负温环境对水泥水化程度及混凝土强度的影响研究

陈旭升，薄士威

（1.甘肃省公路管理局，甘肃 兰州 730030；2.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

近年来，随着桥梁、公路等大型构筑物向着寒冷地区的扩建，混凝土逐渐开始在低温、负温下施工和养护，因此，混凝土在低温、负温下的强度和耐久性等问题也开始受到重视。同时，由于混凝土耐久性失效问题引起的结构破坏和经济损失的案例逐渐增多[1-3]。混凝土中的孔分布形态错综复杂，影响混凝土的强度、抗渗性、耐腐蚀性等性能[4]，引气剂可以在混凝土中引入较为均匀的小气泡，从而提高混凝土在抗冻性[5]。杨钱荣[6]等研究表明，混凝土在掺入引气剂后的抗渗性能有了大幅度的提高；张润潇[7]等研究了在恒定低温下养护的混凝土早期强度和抗拉强度的增长规律发现，养护温度和龄期对混凝土强度有非常重要的影响；赵芸平[8]通过对冬季混凝土强度的试验研究表明，混凝土在0℃以下强度也有缓慢增长，且增长与龄期的不确定性因素较大。刘润清[9]研究了掺合料对低温混凝土抗冻临界强度作用的机理表明，在低温养护下，掺合料以一种完全不参与水化的方式存在。庄丽辉[10]等人研究表明，混凝土在负温养护下强度保持缓慢增长趋势，增长与龄期的不确定性较大。

混凝土在低温、负温环境下施工养护的强度增长规律不同于混凝土在常温条件养护下规律，试验研究了负温养护条件下混凝土的强度增长规律和水泥水化程度的变化规律，对混凝土在低、负温地区的使用打下基础，同时也为低、负温环境下混凝土的配合比设计提供依据。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥：本试验采用兰州地区产的祁连山牌普通硅酸盐水泥，水泥各项技术指标均满足《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的要求。

矿物掺合料：本试验采用兰州地区产II级粉煤灰，烧失量为3.8%，含水量为0.2%，需水量比为70%；采用兰州地区产S95级矿粉，7d活性指数80%，28d活性指数98%，流动度比105%，其余技术指标均符合《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T18736-2002）的要求。

粗骨料：试验用粗集料选用5～31.5mm的连续级配，表面比较粗糙且质地坚硬的反击破硅质碎石，压碎指标为5.2%。

细骨料：按照《建设用砂》（GBT14684-2011）测定试验所用细集料的级配指标，本试验选用细度模数为2.2，表观密度为2.62g/cm3的细砂。

外加剂：试验用江苏博特生产的缓凝性聚羧酸系高性能减水剂，减水率为26.5%，采用江苏博特生产的引气剂，技术指标均满足《混凝土外加剂应用技术规范》（GB500119-2003）的要求。

水：本试验所用水为饮用水。

1.2 试验配合比

1.2.1 强度试验配合比

本试验选用0.24、0.31两个水灰比，试块尺寸为：100mm×100mm×100mm，调整混凝土初始坍落度在200±20mm。基准配合比见表1。

1.2.2 水泥水化试验配合比

本试验水化程度试验选用0.24、0.38两个水灰比，试验配合比见表2。

表2 水化程度试验配合比

1.3 试验方法

1.3.1 混凝土抗压强度测试

将混凝土试块在-3℃条件下养护，测试不同龄期混凝土抗压强度，同时每一个配合比以标准养护条件下的抗压强度为对照组混凝土。将在负温养护下的A1试块编号为A1F，在常温养护下的A1试块编号为A1C，将在负温养护下的B1试块编号为B1F，在常温养护下的B1试块编号为B1C，以此类推。混凝土抗压强度测试用MTS电液伺服压力机，见图1。以3个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。

1.3.2 水泥水化程度试验方案

将配合比C-1、D-1分别在-3℃、20℃下进行水化热试验。本试验采用直接法测定恒定低温下水泥水化热。水泥水化热通过控温装置内的冰水温升来计算。控温装置的散热常数严格按照《水泥水化热测定方法》（GB/T12959-2008）中热量计散热常数测定的相关规定测定，均满足散热常数小于167.00J/（h·℃）的要求。具体试验原理见图2。

图1 MTS电液伺服压力机

图2 水泥水化试验原理图

1.3.3 试验负温设备

试验环境条件模拟采用中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司生产人工气候模拟系统，见图3。该模拟系统温度可控制在-45℃～90℃范围，温度波动度不大于0.5℃，温度均匀度误差不超过2℃，升降温速率为1.0℃/min，湿度范围可控制在10%～98%RH。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土抗压强度结果分析

将负温和常温养护下配合比为A的混凝土在7d、14d、21d、28d、84d 的抗压强度分别汇总于图4。

由图4可知，在标养环境下，A1C混凝土7d强度为54.60MPa，A2C混凝土7d强度为50.64MPa，呈现A1C＞A2C的趋势，养护到14d时，二者强度相差无几，养护至21d时，呈现A2C＞A1C的趋势，养护至84d时，A1C混凝土强度为70.10MPa，A2C混凝土强度为75.81MPa，后者为前者的1.08倍，由此可见，在混凝土中的掺合料效应在养护后期才体现出来，原因可能是，在胶凝材料水化的早期，粉煤灰水化活性很低，且溶液中生成的有效的氢氧根离子较少，形成的碱性环境较弱，矿物掺合料的火山灰效应不明显。

表1 混凝土配合比

图3 人工气候模拟系统

图4 A组混凝土强度值

比较含气量为0.8%的A2C和含气量为2.3%的A3C强度增长规律可知，A2C的强度始终高于A3C，且随着龄期的变化，两者之间的差距越来越大，养护至84d时两者强度达到最大差距，A2C强度为A3C的1.21倍。以上现象的可能原因是，引气剂的加入，使初始状态的混凝土中就含有较小的气泡，初始含气量的增加，使得混凝土中孔隙率增大，最终影响到混凝土强度。

在负温养护下，养护至7d时，混凝土强度A1F＞A2F，养护至14d时，混凝土强度A1F＜A2F，养护至21d时，混凝土强度A1F＞A2F，养护至28d时，混凝土强度A1F＜A2F，养护至84d时，混凝土强度A1F＜A2F，所以，在负温养护下，掺入矿物掺合料的混凝土在养护阶段的强度增长不稳定。在84d时，A1F混凝土强度为44.20MPa，比养护至7d时增大了17.5MPa，A2F混凝土强度为44.65MPa，比养护至7d时增大了19.0MPa，由此可见，负温养护下，混凝土的强度增长趋势明显缓慢，掺入的掺合料发挥效果更加不明显，分析原因，负温养护下，混凝土内水泥水化的速度减慢，且部分水结冰，一方面减少了水泥水化所需要的自由水，另一方面水结冰产生的膨胀力使得混凝土内出现微小的裂缝[11]，使得宏观强度下降；掺合料的加入替代了一部分的水泥量，在掺合料性能没发挥的情况下，水泥水化量减少，混凝土宏观强度减小。

比较A2F和A3F强度增长趋势可知，A2F强度始终大于A3F的强度，和标养时规律一致，两者强度最大差距为，养护至14d时，A2F为A3F的1.95倍。由此可见，含气量对在负温养护下的混凝土强度增长更加敏感。

将配合比为 B1、B2、B3 的混凝土在 7d、14d、21d、28d、84d的抗压强度汇总于图5。

图5 B组混凝土强度值

由图5可知，标准养护条件下，养护至7d时，B1C混凝土强度为34.8MPa，B2C混凝土强度为36.67MPa，养护至84d时，B1C混凝土强度为49.1MPa，B2C混凝土强度为52.35MPa，后者为前者的1.07倍。B2C表现出强度始终大于B3C的趋势，与A组混凝土在标养下规律表现一致。

在负温养护下，养护至7d时，B1F混凝土强度为20.1MPa，B2F混凝土强度为24.64MPa，养护至84d时，B1F混凝土强度为40.6MPa，比7d时增大了20.5MPa，B2F混凝土强度为45.21MPa，比7d时增大了17.57MPa，比84d时B-1混凝土强度增大了2.61MPa。由此可见，在负温养护下，水灰比较大的混凝土强度增长趋势较大；加入的掺合料的混凝土试块效果发挥也不明显，与A组水灰比表现规律一致。

从图5可以看出，在负温养护下，B2F的强度虽然始终大于B3F，但两个强度增长曲线更加接近，强度相差较小，所以，在负温养护下，当水灰比较小时，引气剂对混凝土强度增长的影响更大。

2.2 水泥水化结果分析

试验采用直接法测定-3℃、20℃恒温养护条件下水泥水化热值，从而计算出水泥水化程度，测试结果见表3。

表3 水泥水化程度

从表3可知，C-1配合比水泥水化程度随着龄期的增长而增大。20℃恒温养护下，0～7d龄期内，水泥水化程度有较为剧烈的增长，28d龄期后水泥水化程度逐渐变弱；-3℃恒温养护下，0～7d龄期内，水泥水化程度增长较快，14d后逐渐变缓，1d、3d、7d、28d 水化程度达到 20℃养护同龄期水化程度的29%、34%、46%、46%。D-1配合比水泥水化程度随着龄期的增长而增大。20℃恒温养护下，0～7d龄期内，水泥水化程度有较为剧烈的增长，28d龄期后水泥水化程度逐渐变弱；-3℃恒温养护下，0～7d龄期内，水泥水化程度增长较快，14d 后逐渐变缓，1d、3d、7d、28d 水化程度达到20℃养护同龄期水化程度的33%、40%、51%、57%。由此可见，在负温养护下，水泥水化进程只有常温养护下的50%左右，随着水灰比的增大，水泥水化程度变大。

3 结论

本文通过对负温、常温下养护不同龄期的掺合料混凝土、引气混凝土的抗压强度进行比较，分析其在不同龄期下的强度增长规律，通过比较两种水灰比的水泥在不同养护温度下的水泥水化程度的比较，得出以下结论：

（1）常温养护下，矿物掺合料的活性效应在养护至21d左右才能得到有效发挥，前期掺合料混凝土强度低于未掺加掺合料的混凝土强度。

（2）负温养护下，水灰比较大的混凝土强度增长趋势较大；矿物掺合料的活性效应发挥的更加迟缓。

（3）在负温养护下，含气量对混凝土强度增长特别敏感，水胶比越小这种影响越巨大。

（4）水泥水化反应随着时间的进行一直在发生，28d后进程变慢，在-3℃养护下的水泥水化程度在28d时约为20℃养护下的50%。

参考文献：

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[9]刘润清.多因素影响下低温混凝土抗冻临界强度的研究[D].辽宁大连:大连理工大学,2011.

[10]庄丽辉,佟胜宝,孙玉良,等.冬期混凝土强度增长规律的试验研究[J].混凝土,2007(10):4-6,11.

[11]董淑惠,冯德成,江守恒.早期受冻温度对负温混凝土微观结构与强度的影响[J].黑龙江科技学院学报,2013,1(23):63-65.