低温(3 ℃)养护条件下不同水灰比混凝土细观孔结构及抗氯离子渗透性试验研究

段运,王起才,张戎令,张少华，徐瑞鹏

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)



低温(3 ℃)养护条件下不同水灰比混凝土细观孔结构及抗氯离子渗透性试验研究

段运,王起才,张戎令,张少华，徐瑞鹏

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

摘要:为研究低温(3 ℃)养护条件和水灰比对混凝土抗氯离子渗透性和细观孔结构的影响规律及程度，采用气孔分析法和直流电量法对低温(3 ℃)养护条件下和标准养护条件下的不同水灰比混凝土28 d细观孔结构和电通量进行测试。试验结果表明：低温(3 ℃)养护条件对不同水灰比混凝土孔径分布有显著影响，使其孔径粗化严重，大孔含量增多，小孔含量减少；气孔间距系数和平均孔径都明显大于对应标准养护条件下的混凝土，且都随着水灰比增大而增大，低温(3 ℃)对低水灰比混凝土平均孔径影响程度大，对高水灰比混凝土平均孔径影响程度小；不同水灰比混凝土28d电通量值也明显大于其标准养护条件下的混凝土，且随着水灰比增大，电通量值逐渐增大，抗氯离子渗透性逐渐减弱；低温对不同水灰比混凝土孔结构和抗氯离子渗透性都产生不利影响，使混凝土细观孔结构劣化，抗氯离子渗透性降低，且对低水灰比混凝土的影响程度大。

关键词：低温养护条件；水灰比；混凝土；孔结构；渗透性

混凝土是由水泥、骨料和水共同组成的复杂多相聚集体，内部是一个非常复杂的多孔体系。我国盐渍土面积大部分分布在西北地区，主要以氯盐和硫酸盐为主[1]。当混凝土结构物处于盐渍土中，环境中的氯离子就会渗透到混凝土中，而氯离子是造成钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的主要原因之一，氯离子会破坏高碱性混凝土环境中钢筋的钝化膜，致使钢筋锈蚀。钢筋混凝土结构物在强盐渍土环境中，2～5 a之内会发生钢筋锈蚀[2]，混凝土是钢筋最基本、直接的保护物，氯离子只有渗入到混凝土中，才能使钢筋发生锈蚀[3]，引起混凝土产生顺筋胀裂、层裂和剥落破坏，进而严重影响结构物使用功能及使用寿命[4]，因此提高混凝土抗氯离子渗透性是防止钢筋锈蚀最基本、最经济合理、最有效的措施。Abbas明确指出，混凝土渗透性高低主要取决于其内部连通孔的数量和渗透路径的曲折性[5]；刘军等[6]研究了混凝土微观孔结构对渗透性能的影响；杨明飞等[7]研究了复合外加剂对低温高性能混凝土抗渗性的影响；陈立军等[8]研究了混凝土孔径尺寸对其抗渗性的影响；Mehta等[9]认为，混凝土的渗透性不仅与孔隙率有关，孔径的分布和连通性更是其决定性因素，以上学者分别从不同的角度研究并推动混凝土抗渗性发展，但大部分研究都基于标准养护条件下的混凝土，对低温养护条件下的混凝土目前研究较少。我国北方地区进入冬期时间早，且持续时间长，日平均温度低于5 ℃时，进入冬期施工阶段，此时施工的钢筋混凝土结构的安全性及耐久性等问题都异于正常施工条件下。因此研究低温下混凝土的抗氯离子渗透性和细观孔结构有很大意义。本文以北方冬季施工为研究背景，对低温(3 ℃)养护条件下和标准养护条件下不同水灰比混凝土28 d抗氯离子渗透性和细观孔结构进行研究，分析低温养护条件和水灰比对混凝土的抗氯离子渗透性和细观孔结构的影响规律及程度，进而为我国北方地区冬期施工的工程提供理论依据。

1试 验

1.1试验方法

1.1.1抗氯离子渗透试验方法

电通量法试件在混凝土养护至28 d时钻芯取样，采用Φ100 mm×50 mm的圆柱体试件。试验前进行真空饱水，将试件放入真空容器中，5 min内将真空容器中的气压减少至(1～5)kPa，并保持该真空度3 h，然后在真空仍泵运作的情况下，注入足够的蒸馏水，液面高度将试件淹没，在试件浸没1 h后恢复常压，并继续浸泡(18±2)h。真空饱水结束后，分别将质量浓度为3%的NaCl溶液和摩尔浓度为0.3 mol/L的NaOH溶液注入试件两侧的试验槽中，且分别与电源的负、正极相连。试验时在试件轴向施加(60±0.1)V直流电压，记录电流初始读数I0，之后每30 min记录一次电流值，直至6 h结束。

1.1.2孔结构测试方法

本试验选用气孔分析(RapidAir型)对孔结构进行测试。按照ASTMC457规范，对养护28 d的混凝土试块切割成厚度为1～2 cm的试件，经打磨、抛光、利用宽头黑色记号笔涂黑试样表面,然后用粒径小于10 μm的白色碳酸钙或者硫酸钡粉末填充气泡，再用刀片除去表面多余粉末，待干燥后放入试验台进行试验。

1.2试验仪器和原材料

本试验仪器包括：环境模拟箱、标养室、氯离子多功能测定仪和RapidAir型气孔分析仪等。环境模拟箱有效尺寸长×宽×高为6 m×3.5 m×2.2 m。温度范围：-20～80 ℃，升/降温速率最大≥1 ℃/min，温度变化可实现温度荷载编程，温度波动度≤±0.5 ℃；温度均匀度≤2 ℃。湿度范围：10%～90%RH；湿度偏差±5%RH(≤75%RH)。

试验中水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，由兰州甘草水泥集团生产。水泥各项性能指标实测值见表1。

表1　P.O.42.5级硅酸盐水泥性能指标

粗骨料：碎石，连续级配，粒径范围5～26.5 mm，表观密度分别为2 810 kg/m3，压碎指标8.1%。

细骨料：河砂，细度模数为2.7，属于中砂，表观密度2 650 kg/m3，松散堆积密度1 690 kg/m3，紧密堆积密度1 860 kg/m3，含泥量2.3%。

减水剂：聚羧酸高性能减水剂。

试验所用的混凝土配合比见表2。

表2　混凝土配合比

1.3试验步骤

将原材料的各项指标测定完之后，依据混凝土配合比进行称料，之后通过搅拌、测量、入模等步骤，最终放置在2种养护条件下进行养护。混凝土搅拌时试验室温度为18 ℃，湿度为94%。不同水灰比下的混凝土由专用混凝土搅拌机一次搅拌完成。试块尺寸大小为150 mm×150 mm×150 mm，试模水平放置后灌入混凝土，经振动台振捣60 s后抹平表面。标准养护下的混凝土试块先在室内(1 d内平均气温为18 ℃)带模保水养护1 d，然后脱模放入标准养护室进行养护；低温(3 ℃)养护条件下的试块带模放入环境模拟箱中养护，养护过程采取保水措施，防止混凝土内大部分水分散失到空气中。混凝土试块在2种养护条件下养护至所需龄期时，依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》和ASTMC457规范对28 d的抗氯离子渗透系数和孔结构进行测试。

2试验结果与分析

2.1细观孔结构试验结果与分析

2.1.1孔径分布

图1～2分别为2种养护条件下不同水灰比混凝土孔径分布图。

由图1可以看出，标准养护条件下，3种不同水灰比混凝土大部分孔径分布在0～140 μm范围内，水灰比为0.24，0.31和0.38混凝土的气孔直径在此范围内的孔分别占总孔体积的85.92%，81.17%和79.46%。3种不同水灰比混凝土中气孔直径大于200 μm的孔含量较小，其中水灰比为0.24的混凝土在此孔径范围内占总孔体积的4.94%；水灰比为0.31的混凝土在此孔径范围内占总孔体积的9.37%。水灰比为0.38的混凝土在此孔径范围内占总孔体积的13.59%。说明标准养护条件下，随着水灰比的增大，出现频率最多孔向大孔径移动，小孔径孔含量减小，大孔径孔含量增加。这是由于水灰比的增大，致使混凝土中自由水的含量增多，相应的由于自由水迁移、泌出所造成的气孔含量相应的增多，相应孔径的孔含量增多，部分小孔连通合并成较大的孔，致使大孔数量增多。因此，随着水灰比的增大，混凝土变的更加不密实，大孔数量增多，气孔分布更不均匀。

图1　标准养护条件下孔径分布图Fig.1 Distribution of the pore of concrete at standard curing conditions

图2　3 ℃养护条件下孔径分布图Fig.2 Distribution of the pore of concrete at 3 ℃ curing conditions

低温(3 ℃)养护条件下，由图2可以得到，3种不同水灰比混凝土大部分孔径分布在0～180 μm范围内，较标准养护孔径范围扩大，孔径粗化明显。3种不同水灰比(0.24，0.31和0.38)混凝土中气孔直径大于200 μm的孔含量分别为10.91%，15.65%和19.57%，且为标准养护条件的2.21，1.67和1.44倍，相比标准养护条件下气孔含量都增大，但随着水灰比增大，大于200 μm的孔含量相对于标准养护条件下增大倍数的程度却逐渐减小。说明低温养护条件对3种不同水灰比混凝土的孔径分布有显著的影响，使混凝土中大孔径孔含量增多，小孔径孔含量减少，且低温养护条件对水灰比小的混凝土内部孔径分布影响程度大，对水灰比大的混凝土影响程度小。这是由于低温养护条件下，混凝土早期水化反应速率相比标养下要慢很多，致使混凝土内部存在较多的未参与水化的自由水，当混凝土达到一定强度以后，混凝土内部结构基本形成，这部分水分在混凝土结构中自然要占据一部分体积，相比较标准养护条件，此时未参与水化反应的自由水在混凝土内所占的体积较大，随着龄期增大，这部分自由水一部分继续参与水化反应，另一部分会迁移、泌出和蒸发，从而导致混凝土内相应孔径的气孔含量增加，并且部分孔会连通，使大孔含量增多。水灰比小的混凝土中，单位水泥颗粒周围的水含量少，早期水化反应慢，并且低温还会降低水化反应速率，使水化反应更慢，混凝土中未参加水化反应的自由水含量相对更多，从而导致混凝土大孔含量增大的程度最大，水灰比大的混凝土中，单位水泥颗粒周围的水含量多，早期水化反应快，水化放热量多，混凝土内温度升高，进一步加速水化反应，混凝土中未参加水化反应的自由水含量很少，因此混凝土大孔含量增大的程度最小。

2.1.2气孔间距系数与平均孔径

图3和图4分别为混凝土气孔间距系数和混凝土气孔平均直径。

图3　混凝土气孔间距系数Fig.3 Bubbles spacing factor of concrete

图4　混凝土气孔平均直径Fig.4 Average pore size

由图3可以看出，标准养护下，水灰比由0.24增大到0.31时，混凝土的气孔间距系数由0.129 mm增大到0.134 mm，增大约3.9%；水灰比由0.31增大到0.38时，混凝土的气孔间距系数由0.134 mm增大到0.143 mm，增大约6.7%，表明在标准养护条件下，随着水灰比的增大，气孔间距系数逐渐增大，这也是由于混凝土中大孔数量增多，气孔分布更不均匀导致。低温(3 ℃)养护条件下，0.24，0.31和0.38水灰比混凝土的气孔间距系数分别为0.135，0.139和0.150mm，是对应标准养护条件下的1.05，1.04和1.05倍，也就是说低温(3 ℃)养护条件下混凝土的气孔间距系数是标准养护条件下的1.05倍左右。说明低温养护条件下，3种不同水灰比混凝土气孔间距系数都要比标准养护条件下大，且随着水灰比的增大，气孔间距系数逐渐增大。

由图4可以得到，标准养护条件下，水灰比为0.24， 0.31和0.38的混凝土其平均孔径分别为101，154和181 μm，随着水灰比的增大，平均孔径呈增大的趋势，这是因为对于较小孔级的孔径范围内，低水灰比的孔体积较高水灰比的孔体积要大，而较大孔级的孔径范围内，低水灰比的孔体积较高水灰比的孔体积小。低温(3 ℃)养护条件下，水灰比为0.24，0.31和0.38的混凝土平均孔径分别为126，165和192 μm，分别为标养下的1.25，1.07和1.06倍，说明低温养护条件下，3种不同水灰比混凝土平均孔径都要比标准养护条件下大，且随着水灰比的增大，平均孔径逐渐增大，且低温对水灰比小的混凝土平均孔径影响最大，其原因与低温下孔径分布变化的原因一致。

2.2电通量试验结果与分析

2.2.1水灰比对氯离子渗透性的影响

图5为混凝土电通量。

图5　混凝土电通量Fig.5 Electric flux of concrete

由图5可以看出，在低温(3 ℃)养护条件下，水灰比由0.24增大到0.31时，电通量由1 787 C增大到1 973 C，增大约10%；水灰比由0.31增大到0.38时，电通量由1 973 C增大到2 450 C，增大约24%。表明低温(3 ℃)养护条件下，随着水灰比的升高，电通量逐渐提高，混凝土抗氯离子渗透性下降。这是因为低温养护条件下水灰比较大时，水化反应速率相对较快，过快的水化会使核心混凝土水化热较大，内外温差会引起混凝土内产生温度应力，而低温下早期混凝土强度又很低，当温度应力大于混凝土强度时，容易在混凝土内部形成一些微裂纹，并且由于温度较高，水的蒸发量和消耗量也会较大[10]，水灰比大的混凝土内自由水含量较大，散失和消耗的水就更多，水散失后在混凝土内留下孔隙，导致混凝土中各种孔径的孔数量都相应增多，连通孔隙也变多，平均孔径增加，混凝土内部结构变得不密实，导致混凝土抗氯离子渗透性下降[11]。并且由图4可以看出，随着水灰比的增大，混凝土的平均孔径呈现出增大的趋势，孔径分布逐渐向较大的孔径变化，大孔增多，都影响混凝土抗氯离子渗透性降低。由此可知，低温(3 ℃)养护条件下，低水灰比混凝土不仅有利于提高混凝土强度而且有利于提高混凝土抗氯离子渗透性，并且水灰比越大混凝土的抗氯离子性能下降越快。

2.2.2养护温度对氯离子渗透性的影响

在标准养护条件下，水灰比由0.24增大到0.31时，电通量由1 136 C增大到1 276 C，增大约12%；水灰比由0.31增大到0.38时，电通量由1 276 C增大到1 629 C，增大约28%，相对于低温(3 ℃)养护条件下其电通量的增长量都大，说明低温(3 ℃)养护条件下，随着水灰比的增加，电通量的增长量较标准养护条件下的小，混凝土的抗氯离子性能随水灰比增大而下降的程度变缓，在一定程度上有提高混凝土抗氯离子性能的作用，但不是主导作用，因为低温养护条件下3种水灰比混凝土电通量都比标准养护条件下大。

在低温(3 ℃)养护条件下，A1，A2和A3混凝土电通量分别为1 787，1 973和2 450 C，是对应标准养护条件下的1.57，1.54和1.50倍，也就是说低温(3 ℃)养护条件下混凝土的电通量是标准养护条件下的1.5～1.57倍，说明养护温度对混凝土的电通量影响显著，低温(3 ℃)使混凝土的抗氯离子渗透性变差。由于低温(3 ℃)养护条件下，混凝土内部水的黏滞性增大，水分子运动能力减弱，与水泥颗粒之间的碰撞减弱，水泥水化速率变缓，水化程度降低，致使混凝土强度降低，内部大孔数量增多，孔结构变得粗化和劣化，内部结构不密实，进而导致混凝土抗氯离子渗透性下降。

3结论

1)低温养护条件对不同水灰比混凝土的孔径分布影响显著，使混凝土孔径明显粗化，大孔径孔含量增多，小孔径孔含量减少，且对水灰比小的混凝土孔径分布影响程度大，对水灰比大的混凝土影响程度小。

2)低温(3 ℃)养护条件下不同水灰比混凝土气孔间距系数和平均孔径都比标准养护条件下大，分别为标准养护条件下的1.04～1.05倍及1.06～1.25倍；随着水灰比的增大，气孔间距系数和平均孔径都逐渐增大，与标准养护条件下规律一致；低温(3 ℃)养护条件对水灰比小的混凝土平均孔径影响大，对水灰比大的混凝土平均孔径影响小。

3)低温养护条件下，不同水灰比混凝土28 d的电通量比其标准养护条件下明显增大，为标准养护条件下的1.5～1.57倍，且随水灰比的减小，电通量逐渐减小，这与标准养护条件下的规律相同；低水灰比混凝土有利于提高混凝土抗氯离子渗透性，且水灰比越大混凝土的抗氯离子性能下降越快。

4)养护条件及水灰比对混凝土的孔结构和抗氯离子渗透性均有显著影响，低温养护条件对混凝土孔结构和抗氯离子渗透性都产生不利影响，且对低水灰比混凝土的孔结构影响较大。

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Research on theeffect low temperature (3 ℃) curing condition and various water-cement ratio have on theresistance to chloride ions penetration and mesoscopic structure of concrete DUAN Yun,WANG Qicai,ZHANG Rongling,ZHANG Shaohua,XU Ruipeng

(College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Abstract:In order to study the influence rule and degree of the chloride penetration resistance and mesoscopic structure of concrete, stomatal analysis method and DC power law are adopted in this research. These two methods are used to measure the mesostructure and DC value of the concrete with different water-cement ratio cured 28 days under low temperature (3 ℃) and standard curing condition. The result shows that: the effect on concrete pore size distribution is obvious with low temperature (3 ℃) curing condition on the different water-cement ratio of concrete. When the aperture is seriously coarsened, the coarse pore increases apparently, and the number of mesoscopic pore decreased. Pore spacing factor and average pore diameter were significantly greater than the corresponding concrete standard curing conditions, and it goes larger with a higher water-cement ratio. But under the condition of low temperature (3 ℃), it behaves a relatively higher effect on the average pore diameter of concrete with a lower water-cement ratio and lower effect on it with a relatively higher water-cement ratio. The DC value is higher on concrete with different water-cement ratio cured 28d than it is cured under standard curing conditions. Besides, the DC value goes higher as the increase of water-cement ratio, and the chloride penetration resistance decreases at the same time. Low temperature has negative effect both on concrete pore structure with different water-cement ratio and the chloride penetration resistance. It leads to the degradation of concrete mesoscopic structure and the decrease of permeability.The effect of low temperature on concrete with lower water-cement ratio is also higher.

Key words：low temperature curing condition; water-cement ratio; concrete; pore structure; penetrability

中图分类号：TU528

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0648-06

通讯作者：王起才(1962—)，男，河北晋州人，教授，博士，从事工程新材料、混凝土结构以及耐久性方面的研究；E-mail：13909486262@139.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51268032);长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT1139)；西北干寒地区材料与结构耐久性研究基金项目

收稿日期：2015-07-22