低温环境下早期养护方式对混凝土力学性能的影响

郭跃，周孝军，白时明，彭健秋，丁庆军

（1.四川公路桥梁建设集团有限公司，四川 成都 610041；2.西华大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610039；3.武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070）

0 引言

随着工程建设的发展，越来越多的工程结构处于非常严酷的建设与服役环境下，大部分混凝土工程都会经历冬季施工考验[1-3]。在低温环境下，混凝土易受冻，其内部的自由水结晶而体积增大，若混凝土早期强度发展较慢，结晶膨胀应力超过混凝土抗拉强度，便会使混凝土产生永久的裂缝危害[4-5]。因此，提高混凝土的早期强度以避免受冻破坏十分关键。研究表明，混凝土强度不仅受材料组成、功能外加剂合理应用与浇筑质量等因素影响，养护方式对促进混凝土早期强度发展也至关重要[6]，特别是在低温环境下，早期养护对水化温度和相对湿度的控制尤为关键。早期养护温度高不仅对混凝土凝结有促进作用，也能加强胶凝材料的水化反应，而养护相对湿度高则可以保证混凝土胶材水化反应的持续发生，提升微结构密实度、优化孔结构，从而促进强度发展[7-8]。为此，实际工程中混凝土浇筑完成后一般要求立即采取措施进行保水保湿养护。但由于建设环境条件的限制，养护条件通常无法做到标准要求。本文结合工程实际情况，对比研究了自然养护、覆盖棉被与发热毯养护等方式对不同胶材组成体系的混凝土早期强度发展规律的影响，并与标准养护方式进行对比，为低温环境下混凝土早期养护提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：峨胜P·O42.5R水泥，主要技术性能见表1；粉煤灰：Ⅱ级，需水量比93%，烧失量2.5%；硅灰：SiO2含量94.8%，需水量比107%，烧失量2.4%，7 d活性指数105%；细集料：机制砂，细度模数2.8；粗集料：5～26.5 mm连续级配碎石；聚羧酸减水剂：减水率20%；引气剂：减水率8.2%，含气量3.5%，pH值为8.1。

表1 水泥的主要技术性能

1.2 试验方法

混凝土抗压与抗折强度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试；动弹性模量按照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。

1.3 试验配合比

混凝土的配合比与工作性能如表2所示，试验对比研究了纯水泥（C）、水泥+粉煤灰（CFA）、水泥+粉煤灰+硅灰（CFAS）等3种不同胶材体系C50混凝土在不同养护方式下早期强度的变化规律，水胶比均为0.36，引气剂掺量为0.03%。

表2 混凝土的配合比与工作性能

1.4 养护方式

为模拟混凝土秋冬季施工环境条件，试验选择在12月份进行，混凝土分别采用自然养护、棉被养护、发热毯养护与标准养护4种不同养护方式（见图1）。自然养护：试件成型后，一直放置于室外养护至28 d；棉被养护：试件拆模后覆盖薄膜和棉被养护至28 d；发热毯养护：试件拆模后，用薄膜覆盖并覆盖电发热毯养护至7 d后，然后放置户外养护至28 d；标准养护：拆模后将试件放置标准室养护至28 d。每种养护方式均采用温度、相对湿度测定仪同步测试其温度与相对湿度变化情况，结果如图2、图3所示。

由图2、图3可见，标准养护时温度与相对湿度较稳定；室外自然养护时环境温度与相对湿度起伏不定，温度在5～10℃变化，相对湿度在70%～90%变化；包裹塑料膜并覆盖棉被后试件表面的温度与相对湿度相对较稳定，有一定的保温保湿作用；发热毯养护温度较高，稳定在40～50℃，而随养护龄期延长，前7 d其相对湿度由30%逐渐降至15%左右。

2 试验结果与分析

2.1 养护方式对混凝土抗压强度的影响（见表3）

表3 养护方式对混凝土抗压强度的影响

由表3可见，由于4种不同养护方式的早期养护温度不同，发热毯养护温度最高（40～50℃），其次是标准养护（20℃）、棉被养护（10℃）与室外自然养护（5～10℃），故各组试件3 d、7 d抗压强度均表现为：发热毯养护＞标准养护＞棉被养护＞自然养护，且3 d龄期时抗压强度表现更显著，7 d龄期时差异有所减小。养护温度越高，混凝土早期强度发展越快。随着养护龄期延长，到28 d龄期时抗压强度表现为：标准养护＞发热毯养护＞棉被养护＞自然养护。从7 d到28 d时，发热毯养护抗压强度仅有小幅增长，而标准养护、棉被养护与室外自然养护时抗压强度增幅较大，其中标准养护时抗压强度增幅最大且28 d抗压强度最高。分析认为，发热毯养护虽然养护温度较高，但相对湿度持续下降且没有及时的补水保湿，因此强度发展较慢。另外，由于发热毯养护温度一直处于40℃以上，石子与砂浆的热膨胀系数有所差异，加之高温导致养护相对湿度下降（最低相对湿度10%），造成浆体与骨料界面过渡区强度发展不利，因而混凝土中后期的抗压强度略低于标准养护。覆盖棉被养护时，温度不高但其相对湿度相对较大（相对湿度85%左右），使得其中后期强度能有较好发展。而室外养护条件下由于温度及相对湿度较低且变化大，中后期水化发展进程较覆盖棉被养护慢，混凝土强度增长较覆盖棉被时有所下降。因此，低温条件下混凝土早期养护应注意保温保湿，以促进混凝土强度的持续发展。

对比研究相同养护方式下、不同胶材组成体系混凝土的强度发展规律可知：发热毯养护时，由于养护温度较高，有利于胶材水化反应发展，3组试件的3 d抗压强度差别不大，复掺粉煤灰与硅灰的CFAS组强度稍高于其它2组，此时胶材组成体系对早期抗压强影响不大。而自然养护、棉被养护与标准养护时，3 d抗压强度表现为：C组＞CFAS组＞CFA组，由此可见，早强型水泥对早期强度贡献最大，掺入粉煤灰一定程度上影响早期强度发展，而硅灰活性较粉煤灰高，可以促进早期强度发展。7 d、28 d龄期时，4种不同的养护方式下3组试件的抗压强度均表现为：CFAS组＞C组＞CFA组，此时胶材组成体系对强度的提高占主导因素。复掺粉煤灰与硅灰的CFAS组的强度增长超过纯水泥C组，而掺粉煤灰的CFA组强度仍为最低，主要因为粉煤灰的活性相对较低，早期水化较慢，而硅灰颗粒细小、表面能高，其火山灰效应与微集料效应增加了C-S-H凝胶数量，改善了孔结构及其孔径分布，对混凝土强度增长贡献较明显，有利于混凝土抗冻性能的提高。因此，低温条件下混凝土可复掺粉煤灰与硅灰，以协同提升混凝土工作性能与力学性能。

2.2 养护方式对混凝土抗折强度的影响

表4 养护方式对混凝土抗折强度的影响

由表4可见，对比3种不同的胶材体系，28 d抗折强度总体表现为：发热毯养护＞标准养护＞棉被养护＞自然养护，与抗压强度发展规律略有不同，早期养护温度高更有利于混凝土抗折强度的发展。同时可以看到，各种养护方式下，复掺粉煤灰与硅灰的CFAS组的28 d抗折强度均为最高，主要是因为高活性掺合料改善了硬化凝胶体微观孔结构，增加了微结构密实度[9]，因而对提高混凝土抗折强度具有积极作用。

2.3 养护方式对混凝土动弹性模量的影响

抗压强度和动弹性模量是评价混凝土抗冻性的重要指标，两者之间存在相关性[10]。3组试件动弹性模量测试结果如表5所示，将4种养护方式下混凝土的抗压强度和动弹性模量分别进行相关性分析，结果见图4。

表5 养护方式对混凝土动弹性模量的影响

由图4可见，发热毯养护下拟合曲线的相关系数（0.72）和曲线参数（12.59、0.26）都与其他3种养护方式下的相差较大。在发热毯养护下，前7 d的温度维持在40～50℃、相对湿度维持在15%～30%，与自然养护、棉被养护、标准养护的前7 d温度维持在5～20℃、相对湿度在70%～90%形成了明显的差异。因此，养护温度和相对湿度是影响混凝土的抗压强度和动弹性模量相关性的重要因素。

研究表明，掺合料对抗压强度和动弹性模量之间的关系影响较小[11]，而细骨料的种类和掺量、试件尺寸与骨料尺寸对动弹性模量和抗压强度之间的关系影响显著[12]。因此，本文将单掺粉煤灰的CFA组与复掺粉煤灰、硅灰的CFAS组的试验结果统一进行相关性分析，而采用纯水泥的C组测试结果单独进行相关性分析，结果如图5～图6所示。

由图5、图6可见，C组混凝土抗压强度和动弹性模量的相关系数仅为0.643，CFA、CFAS组混凝土试件抗压强度和动弹性模量的相关系数可以达到0.895，C组的相关性系数明显低于另外2组。因此，其它条件相同时，骨料用量与砂率也是影响混凝土抗压强度和动弹性模量之间相关性的重要因素。

3 结语

（1）与棉被养护、自然养护相比，发热毯养护可以显著提高低温环境下混凝土早期抗压强度，7 d抗压强度最高可达到28 d抗压强度的97%。但持续的高温使相对湿度下降，导致混凝土中后期强度增长较慢，28 d抗压强度较标准养护时低。采用发热毯养护时，应采取持续洒水保湿措施，以促进混凝土强度持续增长。

（2）复掺粉煤灰与硅灰的混凝土的力学性能与工作性能，均明显强于单掺粉煤灰与纯水泥胶材体系的混凝土。高活性硅灰的火山灰效应与微集料填充效应，促进低温条件下混凝土强度增长，有利于提高混凝土的抗冻性能。

（3）混凝土抗压强度和动弹性模量之间存在一定关联性，养护温度和相对湿度以及骨料用量和砂率是影响此关联性的重要因素。