-3 ℃养护下引气混凝土强度及孔径分布规律研究★

王天双 王起才 代金鹏 张 波 王坚强

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070； 3.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)

随着我国社会经济的发展，我国对于交通运输业的要求也随之增加，一条高质量、高效率的铁路通道可以为沿线地区带来巨大的经济效益与社会效益，例如青藏铁路的建成为青藏地区带来了新的发展机遇，但是青藏高原地区气候寒冷，气温低、温差大，所以约有550 km铁路穿越多年冻土区，沿线冻土年平均地温为0 ℃～-3.5 ℃[1,2]，因此青藏铁路常常“以桥代路”跨越多年冻土区，且桥梁基础多采用钻孔灌注桩基础[3]，因此基础的混凝土长期处于负温的养护环境下。关于负温混凝土，国内外学者进行了大量的研究，张瑞稳等[4]研究了负温(-3 ℃)养护条件下，引气混凝土在不同龄期内混凝土强度及渗透性变化规律；代金鹏等[5]表明-3 ℃养护条件下，掺加矿物掺合料的混凝土强度均低于不掺加的，矿物掺合料的掺加对混凝土抗氯离子渗透性能有一定程度的改善，也可以细化混凝土的孔结构；田悦等[6]采用恒低温一次冻结法和自然变低温多次冻结法，研究了在不掺防冻剂的情况下，不同养护条件下掺合料对低温混凝土强度的影响并测定混凝土在不同龄期的强度值；梁柯鑫等[7]研究了低温(3 ℃)养护环境下不同水胶比对引气混凝土孔结构参数以及抗渗性能的影响；李治等[8]对比了标养、恒负温养护、变负温养护下高性能混凝土抗压强度、抗渗性及抗冻性；杨英姿等[9]研究两种坍落度、两种防冻剂的混凝土在自然变负温养护和恒负温养护条件下抗压强度发展规律；巴恒静等[10]分析了负温混凝土的显微结构，提出了变负温环境中掺防冻剂混凝土的强度远高于恒负温养护下的强度；赵霄龙等[11]研究了掺混合材负温防冻剂混凝土强度发展规律，并提出了混合材和高效防冻剂的使用掺量；尹建[12]采用理论分析与试验研究相结合的方式，研究了不同养护制度下负温混凝土的温度场及微观性能变化规律。以上研究多为单一含气量下负温混凝土的强度及性能，而实际工程中掺加引气剂主要为了提高混凝土的抗冻性，而不同引气剂掺量对强度及孔结构的研究较少。本研究通过试验，比较不同含气量下标养与负温养护下的混凝土的强度与孔径分布，为负温混凝土的施工与使用提供依据。

1 试验过程

1.1 试验原材料

本试验仪器采用强制式混凝土搅拌机、人工气候模拟箱、标养室、压力试验机以及多功能微结构分析与成像系统等。水灰比采用0.36，水泥采用甘肃祁连山水泥集团股份有限公司生产的P.O42.5级水泥，水泥性能指标如表1所示。细集料采用天然河砂，含泥量为3.2%，细度模数为2.8，属中砂；粗骨料选用粒径范围5 mm～31.5 mm的连续级配碎石；水采用兰州自来水；减水剂选用缓凝型聚羧酸高性能减水剂；引气剂为液体SJ-2型引气剂，四组试验引气剂掺量分别为0%,0.05%,0.08%和0.12%，混凝土配合比如表2所示。

表1 P.O42.5水泥性能指标

表2 混凝土配合比

1.2 试验步骤及方法

本试验按照引气剂掺量分为BF1,BF2,BF3和BF4四组，按照表2所示称取规定的水泥、砂子、碎石等材料，按照要求拌和混凝土；坍落度控制在(200±20)mm，将新拌和的混凝土制成100 mm×100 mm×100 mm的试件，将试件分别在标准养护室(20 ℃)和人工气候模拟箱(-3 ℃)养护，负温养护的试件采用套袋保持一定的湿度。根据GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准混凝土强度测试方法测试标准养护下28 d龄期的混凝土抗压强度，负温养护下测试7 d,14 d,21 d,28 d,35 d……抗压强度，强度达到标养28 d的强度值的±3%范围内即视为达到等强度。然后利用多功能微结构分析与成像系统(核磁共振系统)，真空饱水24 h后测试达到两种养护条件下等强度混凝土的孔径分布情况。

2 结果与分析

2.1 混凝土强度试验结果分析

以标养28 d龄期的混凝土抗压强度值的±3%范围为基准，对比-3 ℃养护下规定龄期的抗压强度，在此范围内即视为达到等强度，混凝土抗压强度如图1所示。

由图1混凝土抗压强度可以得知，两种养护条件下，随着引气剂掺量的增加，同一龄期下混凝土抗压强度降低；在-3 ℃养护下，混凝土抗压强度随着龄期逐渐增长，其中前14 d快速增长，可达到标养28 d的60%～83%，随后增长速度减慢，主要是因为前期水泥的水化反应中对强度起决定作用的C3S在早期的强度发展较快，并且水化反应放热又加速了负温下混凝土的水化反应，而到了后期负温条件使得水分子接近冰点，导致水化反应减缓，对强度发展起到了抑制作用；此外对比两种养护条件下混凝土的抗压强度，可以得到四种引气剂掺量下混凝土达到等强度均为35 d，由此得到引气剂掺量对负温养护下混凝土达到等强度几乎无影响，仅仅是负温的养护环境会降低水泥的水化程度，从而减缓了混凝土抗压强度的发展，达到等强度后，负温混凝土抗压强度继续增长，直至超越标养28 d龄期的强度，由此也可以得到低温仅是减缓了混凝土抗压强度的发展速率，但是并不降低混凝土抗压强度的发展大小。

2.2 孔径分布试验结果分析

将标准养护与达到等强度负温养护的试块分别真空饱水24 h后，利用核磁共振系统，可得到两种养护方式下等强度混凝土的孔径分布对比，如图2所示。

由图2等强度龄期下混凝土的孔径分布可以得到：标养与负温养护两种养护方式下，随着引气剂掺量的增加，混凝土的孔径分布向劣化趋势发展，引气剂掺量越大，孔隙数量与孔径都增大，这也印证了混凝土抗压强度的发展规律，引气剂掺量越大，混凝土孔隙越大，强度也随之降低，当引气剂掺量为0,0.05%时，混凝土的孔径大部分小于1 μm，此时混凝土的强度较高，而当混凝土引气剂掺量为0.08%,0.12%时，孔隙数量和孔径大小都增大较多，有害孔径所占比例大大增加，混凝土的强度也随之降低，所以引气剂的掺加会降低混凝土的密实度，进而影响混凝土的强度。此外两种养护方式下，同一引气剂掺量，混凝土负温下的孔径分布差于标准养护，具体表现在孔径变大且大孔径所占比例上升，所以等强度混凝土只是达到了“等强度”，但是并未达到“等孔径分布”，也未达到“等孔结构”。

3 结果与分析

1)标养与负温(-3 ℃)养护下，随着引气剂掺量的增加，混凝土抗压强度降低，且引气剂掺量对两种养护方式下的混凝土达到等强度时长无影响，仅是负温减缓了强度发展。

2)标养与负温(-3 ℃)养护下，随着引气剂掺量的增加，混凝土的孔径分布向劣化趋势发展，使得抗压强度也随之降低。

3)同一引气剂掺量，两种养护方式下混凝土虽达到等强度，但是负温养护的混凝土孔径分布差于标养，即混凝土达到了等强度，但是并未达到等孔结构。