不同养护方式对水工混凝土耐久性影响研究

张志国

(新宾满族自治县水务事务服务中心,辽宁 抚顺 113200)

养护是指在一定的温湿度条件下对混凝土进行处理,以加速或维持其凝结过程,使其达到设计强度并优化混凝土的性能[1]。通过控制温湿度,可以调节材料的水化反应速率和反应产物的类型。在高温条件下,混凝土的水化反应速率会明显加快,胶凝材料的结晶生长和成核时间会显著缩短,使得混凝土快速进入扩散或相边界反应阶段,从而加快反应速率,这可以在一定程度上缩短养护时间,并促进混凝土的早期强度发展。然而,高温养护也可能导致一些问题,如温度应力和裂缝的形成。因此,在进行混凝土的养护时,需要根据具体情况综合考虑温湿度控制的方法和措施,以确保混凝土的性能和使用寿命[2-3]。水利工程对施工周期及混凝土性能的要求较高,而蒸汽养护可以有效解决施工周期的问题,加快构件强度增长速度[4]。然而蒸汽养护相比于标准养护会导致混凝土孔隙增大、微裂缝增加等问题[5]。蒸养是一种通过提供压力和温度来加速混凝土的早期强度发展的养护方法。蒸养可以在较短的时间内使混凝土达到较高的早期强度,从而提高构件的浇筑成型效率。蒸汽养护既改变温湿度,也是水化反应速率与反应产物发生明显变化,对混凝土性能和微观结构带来显著影响[6-8]。鉴于此,文章探究了水工混凝土抗冻性、抗氯离子渗透性和力学性能受矿粉及养护方式的影响作用。

1 试验方法

1.1 原材料准备

试验选用冀东水泥厂生产的盾石牌P·O42.5水泥,大连金桥超细粉厂提供的S95级矿渣粉,比表面积410m2/kg,苏博特SBTJM®9系列高效减水剂,骨料选用Ⅱ区河砂和粒径5～25mm石灰岩碎石,拌和水用当地自来水。

1.2 测试方法

以养护方式和矿粉为变量试验设计C80混凝土配合比如表1所示,其中标准养护的相对湿度≥90%,温度(20±3)℃,蒸汽养护流程为先静停2h→温升3h→恒温7h→温降2h,然后移入标养至28d进行耐久性能和力学性能指标测试。根据《水工混凝土试验规程》中的方法和ASTMC1202法、RCM法、NTBUILD443慢速法、快冻法进行力学性能、抗氯离子渗透性及抗冻性试验。

表1 试验配合比设计

2 结果与分析

2.1 力学性能分析

不同养护方式的混凝土力学强度,见表2。

由表2可知,蒸汽养护有利于增大混凝土早期强度,在较短时间内快速提升试块强度,但蒸汽养护相比于标准养护的28d龄期抗压强度较低,抗折、劈拉和轴心抗压强度也呈现相似的规律特征。因此,蒸养可在一定程度上提升早期强度,但不利于最终强度的发展。

2.2 耐久性能分析

采用ASTMC1202法、RCM法、NTBUILD443慢速法测定的氯离子扩散系数如表3及图1所示。研究表明蒸汽养护会明显增大试块的扩散系数和电通量,且对扩散系数的影响更加明显[9]。矿粉的掺入可以在一定程度上减小扩散系数与电通量,可以弥补蒸汽养护所带来的不利影响。

(a)电通量 (b)氯离子扩散系数

表3 不同养护方式的混凝土耐久性

通过分析可知,虽然蒸汽养护可以加快早期强度发展,但与标准养护相比,其对混凝土的耐久性指标可能产生负面影响。首先,高温蒸汽环境会导致水分生物过快蒸发,从而降低了混凝土的湿度,这使得混凝土中存在更多的孔隙,当水在这些孔隙中结冰时容易导致破坏。其次,高温环境下,混凝土中的孔隙结构可能发生变化,导致孔结构较大和孔隙直接连接,加快氯离子的扩散。此外,由于蒸汽养护导致孔隙率增加,电通量也会相应增加,这些因素导致混凝土的耐久性指标下降,影响抗氯离子渗透性和耐侵蚀性能[10]。混凝土在不同养护方式的抗冻性存在较大差异,蒸养会大大降低试块的抗冻性。

采用NTBUILD443慢速法测定的混凝土氯离子渗透深度与浓度关系线如图2(a)所示,结果显示随深度变化,掺矿粉试块的氯离子浓度衰减速度较快,矿粉作为一种细粉添加剂,可以填充混凝土内部的孔隙结构,减少渗透途径,从而降低氯离子的渗透速度和浓度。配合比相同的试块,蒸汽养护试块的氯离子浓度衰减速度随深度变化较慢,这表明蒸养对于提升混凝土的抗氯离子渗透性不利。蒸汽养护的高温环境和快速干燥会导致混凝土表面的孔隙结构变得更加致密,从而减少了混凝土的渗透途径,导致氯离子在深度变化时难以扩散和稀释。

(a)氯离子浓度曲线 (b)相对动弹模量(快冻法)

采用快冻法测定的混凝土相对动弹模量变化曲线如图2(b)所示,结果表明抗冻性最差的是蒸汽养护且未掺矿粉的J1组,当试块经过100次冻融时,掺入矿粉混凝土的相对动弹模量快速减小到60%,即掺入矿粉可以增强抗冻融性能。对于相同配合比的混凝土,在自然养护下,经过300次冻融的相对动弹模量基本不变,表明在自然养护条件下具有较好的抗冻融性能和耐久性。经过500次冻融后,同配合比的相对动弹模量减小到60%,说明经过多次冻融循环后冻融损伤逐渐显现,并对力学性能产生明显的影响。冻融循环1000次时标准养护掺20%矿粉的S0组试块相对动弹模量仍达到90%,该组试块具有较好抗冻性,且冻融循环500次后蒸汽养护掺20%矿粉的S1组试块相对动弹模量才逐渐衰减。

2.3 蒸汽养护下的微观结构

研究使用扫描电镜(SEM)对硬化水泥石进行冻融前后的微观晶体结构分析,从而深入揭示蒸汽养护对混凝土性能的影响机理,以及掺入矿粉对混凝土微观结构的影响。

结果表明,掺20%矿粉水泥石缺陷较少且浆体比较均匀,内部结构相对密实,而不掺矿粉的硬化水泥石发现疏松和不密实区。另外,掺20%矿粉的硬化浆体矿物搭接紧密,水化产物呈均匀分布状况,未掺矿粉的浆体结构存在可见氢氧化钙晶体,结构比较疏松且周边矿物存在较大孔隙。综上分析,矿粉能够有效改善浆体结构,其火山灰活性和微集料填充效应大大提高了浆体的密实程度。

标准养护条件下结晶相AFm、AFt、CH与非结晶相C-S-H凝胶等是混凝土水化产物的重要组成部分,混凝土中的过渡区域(ITZ)存在较高的孔隙率,同时有AFt和CH物质的富集现象。晶体尺寸较大且与基体紧密连接表示ITZ区域与基体之间的结合较强,而微裂纹的不明显说明ITZ的抗裂性能较好。混凝土整体的孔隙率较低,胶凝孔在总孔隙中占比较高。掺入矿粉可以降低CH晶体含量,进一步促使C-S-H凝胶的生成,从而有利于改善孔隙和ITZ结构,提升混凝土的微观结构稳定性。蒸汽养护条件下,浆体水化速率加快,结构变得致密,平均分子链增加,C-S-H凝胶量增多,CH晶体结构松散且粗大。在温度升高到70℃时,AFt转变为AFm。延长蒸养时间有利于ITZ性能的改善,这样可以使矿物掺合料更容易与ITZ周围富集的CH反应生成C-S-H。但是,蒸汽养护加快了水化速度,可能会造成更多微裂纹的形成。所以,蒸汽养护会增加多害孔和有害孔数量,使孔径粗化及总孔隙率增加,但矿物掺合料的加入以及养护试件的延长会改善和细化孔隙结构[12]。

2.4 冻融循环下的微观结构

观察分析冻融循环300次后掺20矿粉混凝土的微观结构,结果发现冻融循环未破坏硬化浆体结构,浆体与骨料之间仍然具有较好黏结性。从宏观上,冻融300次时混凝土的外观状态完好,该条件下试块相对动弹模量基本不变。对比分析冻融循环150～200次时未掺矿粉混凝土的微观结构,结果表明硬化水泥浆体内部存在一定细微裂缝,浆体相对疏松。从宏观上,冻融150～200次时混凝土表面存在剥落现象,该条件下试块相对动弹模量快速减小到60%以下。未掺和掺矿粉混凝土的微观结构具有明显差异,冻融循环300次时混凝土仍具有较好密实性,而冻融150～200次时未掺矿粉硬化基体已发生严重破坏,可见明显的氢氧化钙晶体和相当疏松的浆体结构[13]。

3 结 论

研究表明,蒸汽养护会降低水工混凝土的抗渗性和抗冻性等耐久性指标,特别是对抗冻性的影响更加显著。加入适量矿粉能够在一定程度上弥补蒸汽养护的不利影响,明显改善基体微观孔隙结构。

对于耐久性要求较高的水工混凝土应慎重选用蒸汽养护,为保证混凝土质量必须严格控制蒸汽养护下的耐久性指标,通过优化工艺技术参数和掺入适量矿物掺合料降低蒸汽养护所带来的不利影响。