－3℃养护对混凝土抗压强度及孔结构的影响

张乘波

（兰新铁路新疆有限公司，新疆乌鲁木齐830011）

－3℃养护对混凝土抗压强度及孔结构的影响

张乘波

（兰新铁路新疆有限公司，新疆乌鲁木齐830011）

为了研究不同水灰比下混凝土的孔结构与强度之间的关系，测试了-3℃养护及标准养护条件下不同水灰比时混凝土孔结构的分布规律及强度变化规律。结果表明，在2种养护方式下，随着水灰比的增大，混凝土的气泡间距系数、气泡平均孔径、硬化后混凝土的孔隙率均逐渐增大，气泡的比表面积逐渐减小；在相同水灰比标准养护条件下混凝土的气泡间距系数、气泡平均孔径、硬化后混凝土的孔隙率及气泡比表面积均小于-3℃养护条件下；抗压强度随着水灰比的增大而逐渐减小。

水灰比；孔结构；强度；分布规律

孔结构是材料的微细结构，孔结构性能是现代材料学的核心内容［1］。混凝土孔结构非常复杂且高度不均匀，决定了其十分复杂的宏观性能。研究和掌握混凝土各组分孔结构和性能的关系及其相互联系，对混凝土各项宏观性能的研究十分有益［2］。混凝土性能的破坏主要是由于孔结构的破坏造成的，在微观结构对混凝土力学性能影响的研究中，大量工作主要集中在混凝土孔隙率、孔径分布对混凝土强度影响的研究上［3-5］。郭剑飞［6］通过建立细观结构孔结构与强度之间的相关模型联系，说明了混凝土材料孔结构的孔隙率与孔级配对混凝土强度的影响；韦江雄等［7］建立了分形模型来模拟水泥浆体的空间结构，在此基础上推导出了孔体积分形维数D、孔隙率P与孔径分布的关系式；杨淑雁等［8］采用压汞法、光学显微镜法、显微硬度仪、扫描电子显微镜的手段分别对高性能混凝土的孔结构和界面过渡区进行了测试，研究了引气剂对高性能混凝土显微结构的影响；姚晓等［9］根据Powers理论模型，通过引入相对水化程度及选定油井水泥石的本征强度参数，结合Balshin方程和Schiller方程，建立了低温条件下油井水泥石孔结构和抗压强度的数学模型。目前来看，主要对混凝土孔结构与性能方面、孔结构与强度的关系研究较多［10-12］，但对于不同水灰比持续负温下混凝土孔结构之间的变化规律研究甚少，特别是持续负温下混凝土微观孔结构与力学性能之间的关系，国内几乎没有研究。本文主要研究了持续负温养护28 d时混凝土的孔结构与力学性能之间的关系，并对比其与标准养护条件下混凝土性能之间的差异，为多年冻土区混凝土的养护奠定了基础。

1　试验方法

1.1原材料及配合比

混凝土由水泥、水、矿物掺合料、砂、石等物质组成。水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，技术指标满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）的要求；水为符合国家规范标准的饮用水；细骨料为细度模数2.1，含泥量0.65%的细砂；粗骨料为颗粒级配5～31.5 mm的碎石，压碎指标为4.75%；矿物掺合料按m粉煤灰∶m矿粉=1∶1配合而成，技术指标均满足《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T 18736—2002）的要求；减水剂为北京建筑工程研究院生产的AN4000聚羧酸减水剂；引气剂为液体SJ-2型引气剂，技术指标满足《混凝土外加剂应用技术规范》（GB 500119—2003）的要求。混凝土配合比见表1。

各水灰比下新拌混凝土的坍落度至少为150 mm，扩展度至少为450 mm，流动性好。新拌混凝土黏聚力较好，没有分层和离析现象，保水性也较好。

1.2强度测试方法

养护条件为-3℃养护及标准养护。新拌混凝土配好后，一部分直接放入-3℃大气模拟箱内带模养护，5 d后脱模，脱模后再次放入-3℃大气模拟箱；另一部分先放入标准养护室，1 d后脱模再次放入20℃的标准养护室内养护。按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）进行混凝土立方体抗压强度试验。试件为150 mm×150 mm×150 mm的立方体，3块为1组，按相应养护条件养护至7，28，84 d后，在压力试验机上进行力学性能试验。

表1　混凝土配合比

1.3孔结构测试方法

将养护28 d的立方体混凝土试块切割成10～20 mm厚的试件，经打磨、喷涂荧光剂后，放入试验仪器中测试。在测试软件中，输入混凝土测试范围、水灰比等参数，并用模板标定尺寸后，由硬化混凝土气孔结构分析仪自动采集数据［13］。

硬化混凝土气泡特征参数计算公式为：

平均气泡面积α=S/N

孔隙率AS=100nα

气泡间距系数

式中：S为累计气泡面积；N为气泡个数；n为单位面积内气泡数；Si为气泡面积；P为水灰比。

2　试验结果分析

2.1强度试验结果及分析

-3℃和标准养护条件下不同水灰比混凝土的抗压强度随龄期增长的变化规律见表2。可见，标准养护条件下混凝土A-1在养护龄期为7，28及84 d时的抗压强度分别为52.6，65.0及75.8 MPa，混凝土的抗压强度随着龄期的增长而增大。在-3℃养护条件下，混凝土A-1在养护龄期为7，28及84 d时的抗压强度分别为35.7，54.9及64.7 MPa，混凝土的抗压强度亦随着龄期的增长而增大，这是由于随着龄期的增长水化产物增多，使得混凝土的强度增大。但是由于负温养护时混凝土的水化速率相对减缓，致使水化产物减少，因此-3℃养护条件下混凝土的抗压强度小于标准养护条件下混凝土的抗压强度。标准养护28 d时混凝土A-1，B-1及C-1的抗压强度分别为65.0，55.0及47.0 MPa，-3℃养护28 d时混凝土A-1，B-1及C-1的抗压强度分别为54.9，45.9及34.7 MPa。在标准养护及负温养护条件下混凝土抗压强度随着水灰比的增大而减小。

表2　混凝土的强度

图1　不同水灰比下混凝土的气泡间距系数

2.2孔结构试验结果及分析

2.2.1混凝土的气泡间距系数试验结果分析

标准养护及-3℃养护条件下龄期28 d时不同水灰比下混凝土气泡间距系数的变化规律见图1。可见，在标准养护下，A-1的气泡间距系数为0.053 mm，A-2及A-3的气泡间距系数分别为0.065及0.076 mm，分别为A-1的气泡间距系数的1.226倍及1.434倍。-3℃养护条件下，A-1的气泡间距系数为0.121 mm，A-2及A-3的气泡间距系数分别为0.137及0.154 mm，分别为A-1的气泡间距系数的1.132倍及1.273倍。可见在2种养护方式下，随着水灰比的增大，混凝土的气泡间距系数在逐渐增大；在相同水灰比下，混凝土A-1，A-2，A-3标准养护条件下气泡间距系数分别是-3℃养护条件下的0.438倍、0.474倍、0.494倍。在相同水灰比标准养护下混凝土的气泡间距系数要小于-3℃养护条件下，这是由于在-3℃养护条件下混凝土的水化速率要小于标准养护条件下，混凝土的水化产物会减少，导致混凝土的气泡间距系数要大于标准养护条件下。

2.2.2混凝土的气泡平均孔径试验结果分析

标准养护及-3℃养护条件下28 d龄期时不同水灰比下混凝土气泡平均孔径的变化规律见图2。可见，在标准养护条件下，A-1，A-2及A-3的气泡平均孔径分别为0.034，0.042及0.051 mm，混凝土的气泡平均孔径随着水灰比的增大而逐渐增大。在-3℃养护条件下，A-1，A-2及A-3的气泡平均孔径分别为0.075，0.086及0.096 mm，混凝土的气泡平均孔径随着水灰比的增大而逐渐增大，与上述不同水灰比下混凝土气泡间距系数的变化规律相同。在相同水灰比下，混凝土A-1，A-2，A-3标准养护条件下气泡平均孔径分别为-3℃养护条件下的0.453倍、0.488倍、0.531倍。标准养护条件下混凝土的气泡平均孔径要小于-3℃养护条件下，且随着水灰比的增大，两者之间的比值在逐渐增大。

图2　不同水灰比下混凝土的气泡平均孔径

2.2.3混凝土的孔隙率试验结果分析

标准养护及-3℃养护条件下28 d龄期时不同水灰比下硬化后混凝土孔隙率的变化规律见图3。A-1标准养护条件下28 d时硬化混凝土的孔隙率为3.3%，-3℃养护条件下硬化后混凝土的孔隙率为4.5%，前者比后者减少了1.2%。A-2标准养护条件下28 d时硬化混凝土的孔隙率为3.9%，-3℃养护条件下硬化后混凝土的孔隙率为5.0%，前者比后者减少了1.1%。A-3标准养护条件下28 d时硬化混凝土的孔隙率为4.4%，-3℃养护条件下硬化后混凝土的孔隙率为5.3%，前者比后者减少了0.9%。由此可知，标准养护条件下硬化后混凝土的孔隙率要小于-3℃养护条件下，且两者之差随着水灰比的增大变化不大。由表1和图3可知，在标准养护条件下A-1，A-2及A-3硬化后混凝土的孔隙率相比新拌混凝土的孔隙率分别增加了2.5%，2.5%及2.9%，在-3℃养护条件下A-1，A-2及A-3硬化后混凝土的孔隙率相比新拌混凝土的孔隙率分别增加了3.7%，3.6%及3.8%。2种养护方式下，随着水灰比的增大，硬化后混凝土的孔隙率与新拌混凝土的孔隙率变化幅度基本一致。

2.2.4混凝土气泡的比表面积试验结果分析

标准养护及-3℃养护条件下28 d龄期时不同水灰比下混凝土气泡比表面积的变化规律见图4。可见，在标准养护条件下A-1的比表面积为24.23 mm-1，A-2及A-3的比表面积分别为20.18 mm-1及16.65 mm-1，分别为A-1的比表面积的0.833倍及0.687倍。-3℃养护条件下，A-1的比表面积为31.37 mm-1，A-2及A-3的比表面积分别为26.67 mm-1及22.7 6 mm-1，分别为A-1的比表面积的0.85倍及0.726倍。由此可知，不同水灰比-3℃养护下混凝土比表面积要大于标准养护下，且随着水灰比的增大，混凝土的气泡比表面积逐渐减小。

图3　不同水灰比下混凝土的孔隙率

图4　不同水灰比下混凝土的比表面积

3　结论

1）相同龄期下，-3℃养护条件下混凝土的抗压强度小于标准养护条件下，且在2种养护方式下混凝土的抗压强度随着水灰比的增大逐渐减小。

2）在2种养护方式下，随着水灰比的增大，混凝土的气泡间距系数在逐渐增大，混凝土的气泡平均孔径逐渐增大，硬化后混凝土的孔隙率逐渐增大，气泡的比表面积逐渐减小。

3）在相同水灰比，标准养护条件下混凝土的气泡间距系数、气泡平均孔径、硬化后混凝土的孔隙率及气泡比表面积均小于-3℃养护条件下。

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（责任审编李付军）

Discussion of－3℃Cure Temperature on Concrete Compressive Strength and Its Pore Structure

ZHANG Chengbo
（Lan-Xin Railway Xinjiang Co.，Ltd.，Urumqi Xinjiang 830011，China）

In this paper，the influence of water-cement ratio on the relationship between concrete pore structure and strength was studied.T wo different cure environments were compared：at-3℃and standard curing.T he results indicate that bubble hole spacing coefficient of concrete，concrete bubble average pore diameter and porosity of the concrete increase as the water-cement ratio goes up，but the bubble surface area decreases in these two cases.By comparison，the values of the four parameters mentioned above are less in the case of standard curing，given the same water-cement ratio.As the water-cement ratio increases，concrete compressive strength decreases gradually.

W ater-cement ratio；Pore structure；Strength；Distribution

TU528.31

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.36

1003-1995（2016）10-0136-04

2016-03-27；

2016-05-15

国家自然科学基金（51268032）

张乘波（1963—），男，高级工程师。