高寒冻土区混凝土强度增长规律及微观机理研究

张戎令，王起才，杨 斌，龙朝飞

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070；3.中国铁路建设集团管理有限公司, 北京 100161)

混凝土由水泥、粗骨料、细骨料、水等多种物质组成，为多孔介质材料。混凝土的许多特性与其孔结构有关[1]，例如，混凝土毛细孔中冰结晶压力的发展引起的内部冻害，孔隙结构对水泥/混凝土试样的冻融耐久性有重要影响[2]。混凝土在长期冻融作用下，可能会产生裂纹，而这种裂纹为水分和有害介质渗入混凝土内部提供了途径；盐冻破坏明显高于水冻破坏，且破坏迅速[3]，最终造成混凝土结构服役寿命大幅度缩短[4]。目前，国内外学者针对混凝土冻融破坏问题开展了大量研究，总结了在冻融循环作用下环境因素对混凝土冻融损伤的作用机制和影响规律；开展了相关理论与试验研究[5]；探讨了不同配合比的混凝土在不同腐蚀方式下抗冻性和抗腐蚀性能演变规律[6]，研究指出，混凝土中掺入复合防冻剂和矿物掺和料有利于提高其在负温环境下的力学性能和抗冻耐久性[7]；分析了三种温度工况下冻融次数对混凝土弹性模量的影响[8]，选定动弹性模量作为混凝土在水下和除冰盐冻融循环作用下的损伤变量，导出在此条件下混凝土冻融疲劳损伤方程，进而构建了相应寿命预测模型[9]；认为在寒冷地区，冻融对混凝土材料有严重的降解作用，提出内聚力减小参数，建立了冻融破坏本构模型[10]。Luo等[11]认为在不同的冻融作用下混凝土界面过渡区最有可能在霜冻侵蚀下首先破坏；Jin等[12]通过抗力降低量来计算损伤程度，以评估遭受冻融循环后混凝土内部的劣化情况；文献[13-14]发现，在冻融循环作用下，混凝土内部孔隙结构演变过程与其受冻损伤机理和宏观力学性能密切相关，基于CT分析技术，研究进一步得出了混凝土试样在冻融循环作用下内部孔隙结构随冻融循环次数增长的变化规律，建立了混凝土孔隙率与其抗压强度的函数关系式；Wawrzeczyk等[15]采用临界质量增加所需的冻融循环次数用于确定Weibull分布参数，建立了冻结状态下混凝土损伤模型。

世界范围内多年冻土区分布广泛，总占地面积约为22.79×106km2,占据北半球陆地面积的24%[16]；我国有广袤的冻土区，其总面积约2.15×106km2，占全国总领土面积的22.3%[17]。持续低负温冻土地区，混凝土桩基础、承台等下部结构长期处于低负温环境中，因此，此类混凝土强度增长规律明显不同于常温下混凝土的强度增长规律。以青藏铁路冻土层中混凝土灌注桩为研究对象，对持续-3 ℃环境下引气混凝土早期强度的发展规律和抗冻耐久性进行试验分析发现，相比标准养护，持续负温养护环境下混凝土的强度有明显的“龄期滞后”现象[18]，此现象的产生原因和内在机理有待进一步深入研究。

本文为掌握高寒低负温冻土地区混凝土强度增长机理，开展了四种不同入模温度、两种环境养护制度下混凝土水泥水化、强度以及微观结构的试验研究，对试验数据进行多元拟合，分析基于标准养护下考虑入模温度和龄期的低负温时混凝土强度预测计算公式。

1 原材料特性及试验方法

1.1 原材料特性

本试验使用水泥为P·O42.5级普通硅酸盐水泥，其相关实测指标见表1。粗骨料选用5.0～31.5 mm的连续级配，其各项实测技术指标见表2。细骨料采用细度模数为2.47的河砂，其各项实测技术指标见表3。聚羧酸型减水剂各项实测指标见表4。持续负温(-5 ℃)养护和标准养护下的混凝土试样配合比一致，详见表5。

表1 P·O42.5普通硅酸盐水泥技术指标

表2 碎石技术指标

表3 砂的级配

表4 减水剂检测指标

表5 混凝土配合比设计及试验温度工况

1.2 试验设计1.2.1 入模温度控制

为得出适应冻土区混凝土强度的计算方法，以冻土区冻土温度为实际工程背景，依据既有规范[19-20]，以实际工程中入模温度的可行性为指导，试验入模温度共设计4种工况，分别为5、10、15、20 ℃，对应的温度控制精度分别为(5±1)、(10±1)、(15±1)、(20±1) ℃。为了能够准确控制不同入模温度工况，试验前，将称好的混凝土原材料提前放置在恒温养护箱内，依据不同入模温度工况调设好试验箱温度，进行预温处理，以达到试验时相应入模温度要求。

1.2.2 环境温度控制

混凝土所处的环境温度直接影响其强度增长。在冻土区，混凝土浇筑后，将长期处于低负温环境中。为了研究混凝土在冻土区强度增长规律，试验共设计了两种环境温度。

环境温度一：持续负温(-5 ℃)下，待混凝土入模后将其放入温度为-5 ℃的大气模拟箱中养护，3 d后，进行试件的脱模，然后继续在该温度环境下养护。混凝土浇筑完毕后不宜过早脱模，通过预试验发现，混凝土在持续负温环境下完成终凝需要3 d时间。

环境温度二(对比组)：将浇筑完毕的混凝土放入标养室进行标准养护，室内环境温度为(20±1) ℃，湿度大于90%。养护1 d后对试件进行脱模，之后继续在标养室内养护。

1.2.3 水泥水化热控测

盖斯定律认为，化学反应的热效应只与体系的初态和终态相关。基于此原理，试验采用溶解热法测试恒定负温(-5 ℃)环境下水泥的累积水化放热量，测试流程详见GB/T 12959—2008《水泥水化热测定方法》[20]。

1.2.4 强度及微观孔结构测试

强度试验按GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[21]进行，试验浇筑了两批100 mm×100 mm×100 mm立方体混凝土试块，将浇筑好的试块分别置于标准养护环境和持续负温养护环境中，待试块达到指定龄期(3、14、28、42、56、70、84、98、112 d)时取出，采用电液伺服压力试验机测试两种养护制度下试块的抗压强度。

采用全自动测孔仪测试混凝土的孔径分布情况和孔隙率。测试流程分为两步：首先，准备(7±0.5) g的试样(避免试件质量影响试验结果)，将其放入烘箱中烘干，烘烤结束后取出试样冷却至25 ℃；然后，采用全自动测控仪对制备好的试样进行高低压测试，采集并分析数据。

2 强度增长过程中水化反应

分析计算时，依据GB/T 12959—2008《水泥水化热测定方法》[20]，首先对水化热进行热量计热容量标定计算，热容量和经矫正的温度为

(1)

(2)

式中：C为热量计热容量；G0为氧化锌重量；t为氧化锌加入热量计时的室温；ta为溶解期首次θa加贝氏温度计0 ℃时对应的温度；R0为经校正的温度上升值；θa和θb分别为溶解期首次和结束时测读温度；a和b分别为测读θa和θb时距初测期结束温度时所经过的时间。

未水化水泥和部分水化水泥溶解热为

(3)

(4)

式中：q1和G1分别为未水化水泥溶解热和其灼烧后的质量；q2和G2分别为经某一龄期水化水泥溶解热和其灼烧后的质量；T′和T″分别为未水化水泥和水化水泥在热量计时的室温；ta′和ta″分别为未水化水泥和水化水泥溶解期首次测读θa′的0 ℃时对应的温度。

升温值和温度上升值分别为

(5)

(6)

式中：R1、R2分别为升温值、温度上升值；θ0′、θa′、θb′分别为未水化水泥试样初期、溶解期首次和第二次时的温度；a′、b′分别为未水化水泥溶解期首次时θa′和第二次θb′距初期θ0′的时间；θ0″、θa″、θb″、a″、b″与前述相同，但在这里是代表水化水泥试样。

水泥水化热为

q=q1-q2+0.4(20-ta′)

(7)

(8)

式中：q为水泥某一水化龄期放出的水化热；γt为t时间内发生水化的量和完全水化量的比值；Qt、Qm分别为t龄期水化放热总量、水泥完全水化放热总量。

3 试验结果分析

四种不同入模温度和两种环境温度下，水泥水化过程中水化放热量、水化程度及对应混凝土不同龄期下的强度发展规律见图1～图4。

图1 不同入模温度在持续负温养护下的水泥水化

图2 不同入模温度在持续负温养护下的水泥水化量

图3 不同入模温度的混凝土水化程度变化

图4 不同入模温度的混凝土抗压强度变化

由图1～图3分析可知，在四种不同入模温度工况下，无论是在标准养护还是在持续-5 ℃养护条件下，水泥水化过程均随龄期增加而增加。根据水化反应放热情况，可以将冻土区恒定负温下水泥水化分为早期快速水化、中期较快水化、后期缓慢水化三个阶段。水化初期快速反应阶段为从浇筑到龄期14 d，这一过程中，水化速度最快，20 ℃入模温度下，标准养护14 d的水化热为332.6 J/g，约为放出水化热总量的73%；20、15、10、5 ℃四种入模温度在持续-5 ℃负温环境下水泥水化对应的水化热量分别为217.2、180.2、154.6、123.8 J/g，分别为放出水热总量的48%、40%、34%、27%。水化中期阶段为从龄期14 d到龄期28 d，这一过程中，水化速度减缓，20 ℃入模温度下，标准养护28 d的累积水化热为368.0 J/g，约为放出水化热总量的81%；20、15、10、5 ℃四种入模温度在持续-5 ℃负温环境下水泥水化对应的累积水化热量分别为276.0、230.6、199.0、170.1 J/g，分别为放出水化总热量的61%、51%、44%、38%。水化后期阶段为龄期28 d以后，这一过程中，水化速度缓慢，对于20 ℃入模温度下，标准养护28 d后，水泥水化会持续缓慢进行，完成余下不足20%的水化量，但是在持续负温养护环境下，虽然水化反应缓慢，但是还有大量的水化反应还没有进行，20、15、10、5 ℃四种入模温度在持续-5 ℃负温环境下水泥水化分别还有39%、49%、56%、62%的水化热量没有完成。可以得出，低负温环境对水泥水化反应进程影响显著。以上试验工况表明，28 d时FC20、FC15、FC10、FC5四种工况水泥水化程度仅分别为BC20水化程度的0.75、0.63、0.54、0.47倍。在实际高寒低负温冻土地区的工程建设中，不宜用标准养护方法评定混凝土的性能。同时，通过试验可以发现，在相同的持续-5 ℃环境养护温度下，FC20、FC15、FC10在28 d时水化量是FC5对应水化量的1.59、1.32、1.14倍；在水泥水化过程中，相同龄期时，FC10水泥水化量是FC5水化量的1.09～1.57倍、FC15水泥水化量是FC5水化量的1.26～2.21倍、FC20水泥水化量是FC5水化量的1.39～2.83倍。因此，可以得出，在低负温环境下，适当提高入模温度是保证混凝土性能的有效措施。

由图4分析可得，不同入模温度工况下，两种养护环境中混凝土的强度随龄期均呈正相关增长。在标准养护条件下，混凝土28 d龄期强度达到47 MPa，而FC20、FC15、FC10、FC5对应的28 d龄期强度分别为42、36、29、26 MPa，强度仅是标准养护的0.89、0.77、0.62、0.55倍，在5 ℃入模温度工况下，持续-5 ℃负温环境养护下混凝土28 d的强度约为标准养护下的1/2，强度发展较为缓慢。FC20、FC15、FC10工况下28 d的强度分别是同龄期FC5强度的1.61、1.38、1.12倍；FC20各龄期下混凝土的强度是对应龄期FC5的1.48～1.70倍、FC15各龄期下混凝土的强度是同龄期FC5的1.31～1.44倍、FC10各龄期下混凝土的强度是同龄期FC5的1.06～1.25倍。因此，可以认为，在相同环境温度条件下，入模温度对混凝土强度增长影响显著。在实际高寒低负温环境工程建设中，应选择适当的入模温度以保证混凝土强度的增长。但是，低负温环境对混凝土强度影响显著，试验中，龄期为112 d时，标准养护条件下，混凝土强度达到58 MPa，而FC20、FC15、FC10、FC5对应的112 d龄期的强度分别为53、46、40、34 MPa，强度仅是标准养护的0.92、0.79、0.69、0.59倍；FC20、FC15、FC10、FC5对应112 d龄期强度是标准养护28 d强度的1.12、0.97、0.84、0.71倍。以上分析表明，在负温环境下，即使龄期不断增加，其相对标准养护环境下混凝土强度仍较低。因此，在高寒冻土区中，须重视环境温度对混凝土强度的影响。

4 低负温下混凝土强度增长微观机理

微观层次的研究可体现出事物的内在机理，基于混凝土微观性能的演变过程，可以进一步理解和掌握持续低负温环境下混凝土宏观性能的演化机理。混凝土28 d龄期微观孔隙结构测试结果见图5～图7。

图5 不同入模温度的混凝土孔径分布

图6 不同入模温度的混凝土孔体积占比

图7 不同入模温度的混凝土孔隙率和平均孔径

由图5～图7可知，与持续负温养护相比，标准养护条件下混凝土小孔较多，大孔较少；在持续负温下，小孔数量由高到低的顺序为：FC20>FC15>FC10>FC5，大孔数量由高到低的顺序为：FC5>FC10>FC15>FC20；特别是在5 ℃入模温度和持续-5 ℃养护环境中，混凝土大孔数量明显高于其他工况，表明低负温环境下混凝土内部大孔较多，这是影响混凝土强度的内在原因之一，同时也不利于其在冻土区长期服役。在孔径小于20 nm以下无害孔中，BC20小孔多于其他工况孔隙率，孔隙率为自身总孔隙的36.33%。在持续负温下，随着入模温度的增加，小于20 nm以下孔数量增加，其中，在5 ℃入模温度和持续-5 ℃的养护环境中，小于20 nm以下孔的孔隙率仅占自身总孔隙的6.85%；孔径20～50 nm少害孔的规律与无害孔相同；孔径50～200 nm的有害孔中，BC20、FC20、FC15、FC10、FC5对应的孔隙率分别占自身总孔隙的15.46%、33.03%、41.55%、44.81%、51.24%。在持续负温下，入模温度越低，有害孔数量越多，说明低入模温度会对混凝土抗冻耐久性产生不利影响。在持续负温环境下，混凝土的孔隙率和平均孔径在较低入模温度工况下均增长显著，这表明在低负温环境下，入模温度的大小与混凝土孔隙结构的演变密切相关。以上混凝土微观孔结构的变化规律较好地印证了在不同入模温度和养护条件下，混凝土宏观强度的发展规律。

5 低负温下混凝土强度增长预测模型及验证

为方便计算长期低负温下不同入模温度在不同龄期时混凝土的强度以及龄期28 d时混凝土的孔结构，考虑试验时入模温度和龄期对混凝土强度的影响，在试验数据的基础上拟合分析得出预测混凝土强度和孔隙率的计算式。

(9)

式中：fFC为负温环境下混凝土强度；fBC为标准养护环境下混凝土强度；ΔT为标准温度20 ℃与入模温度之差；t为混凝土龄期；ki为龄期调整系数，当龄期≤28 d时，ki=0.6+0.02ΔT，当龄期>28 d时，ki=1。

公式(9)中第一项为按照国家混凝土强度标准[20]养护试验规程在入模温度为20 ℃时，对应所测得的混凝土强度值，该值在实际工程中容易测得，同时与现行既有混凝土强度评定办法[20]相统一；第二项为受入模温度和长期-5 ℃环境温度影响的相对于混凝土标准养护条件下强度减小值，公式拟合结果R2=0.930 85。

φ28d=0.008T2-0.48T+22.25

(10)

式中：φ28d为长期-5 ℃环境温度下混凝土28 d龄期的孔隙率；T为入模温度。

式(10)可以用来评定在恒定持续低负温环境下入模温度对应的28 d混凝土孔隙率，进而可用于分析混凝土的抗冻性能，公式适用于的入模温度范围为5～20 ℃，拟合结果R2=0.997 66。考虑试验研究对象为永久冻土区混凝土(如灌注桩)，其周围环境温度为持续-5 ℃，入模温度不宜过高或过低，试验中5、10、15、20 ℃等四种温度较好地涵盖了实际工程中可能采用的入模温度工况。

为验证公式的准确性，在室内采用与表5所示相同的配合比，重新浇筑相同尺寸的立方体混凝土试块，分别对负温养护条件下龄期为7、21、35 d(往后依次递增14 d直至105 d)的混凝土试块进行抗压强度测试，将模型理论计算结果与室内强度试验实测值进行比较，结果见图8、图9。

图8 低负温下理论强度计算值与实测值验证对比

图9 低负温下理论强度计算值与实测值误差

由图8和图9可以得出，模型理论计算值与试验实测值吻合良好，预测最大误差为-9.39%，最小为-1.56%；在早龄期阶段，如7、14、21 d时，部分理论计算结果低于实测值(图9中黑色虚线区域)，在28 d以后龄期中，理论计算值均略大于实测值，略高估了混凝土的实际强度，但高估值不大于实测值的9%。公式所拟合出的长期低负温环境、不同入模温度工况下混凝土强度发展计算结果可以用来定量分析长期低负温环境下混凝土强度的发展和演变规律。

6 结论

本文通过长期低负温环境下，不同入模温度工况对混凝土水化热、强度和微观孔结构影响的试验分析，得出以下结论，研究成果可为实际冻土区混凝土强度发展规律的预测提供参考和借鉴。

(1)在长期低负温(-5 ℃)下，水泥水化可分为：水化早期快速水化阶段、中期较快水化阶段和后期缓慢水化阶段三个阶段。

(2)在实际高寒低负温冻土地区工程建设中，不宜用标准养护方法评定混凝土的性能，适当提高入模温度是保证低温环境下混凝土性能的有效措施，须重视低负温环境对混凝土强度的影响。

(3)在持续负温下，大孔数量由高到低的顺序为：FC5>FC10>FC15>FC20，随着入模温度的降低，有害孔数量增加，特别是在较低的入模温度下，混凝土的有害孔数量较多，不利于混凝土的强度发展和在冻土区长期服役。

(4)文中以标准养护混凝土强度为基础，在长期低负温环境下，对试验数据进行多元拟合得到了考虑入模温度、龄期的混凝土强度发展预测计算公式。试验结果验证表明，该公式可用于预测计算长期低负温环境下，不同入模温度和龄期对应的混凝土强度。公式基于试验得出，由于水泥组份含量不同、混凝土胶凝材料用量不同、实际温度亦不一定恒定在-5 ℃，因此，公式在其他条件下的适用性宜进一步验证和完善。