＝0.3）

图9 轻细骨料及引气剂对水灰比0.4混凝土28d抗盐冻性能的影响Fig.9 Influence of lightweight fine aggregate and air－entrainment on 28dsalt－scaling resistance of concrete（mw／mc＝0.4）

由图9可知：当水灰比为0.4时，在未引气情况下，由于轻细骨料内养护混凝土28d抗压强度要低于普通混凝土（见表2），同时轻细骨料本身筒压强度要明显低于普通骨料，因此经30次冻融循环后其单位面积剥落量要大于普通混凝土；在引气情况下，轻细骨料内养护混凝土28d抗盐冻性能有了较大提高.这是由于引气后混凝土内部产生了大量微小而均匀的气泡，这些气泡在正常情况下不易被水充满，使混凝土的饱水度明显降低.同时这些气泡能及时吸纳受冻区的过冷水，缓解盐溶液产生的结冰压，从而明显改善混凝土的抗盐冻性能［13］，而且当轻细骨料本身筒压强度远低于普通骨料时这种作用更加明显.此外，由图8，9还可知，降低混凝土水灰比可明显降低盐冻剥落量，这与文献［17－18］的结论一致.

4 结论

（1）轻细骨料内养护能显著提高混凝土中水泥水化程度及其内部相对湿度，且水灰比较低时混凝土内养护效果更明显.

（2）当水灰比为0.4时，由于轻细骨料内养护混凝土28d饱水度明显大于普通混凝土，因此轻细骨料内养护混凝土28d抗冻融和抗盐冻性能要明显劣于普通混凝土.适量引气可明显提高混凝土的抗冻融和抗盐冻性能.

（3）当水灰比为0.3时，轻细骨料内养护混凝土28d抗冻融和抗盐冻性能较好，无需引气.

（4）同等条件下，轻细骨料本身筒压强度越高，对应混凝土的抗冻融和抗盐冻性能越好.

［1］杨全兵.水中养护两年高性能混凝土的自干燥问题研究［J］.建筑材料学报，1998，1（3）：215－222.YANG Quanbing.Study on the self－desiccation of high performance concrete stored in water for two years［J］.Journal of Building Materials，1998，1（3）：215－222.（in Chinese）

［2］BENTZ D P，LURA P，ROBERTS J.Mixture proportioning for internal curing［J］.Concrete International，2005，27（2）：35－40.

［3］JOSEPH G，RAMAMURTHY K.Autogenous curing of coldbonded fly－ash－aggregate concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2011，23（4）：393－401.

［4］李北星，查进，李进辉，等.饱水轻集料内养护对高性能混凝土收缩的影响［J］.武汉理工大学学报，2008，30（5）：24－27.LI Beixing，ZHA Jin，LI Jinhui，et al.Effect of internal curing caused by saturated lightweight aggregate on shrinkage of high performance concrete［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2008，30（5）：24－27.（in Chinese）

［5］CUSSON D，MARGESON J.Development of low－shrinkage high－performance concrete with improved durability［C］∥Proceeding of the 6th International Conference on Concrete under Severe Conditions：Environment and Loading（CONSEC'10）.Netherlands：CRC Press，2010：869－878.

［6］UGUR KOCKAL N，OZTURAN T.Durability of lightweight concretes with lightweight fly ash aggregates［J］.Construction and Building Materials，2011，25（3）：1430－1438.

［7］POSPICHALA O，KUCHARCZYKOVÁB，MISÁK P，et al.Freeze－thaw resistance of concrete with porous aggregate［J］.Procedia Engineering，2010，2（1）：521－529.

［8］毛继泽，齐辉，鲇田耕一.轻骨料含水率对混凝土吸水性及抗冻性的影响［J］.建筑材料学报，2009，12（4）：473－477.MAO Jize，QI Hui，AYUTA K.Effects of water content in lightweight aggregate on water－absorbing property and freezethaw resistance of concrete［J］.Journal of Building Materials，2009，12（4）：473－477.（in Chinese）

［9］郑秀华，张宝生.页岩陶粒预湿处理对轻集料混凝土的强度和抗冻性的影响［J］.硅酸盐学报，2005，33（6）：758－762.ZHENG Xiuhua，ZHANG Baosheng.Effect of pre－wetted shale ceramisite on strength and frost－resistance of lightweight aggregate concrete［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2005，33（6）：758－762.（in Chinese）

［10］杨全兵，傅智，罗翥.水泥混凝土路面盐冻剥蚀破坏试验参数和评价指标的研究［J］.公路交通科技，2006（1）：31－33.YANG Quanbing，FU Zhi，LUO Zhu.Study on parameters and evaluation index of concrete frost－scaling destroy test［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2006（1）：31－33.（in Chinese）

［11］PAILLERE A M，BUIL M，SERRANO J J.Effect of fiber addition on the autogenous shrinkage of silica fume concrete［J］.ACI Materials Journal，1989，86（2）：139－144.

［12］LURA P.Autogenous deformation and internal curing of concrete［D］.Delft：Delft University of Technology，2003.

［13］HENKENSIEFKEN R，NANTUNG T，WEISS J.Saturated lightweight aggregate for internal curing in low w／c mixtures：Monitoring water movement using X－ray absorption［J］.Strain，2011，47（S1）：e432－e441.

［14］GARBOCZI E J，BENTZ D P.Analytical formulas for interfacial transition zone properties［J］.Advanced Cement Based Materials，1997，6（3／4）：99－108.

［15］LU B L，TORQUATO S.Nearest－surface distribution－functions for polydispersed particle－systems［J］.Physical Review A：Atomic，Molecular，and Optical Physics，1992，45（8）：5530－5544.

［16］FAGERLUND G.Significance of critical degrees of saturation at freezing of porous and brittle materials［C］∥Durability of Concrete：ACI Symposium Sessions.Detroit：American Concrete Institute，1975，47：13－65.

［17］JOZWIAK－NIEDZWIEDZKA D.Scaling resistance of high performance concretes containing a small portion of pre－wetted lightweight fine aggregate［J］.Cement and Concrete Composites，2005，27（6）：709－715.

［18］PENTTALA V.Surface and internal deterioration of concrete due to saline and non－saline freeze－thaw loads［J］.Cement and Concrete Research，2006，36（5）：921－928.