养护条件对混凝土毛细吸水性能的影响

程宝娟，王立成，鲍玖文，马海军

(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024)



养护条件对混凝土毛细吸水性能的影响

程宝娟，王立成，鲍玖文，马海军

(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024)

养护条件对混凝土的硬化过程和微观孔隙结构的形成具有重要影响，而混凝土的毛细吸水性能与材料自身的孔隙结构及分布密切相关。开展了养护条件(标准、自然、浸水和密封养护)对混凝土毛细吸水性能影响的试验研究。对从混凝土方形板试件取出的圆柱体进行了抗压强度试验，并对沿圆柱体高度方向上等厚度切割成的3个“圆饼”试件，分别进行了超声波速和孔隙率两种指标的测试。为了实现吸水观测的连续性，利用改进的混凝土吸水测重法试验装置，开展了不同养护条件下“圆饼”试件的毛细吸水试验。试验结果发现，养护条件对混凝土的抗压强度、超声波速和孔隙率具有较大影响，是决定养护过程中强度发展和内部孔隙结构及密实性的关键因素。标准养护下强度和超声波速最大，孔隙率最小；密封养护下强度和超声波速最小，孔隙率最大；自然和浸水养护试验结果接近，介于标准和密封养护两者之间。相同养护条件下，混凝土由上到下不同位置的累积吸水量、初始吸水率和孔隙率逐渐降低，超声波速则逐渐增大，说明混凝土由上到下不同位置的密实度逐渐增大。

养护条件； 毛细吸水； 累积吸水量； 吸水率； 超声波速； 孔隙率

混凝土的养护条件决定着水泥的硬化过程和孔隙的微观结构，影响混凝土的力学性能和耐久性[1-2]。混凝土的毛细吸水性能是表征混凝土耐久性能的重要指标之一，主要与材料自身的孔隙结构及其分布密切相关，养护条件进而影响着混凝土的毛细吸水过程。水作为侵蚀性介质迁移的载体，主要通过孔隙液体表面张力产生的毛细吸附侵入混凝土材料内部，是引起钢筋混凝土结构膨胀、开裂以及钢筋锈蚀的主要原因[3-4]。因此，对不同养护条件下混凝土毛细吸水性能的研究，可为混凝土结构使用寿命和耐久性评估提供理论依据。

目前，许多学者已经开展了养护条件对混凝土材料性能影响的相关研究[1-2,5-10]，例如：C.Tasdemir[1]通过传统测重法开展了不同养护条件下混凝土吸水试验，结果表明，养护条件对低强度混凝土吸水率的影响较为明显；试件在自然养护下吸水率随抗压强度的增加而减小，浸水养护下混凝土吸水率随抗压强度的增加基本保持不变。李美利等[2]对不同粉煤灰掺量混凝土试件，进行了自然环境、水中养护和薄膜覆盖3种养护条件下表面吸水率和表层电阻率的试验研究，发现表面吸水率可用于早期混凝土养护效果的评价，吸水率对粉煤灰掺量较为敏感。柴苗等[7]通过标准和蒸汽两种养护下不同矿物掺量轻骨料混凝土的吸水性试验发现，蒸汽养护下轻骨料混凝土的前期吸水率小于标准养护，且粉煤灰掺量影响着轻骨料混凝土的吸水性。但是，试验室中的操作环境和施工现场的条件相差很大，采用试验室条件测试的混凝土力学性能(或耐久性指标)往往无法代表实际结构中的混凝土，另一方面，由于试验装置、不同试验方法以及人为试验误差等因素的局限，目前的研究中，养护条件对混凝土毛细吸水性能和力学性能影响的定量分析相对较少。

养护方式对混凝土的孔隙结构形成与分布有显著影响，通常采用孔隙尺寸、孔隙连通性、粗糙度以及孔隙率来描述混凝土的孔隙结构，一般认为孔隙率是影响混凝土的最主要参数[5- 6]，而超声波无损检测可反映混凝土材料的性能和内部结构缺陷情况。研究[7-10]表明，养护条件影响着混凝土表层约30 mm以内的区域，在该区域内混凝土性能受养护条件的影响非常显著，而远离此表面区域范围的混凝土性能则不易受到影响。为了探究养护条件对混凝土毛细吸水性能的影响规律，以及实现混凝土累积吸水量观测的连续性，本文利用改进的混凝土吸水测量装置，开展标准、自然、浸水和密封4种养护条件下混凝土的毛细吸水试验。从混凝土试件的抗压强度、吸水率、孔隙率和超声波速4种指标出发，定量分析不同养护条件对混凝土毛细吸水性能的影响规律。

1 混凝土的毛细吸水

水分在非饱和混凝土中的传输主要取决于表面张力产生的毛细吸附作用，可用扩展的Darcy定律来描述[11]。一定时间内，由混凝土毛细吸水引起的累积吸水量为：

(1)

式中：i为混凝土单位横截面积上的累积吸水量(mm)；t为吸水时间(min)；S为混凝土的吸水率，表示与水接触时的吸水速度；b为i轴截距。C.Hall[11]通过试验发现：当忽略水化反应,由试验得到的吸水率并不符合t1/2的直线定律，而存在一定的偏差，这主要是与水源接触瞬间，试件表面孔隙被快速填充引起。按照一定时间间隔，根据毛细吸水试验水分质量的变化，可按下式计算累积吸水量i[12]：

i=Δm/(ρwAc)

(2)

式中：Δm为某一时刻对应的试件累积吸水质量(g)；ρw为水的密度(g/mm3)；Ac为切割试块的横截面面积(mm2)。利用混凝土完全干燥和饱和状态下质量差来计算混凝土的孔隙率φ：

φ=(ms-md)/(ρwVc)

(3)

式中：md，ms分别为混凝土试件完全干燥状态和吸水饱和状态时的质量；Vc为试件体积。

2 试验研究

2.1 原材料与试件配合比

试验采用的材料主要有：P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，细度模量为2.67、表观密度为1 450 kg/m3的天然中砂作为细骨料，粗骨料采用连续级配的天然花岗岩碎石，粒径5～20 mm，面干吸水率为0.15%，砂石在浇筑前充分晒干。拌合水为饮用水。按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)中的要求设计并计算配合比，试件配合比为水泥410 kg/m3，粗骨料1 195.05 kg/m3，细骨料589.05 kg/m3，水205 kg/m3，水胶比0.5，砂率33% 。

2.2 试件制备及养护条件

本试验采用木模浇筑尺寸为500 mm×500 mm×120 mm的混凝土板，在标准养护室养护24 h后拆掉木模，并分别置于4种养护环境进行养护(如表1)。考虑到实验室中混凝土的养护质量与实际施工现场的差异，试验分别采用室外自然环境、浸水和密封3种养护条件与标准养护进行对比。

表1 混凝土试件的养护条件及抗压强度

Tab.1 Curing conditions and compressive strengths of concrete specimens

养护类型养护条件试件抗压强度/MPa标准养护温度(20±3)℃,湿度90%以上环境39.96自然养护自然环境下洒水养护((12±3)℃)33.36浸水养护自然环境下浸在水中养护((12±3)℃)31.03密封养护用塑料薄膜密封防止水分蒸发,置于自然环境下养护((12±3)℃)28.16

2.3 抗压强度、孔隙率和超声波速测试

养护28 d后，按照图1所示混凝土板中位置，采用钻芯机钻取直径为100 mm的圆柱体，并对每一种养护条件下的混凝土板分别随机取出3个圆柱体试件进行抗压强度试验，其强度平均值如表1所示。可见，不同养护条件对混凝土强度有显著影响。室外自然、浸水和密封3种养护条件下的混凝土试件抗压强度均小于标准养护条件，自然和浸水养护的混凝土抗压强度较为接近，但均高于密封养护条件，说明混凝土保持充足水分和适宜温度有利于水泥充分水化，其抗压强度较大；与林鹏等[14]关于自然和标准养护条件下混凝土抗压强度对比分析的变化规律一致。在自然和浸水养护条件下，由于养护温度较低，使得水化速率降低，强度发展缓慢。R.Alizadeh等[15]认为混凝土抗压强度随着湿养护时间的延长而增加；而本试验也发现密封养护条件下抗压强度最小，主要原因是由于密封养护下没有外来水分提供，水泥只能依靠自身拌合水进行水化，造成混凝土内部相对湿度较低，使得水化速率减缓。

将取出的其余圆柱体试件，沿厚度方向等距离切割为表层(T)、中层(M)和下层(B)3个位置的“圆饼”试件(如图1所示)，并对试件浇筑面及底面打磨处理，以避免对混凝土孔隙率和超声波速测试的影响。对不同养护条件下的“圆饼”试件进行饱水(进一步保证试件中水泥充分水化)、干燥处理，待其前后两次试件质量不发生变化为止(质量误差为±1 g),分别称得完全干燥和饱和状态下质量为md和ms，利用式(3)计算混凝土试件的孔隙率φ。

超声波速(UPV)测试的主要原理是由脉冲发射器发射超声波脉冲，通过发射和接收传感器，测量脉冲传输时间。采用54 kHz的超声波频率和探头直径为50 mm的发射器和接收器。为防止因试件表面不平整和与探头接触有空隙而导致测试的超声波衰减，试验时采用黄油作为超声波探头和试件接触面之间的耦合剂，对每个“圆饼”试件选取5个测点进行超声波速测试，最后将其测试结果取平均值，试验装置和测点布置如图2所示。

图1 混凝土试件浇筑与成型(单位：mm)Fig.1 Casting and molding of specimens (unit:mm)

图2 超声波脉冲速率检测装置Fig.2 Measurement setup for ultrasonic pulse velocities

2.4 毛细吸水试验

为保证混凝土毛细吸水的一维传输，利用环氧树脂密封“圆饼”试件侧面。待凝固干燥后，放入105 ℃的干燥箱中烘干，直至试件重量不再发生变化为止(干燥时间约为24 h)。采用试件切割面作为吸水面，排除非切割面的粗糙不平整对吸水率的影响，并保证了吸水条件的一致性。基于连通器原理，利用改进的毛细吸水试验装置(如图3)，可避免传统测重法人为擦拭试件所带来的误差。试验装置的组成主要包括：水箱、支架、密封圈及密封螺栓、注水漏斗及控制阀、水平观测管等。密封螺栓的作用是使上部环形板压紧橡胶密封环，使密封环与试件侧面贴紧，保证水箱内部与外部隔绝，水分不外渗；支架用来保证试件底面距离液面上部的高度(不大于3～5 mm)。将带刻度的尺子与内径为4 mm的水平观测管粘结，按照ASTM C 1585—2004标准中规定的时间间隔来记录观测混凝土毛细吸水的位置变化[12]。每种养护条件下，随机选取3组“圆饼”试件(表、中和下层)开展毛细吸水试验，根据水平观测管中水柱长度变化，取3组试件的平均值，利用式(2)计算试件的累积吸水量i。

图3 改进的毛细吸水试验装置Fig.3 Improved test setup for capillary absorption

3 试验结果与分析

3.1 超声波和孔隙率分析

早期养护条件对混凝土水泥水化程度影响显著，水泥水化程度高低进而会影响混凝土弹性模量和密实度。图4给出了4种养护条件下混凝土不同位置处的超声波速和孔隙率。

图4 不同养护条件下试件的超声波速和孔隙率Fig.4 Ultrasonic pulse velocities and porosity of specimens under different curing conditions

由图4(a)可见，室外的自然、浸水和密封3种养护条件的超声波速明显小于标准养护，特别是密封养护下其下降幅度约为8%。自然和浸水养护下，混凝土超声波速大小接近，约为标准养护下超声波速的96%。在相同养护条件下，不同位置“圆饼”试件的超声波速大小均为表层波速大于中层，中层大于下层，主要原因是由于混凝土浇筑振捣时，水泥浆体与骨料发生离析，主要提供强度的粗骨料下沉，导致下层的弹性模量较大，水灰比沿高度呈梯度分布，由上到下依次减小，表层分布较多的水泥浆体，弹性模量相比于下层较小；另外，在自然环境养护过程中表层混凝土水分易蒸发，使得混凝土内部相对湿度沿高度呈梯度分布，由上到下依次增大，上层相对湿度的下降致使水泥水化程度下降，弹性模量降低。

由图4(b)可知，不同养护条件和试件位置对混凝土孔隙率具有一定影响。表层混凝土：密封养护的孔隙率最大，自然和浸水养护的孔隙率接近，且都大于标准养护。中间层混凝土：4种养护条件孔隙率较为接近。底层混凝土：标准养护孔隙率均大于其他3种养护条件。试件不同位置处孔隙率的关系为φT>φM>φB，尤其在密封养护条件下，表层混凝土孔隙率超出下层混凝土27%。这是因为浇筑振捣过程中产生一定程度的离析泌水现象，水灰比沿试件高度呈梯度分布，表层相对水灰比较大，导致游离水增加，水化形成的晶体、凝胶体和水泥颗粒减少，养护期间游离水蒸发，留下孔隙，使得混凝土孔隙率增大。

由以上分析可见，孔隙率与超声波试验结果呈现出一定的相关性(如图4(c)所示)，4种养护条件下混凝土超声波速均随着孔隙率增大而减小，其中，标准养护条件下两者关系尤为显著。

3.2 吸水率分析

按照ASTM C1585—2004标准，利用改进的吸水测量装置，测得不同养护条件、不同位置处的累积吸水量与吸水时间的关系曲线如图5。标准养护条件下表层、中层和下层的累积吸水量接近；自然养护下累积吸水量由表层到下层呈现均匀下降趋势；浸水和密封养护条件下表层和中层的累积吸水量接近，与下层累积吸水量相差较大，一方面可能是试件浇筑振捣过程中发生离析泌水现象，导致下层孔隙率减小；另一方面可能是试验过程中的读数误差和试验装置本身的局限性导致测量误差。不同位置“圆饼”试件的累积吸水量关系表现均为iT>iM>iB，主要与混凝土孔隙率φ密切相关。Yang等[13]指出混凝土毛细吸水过程表现为两个阶段：一是表面区域毛细孔快速吸水的初始阶段；二是长期的表面张力作用下材料内部非贯通孔隙的缓慢吸附。从图中可发现，当“圆饼”试件刚接触水时，混凝土的累积吸水量显著增加。随着吸水时间的延续，累积吸水量曲线i-t1/2的斜率逐渐变缓。

图5 不同养护条件试件的累积吸水量Fig.5 Cumulative water content of specimens under various curing conditions

根据不同养护条件下累积吸水曲线表现的双线性变化，采用式(1)对两阶段曲线线性拟合，图6给出了不同位置、不同养护条件的初始吸水率(S1)和后期吸水率(S2)。从图中可见，在相同养护条件下，初始吸水率(S1)明显大于后期吸水率(S2)；S1和S2的方差变化较大，可能原因是试件浇筑振捣不均匀，读数误差及试验误差等因素造成的。不同位置处吸水率有明显差异，初始吸水率的变化关系为S1T>S1M>S1B，与试件孔隙率变化规律一致，下层混凝土的平均初始吸水率比表层混凝土低48%，而后期吸水率(S2)变化规律不明显。4种养护条件的初始吸水率变化差异较小，而后期吸水率变化幅度较大，其中，标准养护条件下后期吸水率(S2)较大。排除表层泌水和骨料下沉等因素的影响，可知中层混凝土的吸水率可较真实地反映该类混凝土实际吸水性能。

图6 不同养护条件试件的初始和后期吸水率Fig.6 Initial and secondary absorption of concrete specimens under various curing conditions

4 结 语

利用改进的混凝土毛细吸水测量装置，开展了标准、自然、浸水和密封4种养护条件对混凝土毛细吸水性能影响的试验研究。通过试件的抗压强度、吸水率、孔隙率和超声波速4种指标，分析了不同养护条件对混凝土毛细吸水性能的影响规律，得到的主要结论如下：

(1)养护条件对混凝土抗压强度影响显著，其圆柱体的抗压强度值高低顺序依次为标准、自然、浸水和密封养护条件，而自然与浸水养护下强度值接近。

(2)相同养护条件下，不同位置处的超声波速和孔隙率的大小关系均为表层大于中层，中层大于下层，这表明超声波速和孔隙率之间呈一定负相关关系，即4种养护条件下超声波速均随着孔隙率的增大而减小。自然和浸水养护下，混凝土超声波速接近，约为标准养护下超声波速的96%。

(3)4种养护条件下混凝土的吸水率均呈明显的双线性变化，且初始吸水率(S1)明显大于后期吸水率(S2)；4种养护条件的初始吸水率变化差异较小，而后期吸水率变化较大。相同养护条件下，从浇筑面到底部不同位置处累积吸水量和初始吸水率均随孔隙率的减小而减小。

[1]TASDEMIR C.Combined effects of mineral admixtures and curing conditions on the sorptivity coefficient of concrete[J].Cement and Concrete Research,2003,33(10)：1637- 1642.

[2]李美利,钱觉时,徐姗姗,等.养护条件对混凝土表面层性能的影响[J].建筑材料学报,2009,12(6)：724- 728.(LI Mei-li,QIAN Jue-shi,XU Shan-shan,et al.Effects of different curing conditions on near-surface layer properties of concrete[J].Journal of Building Materials,2009,12(6)：724- 728.(in Chinese))

[3]王新友,蒋正武,高相东,等.混凝土中水分迁移机理与模型研究评述[J].建筑材料学报,2002,5(1)：66- 71.(WANG Xin-you,JIANG Zheng-wu,GAO Xiang-dong,et al.Review on the mechanism and model of moisture transfer in concrete[J].Journal of Building Materials,2002,5(1)：66- 71.(in Chinese))

[4]李淑红.混凝土中毛细吸水过程的理论及试验研究[D].大连：大连理工大学,2011.(LI Shu-hong.Theoretical and experimental study on the capillary absorption within concrete[D].Dalian：Dalian University of Technology,2011.(in Chinese))[5]OH B H,JANG S Y.Prediction of diffusivity of concrete based on simple analytic equations[J].Cement and Concrete Research,2004,34(3)：463- 480.

[6]KUMAR R,BHATTACHARJEE B.Porosity,pore size distribution and in situ strength of concrete[J].Cement and Concrete Research,2003,33(1)：155- 164.

[7]柴苗,朱国飞,徐思印.矿物掺合料和养护方式对轻骨料混凝土吸水性的影响[J].混凝土,2014(4)：152- 154.(CHAI Miao,ZHU Guo-fei,XU Si-yin.Effect of mineral admixtures and curing conditions on the water absorption of light weight aggregate concrete[J].Concrete,2014(4)：152- 154.(in Chinese))

[8]IBRAHIM M,SHAMEEM M,Al-MEHTHEL M,et al.Effect of curing methods on strength and durability of concrete under hot weather conditions[J].Cement and Concrete Composites,2013,41：60- 69.

[9]LAFHAJ Z,GOUEYGOU M,DJERBI A,et al.Correlation between porosity,permeability and ultrasonic parameters of mortar with variable water/cement ratio and water content[J].Cement and Concrete Research,2006,36(4)：625- 633.

[10]KHATIB J M,MANGAT P S.Absorption characteristics of concrete as a function of location relative to casting position[J].Cement and Concrete Research,1995,25(5)：999- 1010.

[11]HALL C.Water sorptivity of mortars and concretes：a review[J].Magazine of Concrete Research,1989,41(147)：51- 61.

[12]ASTM C1585—2004 Standard test method for measurement of rate of absorption of water by hydraulic-cement concretes[S].American Society for Testing and Materials,West Conshohocken,PA,USA,2004.

[13]YANG Z,WEISS W J,OLEK J.Water transport in concrete damaged by tensile loading and freeze-thaw cycling[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2006,18(3)：424- 434.

[14]林鹏,吴笑梅,樊粤明.养护条件对混凝土抗压强度及孔结构的影响[J].广东建材,2010,26(10)：32- 35.(LIN Peng,WU Xiao-mei,FAN Yue-ming.The influence of curing conditions on concrete compressive strength and pore structure[J].Guangdong Building Materials,2010,26(10)：32- 35.(in Chinese))

[15]ALIZADEH R,GHODS P,CHINI M,et al.Effect of curing conditions on the service life design of RC structures in the Persian gulf region[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2008,20(1)：2- 8.

Experimental studies on influences of curing conditions on capillary absorption of concrete

CHENG Bao-juan，WANG Li-cheng，BAO Jiu-wen，MA Hai-jun

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

The curing conditions of concrete have significant influences on both the hardening of concrete and the formation of its micro-pore structure,and the capillary absorption is closely related to the structures and distributions of the pores within the material so that the curing conditions can influence the water absorption process of concrete.The objective of this paper is to carry out experimental studies of the influences of four curing conditions (i.e.standard curing,natural curing,water curing and sealed curing) on the capillary absorption of a normal strength concrete.The compressive strength of the cylinder specimens core-drilled from concrete slabs is tested.The measurement of ultrasonic pulse velocity (UPV) and porosity is then implemented with “pie” specimens cut along three different elevations of the cylinder specimens.A series of water absorption experiments are conducted on the “pie” specimens by an improved gravimetrical test apparatus to measure the cumulative water absorption variation,realizing the continuity of water absorption testing.The test results indicate that the curing conditions of the concrete have a great influence on its compressive strength,UPV and porosity,which is the key factor to determine its strength development,internal pore structures and compactness during the curing process.The compressive strength and UPV of the specimens are the largest and the porosity is the smallest under the standard curing conditions,whereas the compressive strength and UPV of the specimens are the smallest and the porosity is the largest under the sealed conditions,the case is exactly the opposite,and the results in the natural curing and water curing conditions are close to each other,lying between the standard and sealed curing conditions.For the same curing conditions,the cumulative water content,absorptivity and porosity of concrete gradually decrease with the increase of the surface distance,but the UPV gradually increases,which implies the gradual increase of the concrete compactness from top to bottom.

curing condition; capillary absorption; cumulative water absorption;absorptivity; ultrasonic pulse velocity (UPV); porosity

10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.06.011

程宝娟，王立成，鲍玖文，等.养护条件对混凝土毛细吸水性能的影响[J].水利水运工程学报,2016(6):76-82.(CHENG Bao-juan,WANG Li-cheng,BAO Jiu-wen,et al.Experimental studies on influences of curing conditions on capillary absorption of concrete[J].Hydro-Science and Engineering,2016(6):76-82.)

2015-11-25

国家自然科学基金面上项目(51378090)；国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2015CB057701)

程宝娟(1989—),女，山东临沂人，硕士研究生，主要从事混凝土耐久性和施工性能的试验研究。 E-mail：chengbaojuan5@126.com 通信作者：王立成(E-mail：wanglicheng2000@163.com)

TU528

A

1009-640X(2016)06-0076-07