高温高湿养护对高强混凝土耐久性的影响

秦　力，李　敏，丁婧楠

(东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012)



高温高湿养护对高强混凝土耐久性的影响

秦力，李敏，丁婧楠

(东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012)

摘要：随着对混凝土研究的深入发展，不同养护方式对混凝土长期耐久性的影响也逐渐受到重视。高强混凝土强度较高，对于养护条件的要求也更加的严格。高温高湿养护作为提高混凝土早期强度的重要技术手段，在工程应用中具有重要的意义，不仅如此，它对混凝土的长期耐久性也具有一定的改善作用：高温高湿养护能够提高高强混凝土的抗冻性能和抗氯离子渗透性，但在改善高强混凝土抗碳化性方面并没有发挥十分积极的作用。

关键词：高温高湿养护；高强混凝土；耐久性

良好的养护对于混凝土功能的建立具有重要的作用，对于高强混凝土来说，养护条件的变化也会敏感的反应到其质量上。上世纪90年代，Basham就研究发现高温高湿养护条件可以提高混凝土的早期强度[1]，并且随着混凝土强度的提高这种表现尤为明显。Gowripalan等人的研究认为，提高混凝土的养护温度可以降低其内部孔隙率和表面透气性，增强其耐久性能[2]。

国内外诸多研究表明，强度的提高在短期内可以弥补混凝土耐久性的不足，但经不住不良因素的长期作用。除了环境因素和混凝土材料本身的因素，养护条件对于提高混凝土的耐久性也发挥了至关重要的作用。本文主要通过试验研究高温高湿养护条件对比标准养护条件对高强度混凝土耐久性的影响作用。

1原材料

试验采用的是C60高强混凝土，其的配合比见表1。水泥采用的是P42.5普通硅酸盐水泥，其化学成分见表2；试验采用Ⅰ级粉煤灰，其品质检验结果见表3；矿渣粉采用S95级，其品质检验结果见表4；细骨料采用天然中砂，其细度模数为2.71，粗骨料采用机械破碎级配碎石，其平均直径20 mm，表观密度2 750 kg/m3，面干吸水率0.42%，含泥量0.0%，坚固性1.9%；外加剂采用液态萘系缓凝高效减水剂(减水率34%，含气量2%)。

表1　C60高强混凝土配合参数

表2　P42.5普通硅酸盐水泥化学成分

表3　试验采用Ⅰ级粉煤灰品质检验参数

表4　矿渣粉采用S95级品质检验参数

2试验方法与标准

混凝土的拌和、成型按DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》的相关标准进行。试件采用强制式搅拌机拌和制件，混凝土耐久性能的测试均按GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能及耐久性试验方法标准》的有关规程进行。试件耐久性的评定尊照JGJ/T193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》的评定方法。

试件的制作采用相同的配合比和相同的拌合条件，等量分为2组，A组进行高温高湿养护，养护温度80 ℃，相对湿度95%以上，B组进行标准养护，养护温度20±2 ℃，相对湿度95%以上。标准养护28天后进行耐久性试验。

3试验结果及讨论

3.1外观质量差异

经养护28天后，两组混凝土试件外观质量并没有太大差异，将试件切开后，A组试件的内部颜色比B组稍深一些；两组试件的质量有微小的差异，A组试件的平均质量10.13 kg，B组试件平均质量9.83 kg，A组比B组的平均质量大0.3 kg。这主要是高温高湿养护条件下，水泥的水化反应进行的较快，凝胶产物较多，结合了较多的水产生的结果。

3.2对抗冻性的影响

在我国东北、西北和华北地区，冻融破坏是混凝土建筑物在运行过程中产生的主要病害之一，对于渡槽、水闸等水工混凝土建筑物，冻融破坏的影响范围更为广泛。

在较高的温度和湿度条件下，混凝土的强度发展十分迅速，而抗冻能力与其强度密切相关[3]。并且高强混凝土的强度较高，对于冻融破坏也有较强的抵抗能力。按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能及耐久性试验方法标准》中快冻法的试验规程进行冻融试验，经冻融300次后，测试试件的质量和弹性模量，试验结果见表5。由表5可见，两种养护条件下，试件的质量损失率和弹性模量损失率都不足1%。相比之下，高温高湿养护条件下，冻融300次后试件的质量损失率为0.59%，弹性模量损失率为0.48%，明显低于标准养护下的0.81%和0.98%。产生这种差异的原因主要是两组试件养护过程中水分和温度的不同。首先，水分在Ca(OH)2结合SiO2转变成C-S-H的过程中必不可少，而且水分的补充越是尽早充分，对混凝土内部结构的发展越有利[4]。相对湿度不同于绝对湿度，在相同的相对湿度值下，80 ℃空气中的水分要远大于20 ℃空气中的水分，即高温高湿养护条件下的水分补给要高于标准养护。其次，对于温度而言，高温对于混凝土凝结硬化速率的发展是绝对有利的，80 ℃蒸汽养护下，两天就能达到试件标号强度的70%[5]，因此，在高温高湿的养护条件下试件强度发展较早，28天龄期时，其内部水化反应和强度的发展都较标准条件下更为充分，其对于冻融破坏的抵抗能力也相对较强。

表5　测试试件的质量和弹性模量试验结果参数

图1　残余强度对比图

高强混凝土试件经冻融300次后，质量和弹性模量损失十分微小，但强度有较大的降低，如图1。经冻融300次后，高温高湿养护下的试件残余强度为53.8 MP，标准养护下的试件残余强度为36.9 MP，这也说明，高温高湿养护环境可以显著提高高强混凝土的抗冻性。

3.3对抗氯离子渗透性的影响

混凝土的渗透性对其耐久性有重要的影响，美国的Metha，英国的Nevill及我国已故工程院院士吴中伟等国内外许多专家都认为，大幅度提高混凝土的抗渗性是改善混凝土耐久性的关键[6]。混凝土的抗氯离子渗透性能是阻止由氯离子引发的钢筋锈蚀提高混凝土寿命的重要特性。氯离子对混凝土的侵蚀主要有扩散作用、毛细管作用、渗透作用和电化学迁移，目前的研究认为，渗透是其中主要的作用方式[7]。

图2　电通量对比图

试验按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能及耐久性试验方法标准》中电通量法的试验规程测试混凝土试件的抗氯离子渗透性，高强混凝土的抗氯离子渗透能力较强，这一点通过本试验也得到了验证，试验结果对比如图2。28天养护龄期时，连续通电6 h后，高温高湿养护条件下试件的电通量仅为99.6C，按照JGJ/T193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》评定等级为Q-Ⅴ，标准养护下试件电通量为505.7C，评定等级为Q-Ⅳ。Kim等人的研究认为，矿物掺合料的掺加会减少氯化物在混凝土中的扩散[8]。试验配合比中掺有30%的粉煤灰和矿渣粉，其中的SiO2等成分会与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，产生硅酸盐类凝胶，减少或阻断内部的毛细孔隙，使高强混凝土的微观结构更加致密，高温高湿的养护环境会使这种表现更加明显。两种不同的养护条件下，混凝土电通量值相差5倍，排除偶然因素也可以判定，高温高湿养护条件对混凝土的内部结构有显著的改善作用，使其内部结构较标准养护更加紧致密实，从而使混凝土结构具有更高的抗氯离子渗透能力。

3.4对抗碳化性能的影响

近年来，碳化对混凝土结构的破坏作用并没有得到足够的重视，这不仅是由于其作用周期较长，还因为碳化对混凝土的劣化作用通常与其他腐蚀破坏作用并发。然而，本试验的试验结果显示，高浓度CO2对混凝土试件的强度破坏非常大。

两组试件养护28天后，按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能及耐久性试验方法标准》中碳化方法的试验规程进行。碳化到28天后，用酒精酚酞溶液测试，两组混凝土试件的碳化深度都很小，并且两组试件的碳化值差异并不大，如图3。高温高湿养护条件下试件碳化深度约为1.1 mm，标准养护条件下试件碳化深度约为1.2 mm，按照JGJ/T193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》评定等级均为T-Ⅳ，抗碳化能力较强。日本和泉等人就水泥种类及养护条件对碳化速度的影响的研究认为，水泥水化反应越早，其碳化速度越小[9]。

但是经强度测试得出的结论完全相反。在碳化28天后，经测试两组的强度损失均很大，见图4。高温高湿养护条件下碳化后的残余强度仅为15.6 MP，标准养护条件下碳化后的强度为25.9 MP。对此，Elke等人的研究认为，掺加矿渣粉的混凝土抗碳化性能会减弱[10]；Ibrahim等人对养护方法的研究认为，提高养护的温度会降低混凝土的抗碳化性能[11]。相对标准养护，高温高湿养护条件下的残余强度要比其低39.7%。产生这种现象的原因主要有两方面，一方面，高强混凝土中掺有粉煤灰和矿渣，其水化产物主要有Ca(OH)2和CSH，这两种产物也是结合CO2的主要物质[12]，因此，温湿度越高，同等时间下，水化反应进行的越快越充分，产生的Ca(OH)2和CSH类物质也越多，结合和吸附CO2的能力越强；另一方面，正常环境条件下空气中的CO2浓度仅为0.03%左右，结构致密的高强混凝土在这种浓度条件下，碳化作用进行的非常缓慢，碳化20 mm的厚度需要数十载甚至上百年[13]。而试验所采用的是加速碳化的方法，CO2的浓度为20%，这大大提高了混凝土的碳化速度，致使碳化28天后，强度损失大半。

碳化后的两种测试方法虽然得出相反的结论，但两者并不矛盾。酒精酚酞溶液遇碱性物质变红色，遇其他物质不变色。混凝土的水化过程先产生Ca(OH)2等，之后二次水化反应产生CSH类物质，高温高湿养护条件下这两种反应都进行的较快，消耗的Ca(OH)2较多，产生较多的CSH类物质，这也与标准养护条件下的试件滴定酒精酚酞后红色较深相对应。CO2腐蚀扩散的过程中不仅与Ca(OH)2反应，还会与CSH发生化学反应，从而将混凝土内部结构破坏掉。这也说明对于掺加粉煤灰和矿渣粉等矿物掺合料的混凝土而言，酒精酚酞滴定测碳化深度并不灵敏，多种方法合并使用能提高试验结果的可靠性。

高温高湿养护使高强混凝土的结构更加致密从而在一定程度上阻止了CO2的进入，同时在养护过程中会产生相对较多的水化产物，这些水化产物具有较强的结合CO2的能力，或具有有利于CO2扩散的结构，进而削弱了高强混凝土的抗碳化能力，因此，其对高强混凝土的抗碳化能力是否有利不能确定。

图3 碳化深度值图4 残余强度对比图

4结论

高温高湿养护可以显著提高高强混凝土的早期性能，对其长期耐久性也有一定的改善作用：

(1)高温高湿养护能够促进高强混凝土内部一次和二次水化反应的进行，在提高早期强度的同时，也提高了其28天抵抗冻融破坏的能力；

(2)高温高湿养护在提高水化反应速率的同时也减少或阻断了高强混凝土的毛细孔隙，相对增加了其内部结构的致密程度，从而提高了高强混凝土的抗抗氯离子渗透性；

(3)高温高湿养护是否能够提高高强混凝土的抗碳化能力不能确定。

参考文献

[1]Basham K D.Hot weather affects fresh concrete[J].Concrete construction，1992(7):523-524.

[2]Gowripalan N，Sirivivatnanon V.Chloride diffusivity of concrete cracked in flexure[J].Cement and concrete research，2000，30(5)，725-730.

[3]Hale W M，Freyne S F，et al.Examining the frost resistance of high performance concrete[J].Construction and building materials.2009(23):878-888.

[4]邱玉深.对混凝土养护方法的思考与建议[J].混凝土与水泥制品，2009(2):5-9

[5]管家文.大型混凝土预制构件的快速养护法一高温高湿养护法[J].石油施工技术，1984(1):34-35.

[6]王迎春，颜金娥.不同养护条件下混凝土耐久性的研究[J].人民长江,2008，39(1):53-54，68.

[7]李梅.矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响综述[J].材料导报,2013，27(6):107-110.

[8]Kim H K，et al.Improved chloride resistance of high-strength concrete amended withcoal bottom ash for internal curing[J].Construction and Building Materials.2014(71):334-343..

[9]龙小梅.养护条件对混凝土耐久性的影响[J].建筑技术,1994，21(7):433-435.

[10] Elke G，et al.Carbonation of slag concrete:Effect of the cement replacement level and curing on the carbonation coefficient-Effect of carbonation on the pore structure[J].Cement and concrete composites.2013，35(1):39-48.

[11] Ibrahim M，et al.Effect of curing methods on strength and durability of concrete under hot weather conditions[J].Cement & Concrete Composites.2013(41):60-69.

[12] 蔡传国.混凝土养护方式对碳化深度影响的试验研究[J].市政技术,2008，26(2):149-151.

[13] 蔡传国.高龄混凝土表面碳化与应力腐蚀关系的调查与试验研究[J].混凝土，2007(6):4-6.

The Effect from Curing of High Temperature and High Humidity to Durability of High Strength Concrete

QIN Li，LI Min，DING Jing-nan

(Architectural Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：With the further development of research on concrete，the influence of different curing methods on long-term durability of concrete is also gradually be taken seriously.The requirement of curing condition on high strength concrete is more strict.The conservation of High temperature and high humidity as an important technology to improve the early strength of concrete，has the vital significance in the engineering application.Besides，it also has the certain effect on the long-term durability of concrete:The conservation of High temperature and high humidity can improve the resistance of freezing and Cl-1permeability on high strength concrete，but it can’t improve the ability to resist carbonization corrosion.

Key words：Curing of high temperature and high humidity；High strength concrete；Durability

中图分类号：TU528.31

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2016)01-0018-05

作者简介：秦力(1970-)，男，辽宁葫芦岛人，东北电力大学建筑工程学院教授，博士，主要研究方向：高性能混凝土与结构理论、输电线路工程研究.

收稿日期：2015-12-10