养护方式对混凝土力学性能及孔径分布的影响

■阮 坤

（福州新区交通建设有限责任公司，福州 350002）

混凝土的养护一般分为自然养护、标准养护和快速养护。 快速养护[1]是将混凝土试件置于特殊的养护条件（高温、高湿或者高压等）下时能够在短时间内（几小时）充分发展其极限强度显著部分的方法；主要包括蒸汽养护，压蒸养护和蒸压养护等，该养护方式主要应用于预制构件的生产， 如管桩、电线杆等。

目前，与之相关的研究主要涉及不同养护条件下水泥的水化、水化产物和混凝土强度等，如Verback 等[2]研究了常温养护和高温养护下水泥的水化速率；赵兴英等[3]的研究表明，高温常压的蒸汽养护下生成的水化产物的组成与标准养护下没有本质区别， 但高温高压的压蒸养护下水化产物种类繁多[4-5]；吴若尘[6]和陈阳亮等[7]研究表明，随磨细砂掺量的递增，标准养护和蒸汽养护混凝土抗压强度均逐渐递减； 压蒸养护混凝土抗压强度先递增后降低；但他们未对其孔径分布进行研究且未对蒸压养护混凝土进行研究；陈伟等[8]研究表明，当混凝土中无矿物掺合料（矿渣粉和磨细砂）时，与普通养护混凝土相比，蒸汽养护和压蒸养护混凝土均能够使孔隙结构变粗、孔径粗大化。 可见，养护方式不同，会影响到混凝土的强度和孔结构，但对于不同养护方式下混凝土强度及孔径分布对比分析的研究还较少，因此，本文通过对四种养护方式（普通养护、蒸汽养护、压蒸养护、蒸压养护）下，掺磨细砂的混凝土抗压强度及孔径分布随龄期的变化规律进行对比分析，研究不同养护方式对掺磨细砂混凝土力学性能及孔径分布的影响。

1 试验材料

试验材料包括如下：（1）水泥：采用P.Ⅱ52.5 普通硅酸盐水泥； 化学成分为烧失量2.34%、CaO 62.28%、SiO222.23%、Fe2O33.63%、Al2O35.24%、MgO 1.17%、SO32.36%、其他0.75%；物理性能指标为比表面积361 m2/g、 初凝时间140 min、 终凝时间195 min、3 d 抗折强度6.3 MPa、28 d 抗折强度9.4 MPa、3 d 抗压强度33.4 MPa、28 d 抗压强度62.2 MPa；（2）粗骨料：福清碎石，表观密度为2550 kg/m3，堆积密度为1450 kg/m3，针片状颗粒含量为8.3%，压碎指标值为7%；（3）细骨料：闽清河沙表观密度为2500 kg/m3，堆积密度1450 kg/m3；含泥量为0.3%； 细度模数为2.7； 平均含水率为5.67%，且保持稳定；（4）磨细砂：磨细砂产自福建建华管桩有限公司， 具体性能指标为比表面积405 kg/m3、 含水率0.1%、 二氧化硅91.5%、 密度2.63 g/cm3、氯离子含量0.016%、烧失量0.01%；（5）减水剂：采用YC-1 型萘系高效减水剂，其水泥净浆流动度为220 mm， 密度为1.218 g/cm3，pH 值为9，氯离子含量0.14%，碱含量0.014%，减水剂其他的性能为减水率18.6%、泌水率比45%、初凝时间为135 min、 终凝时间为180 min、3 d 抗压强度比141、7 d 抗压强度比136、28 d 抗压强度比128；含气量1.8%；（6）水：取自福建建华管桩有限公司的自来水。

2 混凝土配合比、制作及养护

2.1 混凝土配合比及制备

本试验采用高强混凝土， 配合比为理论用水135 kg/m3、 水泥270 kg/m3、 水粉比0.3、 天然砂645.15 kg/m3、石子1269.75 kg/m3、磨细砂180 kg/m3，在实验室中制备成100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试块。

2.2 混凝土养护

本文研究四种养护方式，其具体实施方式如表1所示。

表1 四种养护方式具体实施方式

3 试验方法

3.1 抗压强度测试

按照GB/T50081-2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》对不同龄期（1 d、3 d、7 d、11 d、17 d、23 d、28 d）的混凝土进行抗压强度测试。

3.2 孔结构测试

采用氮气吸附法对不同龄期 （1 d、3 d、7 d、11 d、17 d、23 d、28 d） 混凝土进行孔结构测试，试验仪器为北京金埃谱公司生产的V-Sorb2800-孔结构分析仪。

4 试验结果及分析

4.1 抗压强度

不同养护方式下混凝土抗压强度随龄期的变化规律如图1 所示。 由图1 可知：不同养护方式混凝土的抗压强度随龄期均呈现增长的趋势，脱模后（1 d 龄期）压蒸养护（AYZ）和蒸压养护（AZY）混凝土抗压强度已高于28 d 龄期普通养护 （APT）。 其中，7 d 龄期普通养护（APT）、蒸汽养护（AZQ）、压蒸养护（AYZ）及蒸压养护混凝土的抗压强度分别达到了其28 d 龄期抗压强度的70%、84.5%、92.8%、94.5%；28 d 龄期普通养护（APT）、蒸汽养护（AZQ）、压蒸养护（AYZ）及蒸压养护（AZY）混凝土抗压强度分别为81.5、62.4、91.6、95.7 MPa，可见，蒸压养护（先进行蒸汽养护后进行压蒸养护） 能够在早期较短时间内提高混凝土的抗压强度且各龄期抗压强度均最高。 蒸汽养护（AZQ）5 d 龄期以前混凝土抗压强度高于同龄期普通养护（APT） 混凝土抗压强度， 但5 d 龄期以后却低于同龄期普通养护（APT）混凝土的抗压强度，与文献研究结果[9]相同。 原因是混凝土主要是由骨料、砂浆及砂浆与骨料之间的界面过渡区组成，在蒸汽阶段，由于温度升高（最高温度80℃），水泥水化加快，使其在蒸汽养护后早期抗压强度比同龄期普通养护混凝土抗压强度高，但由于混凝土中石子和砂浆的热膨胀系数不同，造成石子和砂浆之间产生裂纹或者石子与砂浆之间的粘结力下降，使混凝土后期抗压强度与其他养护方式相比大幅度降低；压蒸养护（AYZ）通过在高压釜中进行高压蒸汽养护虽然也容易导致混凝土微结构粗大化，但磨细砂中的二氧化硅与水泥的水化产物氢氧化钙在高温下反应生成强度较高的托勃莫来石族水化产物[9-10]，从而显著提高了混凝土的抗压强度；蒸压养护（AZY）在加压高温（压蒸）之前进行短时间的蒸汽养护，可加快水化反应，并产生更多的氢氧化钙，但由于时间短，不至于使混凝土内部过早地产生裂纹，之后加压高温，磨细砂中的二氧化硅与更多的水化产物氢氧化钙仍会反应生成强度较高的托勃莫来，因此通过蒸汽与压蒸结合的蒸压养护（AZY）对混凝土的强度发展最有利。

图1 不同养护方式下混凝土抗压强度随养护龄期的变化规律

4.2 孔径分布

吴中伟院士根据孔径大小把混凝土中的孔大致分为四大类：无害级孔（＜20 nm）、少害级孔（20～50 nm）、有害级孔（50～200 nm）、多害级孔（＞200 nm）。同时，他又认为增加50 nm 以下的孔，减少100 nm以上的孔，能够大大提高混凝土的性能。 因此，本文将混凝土分为以下几类：孔径＜20 nm、孔径20～50 nm、孔径50～100 nm、孔径＞100 nm。 根据这种分类方法，得到不同养护方式混凝土1 d、3 d、7 d、11 d、17 d、23 d 和28 d 的孔径分布随龄期的变化规律如图2～5所示。

图2 蒸压养护（AZY）混凝土孔径分布随龄期的变化

图3 标准养护（APT）混凝土孔径分布随龄期的变化

图4 蒸汽养护（AZQ）混凝土孔径分布随龄期的变化

图5 压蒸养护（AYZ）混凝土孔径分布随龄期的变化

由图2～5 可知， 各养护方式孔径＜20 nm 的混凝土孔体积百分比随龄期呈现增长的趋势， 而孔径＞100 nm 的混凝土孔体积百分比呈现减少的趋势； 即微孔所占总孔的孔体积百分比逐渐增大，大孔所占总孔的孔体积百分比逐渐减少。 因为随着混凝土养护龄期的增加， 水泥胶凝材料不断水化，水化产物填充孔隙，使混凝土中大孔所占的比重减少而增加了微孔的比重。 而微孔的增加和大孔的减少有利于提高混凝土的抗压强度和抗渗性能，有利于改善混凝土的耐久性能。

由图2～5 可知，28 d 龄期蒸压养护（AZY）混凝土孔径＜20 nm 的孔体积占总体积的46.23%，孔径＞100 nm 的混凝土孔体积占总体积的2.8%； 普通养护（APT）混凝土孔径＜20 nm 的孔体积占总孔体积的49.2%， 孔径＞100 nm 的孔体积占总体积的7.36%；蒸汽养护（AZQ）混凝土孔径＜20 nm 的孔体积占总孔体积的62.13%，孔径＞100 nm 的孔体积占总体积的7.16%；压蒸养护（AYZ）混凝土孔径＜20 nm的孔体积占总孔体积的50.63%，孔径＞100 nm 的孔体积占总体积的3.81%。可见，与普通养护（APT）相比，蒸汽养护（AZQ）可以显著增加孔径＜20 nm 的孔体积占比，蒸压养护（AZY）及压蒸养护（AYZ）混凝土对孔径＜20 nm 的孔体积占比影响不大。 这主要由于在蒸汽养护阶段（最高温度为80℃，养护时间为4 h），养护时间较短，温度升高，有充足的蒸汽的存在， 使混凝土具有足够的温度和湿度， 水泥水化加快，这些水化产物填充砂浆中较大的孔隙，使混凝土中砂浆大孔减小，改善了混凝土的孔径分布；压蒸养护由于温度过高，混凝土水化更加迅速，对混凝土孔径分布具有改善作用， 但由于温度过高且养护时间较长容易导致混凝土微结构粗大化， 使混凝土的砂浆产生细小的裂纹， 对混凝土孔径分布产生不利的影响， 这两种作用相互抵消使蒸压和压蒸养护对混凝土孔径分布影响不大。

5 结论

（1）随龄期的增长，四种养护方式下混凝土的抗压强度均逐渐增大，但增幅的快慢有明显的不同，其中普通养护混凝土（APT）增幅较快，蒸汽养护混凝土（AZQ）次之，蒸压养护（AZY）和压蒸养护（AYZ）混凝土变化最慢；（2）蒸汽养护混凝土早期（5 d 龄期以前）的抗压强度均高于普通养护混凝土早期（5 d 龄期以前）的抗压强度，但随着龄期的继续增长，蒸汽养护混凝土的抗压强度却低于普通养护混凝土的抗压强度；（3）蒸压养护及压蒸养护均能在早期显著地提高混凝土的抗压强度，1 d 龄期的强度已超过普通养护混凝土28 d 龄期的强度， 在测试龄期内蒸压养护混凝土的抗压强度均最高；（4）随养护龄期的增长， 四种养护方式下水泥石的孔径分布均呈现大孔孔体积占比减少，而小孔、微孔孔体积占比增大的趋势；与普通养护相比较，蒸汽养护可以较好地改善水泥石的孔径分布， 而蒸压养护和压蒸养护对水泥石的孔径分布无明显的改善作用。