高低温交变环境对混凝土性能影响研究

徐志飞，袁文韬，张远，李晓欢，王宗浩，祝永超

（中建西部建设西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

川藏铁路设计使用寿命为100年，而川藏铁路沿线的地质环境、气候条件又对结构耐久性提出了极大的挑战。线路经过区域山高谷深，地形条件极为复杂。线路所经过地区具有高寒、低气压、大温差、强紫外线、气候干燥等特点[1]。干燥大风环境会加剧混凝土内部水分损失，造成混凝土开裂，并影响长期水化作用[2]；同时西藏地区昼夜温差可达30℃以上，大温差环境会导致混凝土浇筑体极高的温度应力，尤其是对早龄期混凝土结构造成极大的破坏[3-4]。

针对川藏铁路混凝土可能遇到的问题，本研究通过对新都桥地区环境进行监测，并采用环境模拟方式系统研究了高低温交变环境对混凝土性能影响，可为后续川藏铁路的建设及相关工程提供参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：峨胜P·O42.5R水泥，主要物理力学性能如表1所示。

表1 水泥的物理力学性能

（2）粉煤灰：四川江油Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰，主要技术性能如表2所示。

表2 粉煤灰的主要技术性能

（3）石灰石粉：江油华川，主要技术性能如表3所示。

表3 石灰石粉的主要技术性能

（4）硅灰：四川朗天有限公司，主要技术性能如表4所示。

表4 硅灰的主要技术性能

（5）骨料：碎石为5～31.5mm破碎鹅卵石，压碎指标9.2%；砂为四川乐山机制粗砂和细砂，主要技术性能如表5所示。

表5 砂的主要技术性能

（6）水：自来水。

（7）聚羧酸减水剂：中建西部建设新材料科技有限公司产，固含量15%，减水率20%。

1.2 试验方法与设备

（1）高低温交变养护设备及方法：通过对新都桥地区实际温湿度进行测试（见图1），本试验采用YSGJS-500型高低温交变试验箱对该地区环境进行模拟，设置养护温度为0～40℃，相对湿度为20%～80%，温度变化设置6段，1 d为1个循环，其温度及相对湿度设置如表6所示。

图1 新都桥温湿度变化

表6 高低温交变环境参数设置

（2）混凝土性能试验：将混凝土拌制成型后分成2个部分，分别进行高低温交变养护和标准养护，至规定龄期后进行力学性能和耐久性测试，其中力学性能按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试，碳化性能和抗氯离子渗透性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 高低温交变环境下不同强度等级混凝土的强度发展规律

试验研究了C30、C45、C60三种强度等级混凝土在高低温交变环境下7、14、28 d龄期内的强度变化规律，并通过计算高低温养护试件与标准养护试件28 d抗压强度比进行分析，混凝土配合比如表7所示，测试结果如表8所示。

表7 不同强度等级混凝土的配合比

表8 不同强度等级混凝土的抗压强度对比

由表8可见，采用标准养护时，各等级混凝土随龄期的延长强度均有明显提高，28 d抗压强度均满足配制强度要求；采用高低温交变环境养护时，各等级混凝土抗压强度均低于标准养护混凝土试件，且可以明显看出，混凝土7～14 d抗压强度增长较为缓慢，14～28 d抗压强度增长不明显。C30、C45、C60混凝土高低温交变环境与标养下28 d抗压强度比分别为62.5%、74.3%、81.5%。分析可知，高低温交变环境易导致混凝土后期抗压强度增长缓慢，28 d抗压强度远低于标准养护时，同时混凝土强度等级越低，对28 d抗压强度的负面影响越大。

2.2 高低温交变环境下不同胶凝体系混凝土的强度发展规律

由于粉煤灰、石灰石粉、硅灰活性存在较大差异，前期通过试验发现，采用相同胶凝材料用量时，不同胶凝体系混凝土的28 d抗压强度存在较大差异。为研究相同强度等级下不同胶凝体系混凝土强度变化规律，通过调整胶凝材料总量来降低混凝土标养28 d抗压强度差异，试验研究了掺粉煤灰、石灰石粉和硅灰后不同胶凝体系混凝土在高低温交变环境下抗压强度的变化，配合比如表9所示，测试结果如表10所示。

表9 不同胶凝体系混凝土配合比 kg/m3

表10 不同胶凝体系混凝土抗压强度对比

由表10可见，对于不同胶凝体系混凝土，其在高低温环境养护下抗压强度存在较大差异。在标准养护条件下时，混凝土14～28 d抗压强度增长幅度基本为掺硅灰＞掺粉煤灰＞掺石灰石粉；而在高低温交变环境中养护，掺硅灰后的混凝土14～28 d强度增长反而最慢。对于28 d抗压强度比，J4试样（水泥+Ⅱ级灰+石灰石粉体系）最高，为93.0%，而J6试样（水泥+Ⅰ级灰+Ⅱ级灰+硅灰体系）最低，仅为77.4%，表明高低温交变环境不利于硅灰的后期水化。

为进一步研究各胶凝体系在高低温交变环境下的水化规律，对上述体系进行水泥净浆试件成型，并分别进行标准养护和高低温交变养护，通过灼烧法测试其7 d和28 d结合水含量，结果如表11所示。

表11 不同胶凝体系的结合水含量

由表11可见，各胶凝体系在高低温交变环境下养护的试样7 d结合水含量均显著低于标准养护的试样，表明高低温交变环境会降低试样的水化程度；标准养护条件下试样28 d结合水含量较7 d有明显提高，而高低温交变养护的试样28 d结合水含量则与7 d相差不大，说明在高低温环境中会严重影响胶凝材料的后期水化。

2.3 早期不同养护方式对混凝土强度的影响规律

试验主要研究了混凝土试件在标准环境和高低温交变环境养护一段时间后交换养护环境后抗压强度发展情况，主要研究内容为：（1）研究标准养护和高低温养护3、7、14、28 d的抗压强度；（2）研究标准养护3、7、14d后放入高低温交变环境养护至28 d抗压强度的变化；（3）研究高低温养护3、7、14 d后放入标准养护室养护至28 d抗压强度的变化。试验用C45混凝土配合比如表12所示，具体养护方式及混凝土抗压强度如表所13所示。

表12 C45混凝土的配合比 kg/m3

由表13可见，采用高低温交变养护混凝土各龄期的抗压强度明显低于标准养护的混凝土，且其14 d后抗压强度增长缓慢；混凝土试件先标准养护3 d后再放入高低温交变环境中养护，28d抗压强度与标准养护抗压强度基本接近，前期标准养护时间越长，混凝土28 d抗压强度越高；相反，当早期采用高低温环境养护14 d后再标准养护至28 d，抗压强度与高低温养护28 d抗压强度接近，随着早期高低温交变环境养护时间缩短，混凝土28 d抗压强度不断提高。早期高低温交变环境养护3 d后标准养护至28 d，使C45混凝土的28 d抗压强度较标准养护下降低11.7%。因此可以说明，当混凝土结构处于高低温交变环境中时，应在混凝土浇筑后及时采取相应养护措施，并应在拆模后至少标准养护至3 d龄期，也可根据需要相应延长养护时间。

表13 不同养护方式及混凝土的抗压强度

2.4 高低温交变环境对混凝土耐久性能的影响

试验主要研究了高低温交变环境对混凝土抗碳化性能及抗氯离子渗透性能的影响，将混凝土成型拆模后分别放入标准养护室和高低温交变试验箱中，分别养护至28 d后进行碳化试验和电通量试验，按照如表7所示混凝土配合比，测试结果如表14所示。

表14 混凝土的碳化深度与电通量

由表14可见，随着混凝土强度等级的提高，混凝土碳化深度明显减小，且采用高低温交变环境养护的试件碳化深度较标准养护的试件显著增大，C30混凝土7 d碳化深度达18 mm，即使C60混凝土，7 d碳化深度也达8 mm，说明高低温交变环境会极大地降低混凝土的抗碳化性能。分析其原因，一方面在于当混凝土处于高温环境中时，混凝土内部水分会向外扩散，从而形成了大量的毛细通道[5]；另一方面在于水分的散失和低温环境导致混凝土中的胶凝材料不能正常水化[6]，降低了混凝土整体的密实性。

混凝土的电通量测试结果与碳化深度规律基本相同，混凝土的抗氯离子渗透性能与其水化程度存在极大的关系，强度等级越高的混凝土抗氯离子渗透性能越强，电通量越小，但高低温交变环境不仅降低混凝土的水化程度，同时水分子的迁移会形成连通的毛细孔，从而加速了氯离子的迁移速率。

3 结论

（1）高低温交变环境对混凝土抗压强度的降低效果明显，C30、C45、C60混凝土高低温交变环境下与标养下28 d抗压强度比分别为62.5%、74.3%、81.5%，表明混凝土强度等级越低，高低温交变环境影响程度越大。

（2）采用硅灰作为掺合料时，混凝土在高低温交变环境中28 d抗压强度比仅为80%左右，而采用粉煤灰及石灰石粉作为掺合料时，28 d抗压强度比可达90%以上，表明高低温交变环境中由于高温环境中水分的散失和低温环境的存在，会显著降低胶凝材料后期的水化程度，不利于硅灰等主要在后期发生水化反应的掺合料发挥作用。

（3）混凝土早期暴露于高低温交变环境中会导致后期抗压强度显著降低，仅暴露3 d即会使C45混凝土的28 d抗压强度较标准养护下降低11.7%，且早期暴露时间越长，混凝土的抗压强度降低越明显；相反，早期对混凝土进行标准养护能对混凝土强度进行改善；从抗压强度考虑，应尽可能使混凝土在前3 d处于标准养护环境中，并根据需要延长养护时间。

（4）高低温交变环境会显著降低混凝土的抗渗性能，增大混凝土的碳化深度和电通量，因此，对于高低温交变环境下的混凝土结构应在早期及时采取相应的养护措施。