养护环境对水工长龄期混凝土强度增长规律的影响

姜顺龙,李春洪,郭文康

(1.云南省水利水电勘测设计研究院试,云南昆明650000；2.长江水利委员会长江科学院,湖北武汉430010)



养护环境对水工长龄期混凝土强度增长规律的影响

姜顺龙1,李春洪1,郭文康2

(1.云南省水利水电勘测设计研究院试,云南昆明650000；2.长江水利委员会长江科学院,湖北武汉430010)

摘要：研究了在标准养护环境和自然养护环境下,普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和掺粉煤灰硅酸盐水泥的长龄期混凝土抗压强度及其增长规律。结果表明：①自然环境下混凝土早期强度稍高于标准养护环境下混凝土强度,而后期强度则低于标准养护环境下混凝土的强度；②不同养护环境下的混凝土抗压强度与龄期关系均呈对数增长关系；③养护环境对硅酸盐水泥混凝土各龄期强度及其增长规律的影响稍大于矿渣硅酸盐水泥混凝土；④掺粉煤灰硅酸盐水泥混凝土具有早期强度较低,增长率较小,而后期强度增长速度快,至180 d龄期后仍有一定增长的特性。

关键词：养护环境；水工混凝土；标准养护；自然养护；长龄期；抗压强度

0引言

为避免由于温度变化产生膨胀或收缩变形而产生温度应力,导致大体积混凝土出现温度裂缝,一般采取掺入一定量的粉煤灰、磷渣或石灰石粉等掺合料或选用中热、低热或低热矿渣硅酸盐水泥等措施[1-2]。大体积混凝土一般具有早龄期(28d龄期之前)强度较低,后期强度增长率大的特点,为了充分发挥各种材料的特性并达到温控防裂的效果,水工大体积混凝土大多选择90、180d甚至360d等长龄期作为设计龄期。

混凝土的强度一般受多种因素的综合影响,如水泥品种、配合比、骨料粒径、施工工艺、外加剂、养护方法及环境等,其中养护制度对混凝土后期性能的发展有显著的影响[3]。国内外各学者的研究大多是控制或改变温度、湿度、风速等单因素的影响[4,5],而现实的自然环境中由于自然气候条件的复杂性和随机性,混凝土的性能受多种因素的交叉综合影响[6-8]。目前,在国内对于自然养护环境下对混凝土抗压强度增长规律的影响方面的研究相对较少,本文主要研究养护环境对普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥长龄期水工混凝土抗压强度增长规律的影响,旨在揭示其影响程度及影响规律。

表1混凝土试件配合比

配合比类型水胶比粉煤灰掺量/%外加剂品种减水剂掺量/%砂率/%坍落度/mm单位体积混凝土材料用量/kg水水泥粉煤灰砂小石中石常态混凝土0.50SFG0.840100～12026018208166186180.530SFG0.840100～12013018278816618618泵送混凝土0.450SFB0.841160～1801603560779566566

1原材料及试验方法

1.1原材料

试验原材料采用云南某公司生产的普通硅酸盐P·O42.5水泥、矿渣硅酸盐P·S·B32.5水泥；阳宗海电厂Ⅱ级粉煤灰；灰岩人工砂石料,其中人工砂细度模数为2.96,小石、中石级配满足要求；云南某公司SFG缓凝高效减水剂和SFB高效泵送剂等。

1.2试验方法

制作不同水泥品种的混凝土试件进行试验,具体为①普通硅酸盐P·O42.5水泥+Ⅱ级粉煤灰3～180d龄期混凝土强度试验；②矿渣硅酸盐P·S·B32.5水泥3～180d龄期混凝土强度试验。混凝土试件成型拆模后进行室内标准养护(养护温度控制在(20±3)℃,相对湿度95%以上)和自然养护(养护期内温度变化范围为8.0～25.0 ℃,相对湿度变化范围为32%～75%),然后测试试件抗压强度,比较标准养护与自然养护方法对长龄期混凝土强度的影响差异,研究养护环境对不同水泥品种水工混凝土长龄期强度增长的影响程度及规律。

2配合比参数

试验根据不同水泥品种的特性选择不同的水胶比,普通硅酸盐P·O42.5水泥和普通硅酸盐P·O42.5水泥+30%Ⅱ级粉煤灰混凝土试验组合选择水胶比为0.5,坍落度在100～120mm的二级配常态混凝土；矿渣硅酸盐P·S·B32.5水泥混凝土试验选择水胶比为0.45,坍落度为160～180mm的二级配泵送混凝土。具体配合比参数见表1。

3试验结果与分析

3.1普硅水泥长龄期混凝土试验

采用P·O42.5水泥、P·O42.5水泥+30%Ⅱ级粉煤灰混凝土2种试验组合,在不同养护环境下长龄期混凝土各龄期抗压强度试验结果见表2,各龄期抗压强度增长率见表3。不同养护环境下普通硅酸盐水泥长龄期混凝土抗压强度与龄期之间的关系曲线见图1,抗压强度增长率与龄期之间的关系曲线见图2。

表2不同养护环境下普通硅酸盐水泥长龄期混凝土强度试验结果

龄期/d不掺粉煤灰抗压强度/MPa标准养护自然养护掺30%粉煤灰抗压强度/MPa标准养护自然养护320.624.213.813.9729.632.319.519.22840.138.929.728.89045.343.238.336.518047.744.343.538.4

表3不同养护环境下普通硅酸盐水泥长龄期混凝土强度增长率

龄期/d不掺粉煤灰抗压强度增长率/%标准养护自然养护掺30%粉煤灰抗压强度增长率/%标准养护自然养护351.462.246.548.3773.883.065.766.728100.0100.0100.0100.090113.0111.1129.0126.7180119.0113.9146.5133.3

图1　不同养护环境下普通硅酸盐水泥长龄期混凝土抗压强度与龄期之间关系曲线

图2　不同养护环境下普通硅酸盐水泥长龄期混凝土抗压强度增长率与龄期之间关系曲线

从表2～表3试验结果可知,采用P·O42.5水泥,在自然养护环境下掺与不掺粉煤灰混凝土的3～7d龄期抗压强度均略高于标准养护环境,而在7d龄期之后标准养护环境下的混凝土各龄期抗压强度的增长率逐步赶超自然养护环境的强度增长率,因而标准养护环境下的后期强度均高于自然养护环境。

表4不同养护环境下普通硅酸盐水泥长龄期混凝土抗压强度及其增长率与龄期之间的关系

类别粉煤灰掺量/%标准养护关系式相关系数R2自然养护关系式相关系数R2抗压强度与龄期关系0RC=6.54ln(d)+15.60.967RC=4.77ln(d)+21.20.94830RC=7.28ln(d)+5.60.999RC=6.22ln(d)+7.40.992抗压强度增长率与龄期关系0GC=16.30ln(d)+39.00.967GC=12.27ln(d)+54.60.94830GC=24.5ln(d)+18.70.999GC=21.6ln(d)+25.50.992

导致自然养护环境下混凝土早龄期(3～7d)强度高于标准养护环境,后期(28～180d)则低于标准环境的原因主要是环境温度、湿度的差异。由于标准养护环境的温度和湿度是恒定的,而自然养护环境中的温度和湿度具有很大的随机性和不稳定性,水泥早期水化反应速度很快,自然环境下白天温度较高加速了水泥水化反应。此外,由于自然环境中空气湿度一般只有标准养护环境下的50%～60%,早期水泥的水化热量的释放需要消耗大量的水分,但因环境温度较高使得混凝土热量释放速度较慢,而混凝土内部温度则随之集聚后增加,进一步加速了水泥水化。因此,混凝土早期强度增长较快；而后期(28d后)由于置于自然环境中的混凝土试件内部水分已基本消耗完毕,自然环境中的相对湿度较低导致水泥混凝土仅能在试件表面局部范围能进一步水化,混凝土内部容易出现未水化完成的区域,因此,置于自然环境下的混凝土内部水泥水化的均匀性不如置于标准养护环境中的混凝土,导致其后期强度低于标准养护环境的强度。

由图1、图2可知,不同养护环境下掺与不掺粉煤灰混凝土的各龄期抗压强度及抗压强度增长率与龄期之间的增长关系相似,掺30%粉煤灰混凝土早龄期抗压强度和抗压强度增长率相对较低,后期抗压强度增长快,180d龄期抗压强度已达到或接近不掺粉煤灰混凝土,符合掺粉煤灰混凝土的强度增长规律。

利用最小二乘法对不同养护环境下普通硅酸盐水泥混凝土抗压强度与龄期之间的关系及抗压强度增长率与龄期之间的关系进行回归分析,结果见表4。从表4可知,不同养护环境下普通硅酸盐水泥长龄期混凝土抗压强度及其增长率与龄期之间呈对数增长关系,且相关关系显著,相关系数均在0.94以上。比较可知,标准养护和自然养护环境下掺30%粉煤灰混凝土抗压强度与龄期之间的关系比不掺粉煤灰混凝土抗压强度与龄期之间的对数增长关系的符合性更强。

3.2矿渣硅酸盐水泥长龄期混凝土试验

采用P·S·B32.5矿渣硅酸盐水泥在标准养护和自然养护2种养护环境下得到的水工长龄期混凝土抗压强度结果见表5。不同养护环境下矿渣硅酸盐水泥长龄期混凝土抗压强度及其增长率与龄期之间的关系曲线见图3。

表5不同养护环境下矿渣硅酸盐水泥长龄期混凝土抗压强度及其增长率试验结果

龄期/d抗压强度/MPa标准养护自然养护抗压强度增长率/%标准养护自然养护328.228.961.860.0736.137.879.278.42845.648.2100.0100.09054.554.2119.5112.418055.855.2122.4114.5

从表5可知,与普通硅酸盐水泥混凝土类似,3～28d龄期标准养护环境下的混凝土抗压强度均略低于自然养护环境下的抗压强度,90～180d龄期标准养护环境下的混凝土抗压强度略大于自然养护环境下的抗压强度。从抗压强度增长率来看,标准养护环境下各龄期的抗压强度增长率均大于自然养护环境下的强度增长率。

图3　不同养护环境下矿渣硅酸盐水泥长龄期混凝土抗压强度增长率与龄期之间关系曲线

由图3可知,标准养护和自然养护环境下矿渣硅酸盐水泥混凝土的各龄期抗压强度及抗压强度增长率与龄期之间的增长关系相似,与普通硅酸盐水泥相同均呈对数增长关系,自然养护环境下各龄期抗压强度增长率均略低于标准养护环境。

利用最小二乘法对不同养护环境下矿渣硅酸盐水泥混凝土抗压强度与龄期之间的关系及抗压强度增长率与龄期之间的关系进行回归分析,结果见表6。由表6可知,不同养护环境下矿渣硅酸盐水泥长龄期混凝土抗压强度及其增长率与龄期之间呈对数增长关系,且相关关系显著,相关系数均在0.96以上。

3.3胶凝材料的差异对长龄期混凝土强度的影响

通过对上述试验成果分析可知,标准养护环境和自然养护环境下改变水泥品种或掺入一定量的粉煤灰不会改变混凝土抗压强度及其增长率随龄期变化的增长规律,均呈对数关系增长。但由于水泥品种、粉煤灰等材料本身特性的影响,掺入粉煤灰后混凝土早龄期抗压强度较低,后期抗压强度增长率较大；相比之下,矿渣硅酸盐水泥混凝土90d龄期后的抗压强度增长率也稍大于普通硅酸盐水泥,养护环境因素对矿渣硅酸盐水泥的影响也相对较小。

4结论

(1)标准养护环境下长龄期混凝土早期抗压(3～7d)强度低于自然养护环境下的强度；标准养护环境下长龄期混凝土后期(28～180d)抗压强度则高于自然养护环境下的强度。

(2)不同养护环境下普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥土及掺粉煤灰混凝土抗压强度与龄期之间均呈对数增长关系,且对数关系符合性良好,相关系数均大于0.94。

(3)不同养护环境下矿渣硅酸盐水泥混凝土各龄期强度差异很小。因此,养护环境的差异对矿渣水泥混凝土强度影响稍小于普通硅酸盐水泥混凝土。

(4)受材料固有特性差异的影响,掺粉煤灰混凝土早期强度相对较低,后期强度增长快；矿渣硅酸盐水泥混凝土90d龄期后的强度增长率明显高于普通硅酸盐水泥混凝土。

参考文献：

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(责任编辑王琪)

收稿日期：2015- 07- 21

作者简介：姜顺龙(1960—),男,云南芒市人,高级工程师,主要从事水利工程质量检测工作；郭文康(通讯作者)．

中图分类号：TU528.42

文献标识码：A

文章编号：0559- 9342(2016)04- 0113- 04

InfluencesofCuringEnvironmentonStrengthGrowthRulesofLong-ageHydraulicConcrete

JIANGShunlong1,LIChunhong1,GUOWenkang2

(1.YunnanInstituteofWater&HydropowerEngineeringInvestigation,DesignandResearch,Kunming650000,Yunnan,China;2.ChangjiangRiverScientificResearchInstituteofChangjiangWaterResourcesCommission,Wuhan430010,Hubei,China)

Abstract:The compressive strength and its growth law of ordinary Portland cement concrete, ordinary Portland cement concrete with fly ash and slag Portland cement concrete under standard curing environment and natural curing environment are studied respectively. The results show that, (a) the strength of concrete in early age under natural environment is slightly higher than that under standard curing condition, but the latter strength is lower than that; (b) under different curing conditions, the relationship between the strength and age is in line with the logarithmic growth; (c) the effect of curing environment on the strength and its growth law of Portland cement concrete in each age is little more than that of slag Portland cement concrete; (d) the concrete early strength of Portland cement with fly ash is lower and its growth rate is also lower too, however, the later strength growth rate is faster, even to 180d age, there is still a certain growth．

Key Words:curing environment; hydraulic concrete; standard curing; natural curing; long age; compressive strength