负温养护下水化硅酸钙晶种对混凝土抗压强度的影响

郑新国 郁培云 段林锋 李书明 张驰 邓青山

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.中铁上海工程局集团第七工程有限公司，上海 710061

随着我国铁路建设的快速发展，越来越多的铁路工程将在严寒地区修建，而混凝土在负温环境下施工易出现凝结硬化时间长、内部结构受冻破坏、后期强度损失大等问题。文献［1］通过试验分析了负温下普通水泥混凝土的冻胀规律，以及基准混凝土早期冻胀应力对混凝土强度及抗冻性能的影响；文献［2］研究了正负温交替养护下混凝土动弹性模量、抗压强度以及损伤程度的变化规律。目前，负温环境下混凝土施工主要采用保温养护、掺加盐类防冻剂等方法。铁路无砟轨道为板条状结构，平面尺寸大，施工线路长，采用保温养护措施费时费力，因此通常采用掺加防冻剂的方法。盐类防冻剂在负温下可使水泥石中水处于液相，促进水化反应，缓解冻胀应力，提高混凝土强度，然而当养护温度转为正温后掺加盐类防冻剂会导致混凝土强度降低。这是因为盐类防冻剂使拌和水成为盐溶液，导致水泥颗粒不能充分水化，同时未完全水化的盐类防冻剂残留在水泥浆体内部，在后期不断结晶析出。因此，研究低含盐量的混凝土防冻剂是目前的主要发展方向。

掺入水化硅酸钙晶种是近年发展起来的一种混凝土早强技术。通过将人工合成的水化硅酸钙掺入混凝土中诱导水化产物更快结晶析出，加速早期水泥水化，提高早期强度，同时可以避免传统早强剂带来的不足。文献［3-4］提出了单矿水化法、水热合成法、溶液沉淀法等多种水化硅酸钙晶种制备方法，探究了水化硅酸钙晶种对水泥水化放热速率、混凝土强度的影响规律，明确了水化硅酸钙晶种的作用机理。然而，现有研究主要在常温养护下进行，负温养护下水化硅酸钙晶种对混凝土的强度影响研究鲜有报道。因此，本文针对负温养护下混凝土强度发展缓慢问题，探究水化硅酸钙晶种对混凝土强度的影响规律，为新型混凝土防冻剂研究提供技术支持。

1 水泥混凝土抗压强度试验

1.1 原材料

水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其化学组成和物理力学性能见表1、表2。粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，矿粉为矿渣粉。骨料采用5～20 mm级配碎石，砂子采用细度模数2.6的河砂。减水剂采用非引气类聚羧酸减水剂。水化硅酸钙采用自制的水化硅酸钙悬浮液，

表1 普通硅酸盐水泥的化学组成 %

表2 普通硅酸盐水泥的物理力学性能指标

合成工艺采用硅酸钠和硝酸钙溶液沉淀法，水化硅酸钙平均粒径38.5μm。

1.2 配合比

以铁路无砟轨道结构常用的C30、C40、C50混凝土的配合比为基准，设置了不同晶种掺量的配合比，见表3。

表3 水泥混凝土配合比

1.3 试件养护及抗压强度测试

考虑严寒地区混凝土施工环境温度特点，分别设置正温养护、负温养护、正负温交替养护等多种养护制度。

正温养护：将材料温度控制在5～10℃成型试件，带模置于正温20℃环境箱中养护至规定龄期，再拆模进行强度测试。

负温养护：将材料温度控制在5～10℃成型试件，带模置于负温（-5℃或-10℃）环境箱中养护至规定龄期，拆模后在20℃环境放置2 h进行强度测试。

负温转正温养护：将材料温度控制在5～10℃成型试件，带模置于负温（-5℃或-10℃）环境箱养护7 d后再移入20℃环境箱养护至规定龄期，再拆模进行强度测试。

正温转负温养护：将材料温度控制在5～10℃成型试件，带模置于20℃环境箱养护至规定龄期，然后置于负温（-5℃或-10℃）环境箱养护6 h，再拆模进行强度测试。

抗压强度测试参照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

2 结果与讨论

2.1 正温养护下晶种对混凝土强度的影响

20℃养护下混凝土抗压强度随龄期的变化见图1。其中，C30-1.0表示掺入1%晶种的C30混凝土，其他以此类推。可知：①掺入晶种后不同等级混凝土抗压强度均有所提升，且混凝土等级越高抗压强度提升值越大，但抗压强度提升比例越低。掺入1%晶种后C30、C40、C50混凝土24 h抗压强度较不掺晶种时分别提高8.0、9.8、12.5 MPa，抗压强度提升比例分别为61%、58%、37%。②随着养护龄期延长，晶种对混凝土抗压强度的提升作用逐渐减弱，且混凝土强度等级越高减弱现象越明显。与不掺晶种时相比，掺入1%晶种后C30混凝土1、3、7 d抗压强度分别提升61%、24%、20%，C40混凝土1、3、7 d抗压强度分别提升58%、21%、7%。可见晶种对低强度等级混凝土抗压强度的提升作用更加明显。这是因为低等级混凝土中水胶比较大，水化产物中结构相对疏松的Ca（OH）2含量较高，掺入晶种后可以增加水泥水化过程中的成核位点数量，降低成核位垒，促进水化硅酸钙结晶反应进行，使得水化产物中结构较为致密的水化硅酸钙含量提高［5］。

图1 20℃养护下混凝土抗压强度随龄期的变化

2.2 负温养护下晶种对混凝土抗压强度的影响

负温养护下混凝土抗压强度随龄期的变化见图2。对比图1、图2可知：①负温养护下混凝土的抗压强度远低于正温养护，且在-10℃养护混凝土抗压强度较在-5℃养护更低。不掺晶种时养护温度从20℃降至-5、-10℃，C30混凝土1 d抗压强度分别下降74%、77%。②负温养护下掺入晶种后，不同等级混凝土抗压强度均有所提升，且由于负温养护下混凝土强度发展延后，3 d时晶种对强度的提升作用较1 d和7 d高。在-5℃养护，与不掺晶种时相比，掺入1%晶种后C30混凝土1、3、7 d抗压强度分别提升60%、82%、36%，C40混凝土1、3、7 d抗压强度分别提升24%、70%、65%。③虽然负温养护下混凝土抗压强度较低，但掺入晶种后抗压强度最大提升比例比正温养护下有所提高。

图2 负温养护下混凝土抗压强度随龄期的变化

2.3 负温转正温养护时晶种对混凝土强度的影响

负温养护7 d后再转入20℃养护。混凝土抗压强度随龄期的变化见图3。

图3 负温转正温养护时混凝土抗压强度随龄期的变化

对比图1、图3可知：①不掺晶种时负温转正温养护的混凝土抗压强度远低于正温养护的混凝土，且低强度等级混凝土负温转正温养护后抗压强度损失更大，C30、C40、C50混凝土在-5℃养护56 d后转正温养护抗压强度比20℃养护分别下降48%、45%、40%。②掺入晶种后不同强度等级混凝土抗压强度均有所提升，且在-10℃养护，晶种对抗压强度的提升作用较在-5℃养护更加明显。这是因为在负温下掺入晶种可以提高混凝土的早期强度，使得混凝土具有一定的抗冻性，且混凝土在-10℃养护更需要一定的早期强度。③掺入晶种后高强度等级混凝土在负温转正温养护下抗压强度下降比例显著小于低强度等级混凝土。掺入1%晶种后C30、C40、C50混凝土在-5℃养护56 d后转正温养护抗压强度较20℃养护分别下降47%、42%和11%。随着混凝土强度等级提高，水胶比逐渐降低，冻结应力逐渐减小；同时掺入晶种后高强度等级混凝土早期强度发展较快，抗冻能力提高。

2.4 正温转负温养护时晶种对混凝土强度的影响

20℃养护至一定龄期再转入负温养护6 h。混凝土抗压强度随龄期的变化见图4。可知：①不掺晶种时正温转负温养护的混凝土抗压强度较正温养护混凝土有所降低，且温度越低抗压强度损失越大。C30混凝土在20℃养护1 d后转入-5、10℃养护，抗压强度分别下降11%、23%。随着混凝土龄期增长，负温养护导致的抗压强度损失逐渐减小，且低强度等级混凝土抗压强度损失更大。C30混凝土在20℃养护28 d转入-5、-10℃养护，抗压强度分别下降8%、14%。C50混凝土在20℃养护28 d后转入-5、-10℃养护，抗压强度分别下降3%、8%。②不掺与掺入晶种混凝土正温转负温养护后抗压强度变化规律相似，但掺入晶种正温转负温养护后抗压强度降幅减小。C30混凝土不掺晶种正温养护1 d转入-5、-10℃养护，抗压强度分别下降11%、23%；掺入1%晶种正温养护1 d转入-5、-10℃养护，抗压强度分别下降7%、15%。

图4 正温转负温养护时混凝土抗压强度随龄期的变化

3 结论

1）正温养护下晶种对不同等级混凝土抗压强度均有提升作用，且混凝土等级越低抗压强度提升比例越大。随着养护龄期延长，晶种对混凝土抗压强度的提升作用逐渐减弱，且混凝土强度等级越高减弱现象越明显。

2）负温养护下不掺晶种混凝土的抗压强度远低于正温养护，随着温度下降混凝土抗压强度逐渐降低。负温养护下掺入晶种可提高不同强度等级混凝土抗压强度，掺入1%晶种后C30混凝土3 d抗压强度较不掺晶种时提高82%。虽然负温养护下混凝土抗压强度较低，但掺入晶种后抗压强度最大提升比例显著高于正温养护。

3）正负温交替养护下不掺晶种混凝土抗压强度低于正温养护，且低强度等级混凝土受冻后抗压强度损失更大。掺入晶种可提升负温养护下混凝土抗压强度，且负温越低晶种对混凝土抗压强度的提升作用越明显。