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(1.甘肅省交通運輸廳，蘭州 730050；2.蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730070；3.甘肅路橋建設集團有限公司，蘭州 730030)

1 研究背景

隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國家在基礎交通建設中投入了大量的資金及人力，“一帶一路”的大力推進使西北地區(qū)的交通建設達到了高峰期。與此同時，隨著高性能混凝土的出現(xiàn)及先進的施工工藝、新型設備及新材料的豐富，混凝土在建設過程中被大量使用。西北地區(qū)大多為極旱、大溫差氣候條件，加之西北地區(qū)又多為鹽漬凍土，含有較多的鹽類，如硫酸鹽和氯鹽，在這種環(huán)境下施工的混凝土橋墩在澆筑結束后就可能產(chǎn)生裂縫，甚至出現(xiàn)大面積的龜裂。而開裂后的裂縫滲入易造成腐蝕性介質和水分侵入，將導致混凝土劣化、鋼筋銹蝕，使混凝土耐久性降低，進而縮短結構的使用壽命[1]，嚴重影響了混凝土結構的安全性和耐久性。如果養(yǎng)護不及時或不到位可能造成混凝土抗?jié)B性下降，引發(fā)一些耐久性的問題。目前，對這種環(huán)境下混凝土橋墩的合理養(yǎng)護方式和養(yǎng)護天數(shù)的研究較少，且已在使用的一些養(yǎng)護方式對混凝土耐久性和微觀孔結構的影響尚不明確，因此研究極旱、大溫差地區(qū)養(yǎng)護方式對混凝土橋墩的影響有其必要性。

目前，謝超等[2-3]學者研究了不同水灰比、養(yǎng)護條件下混凝土孔結構、抗壓強度與分形維數(shù)間的關系；劉競等[4]、殷惠光等[5]詳細地研究了養(yǎng)護措施和養(yǎng)護時間對摻與不摻礦渣混凝土性能的影響；張戎令等[6]、李舟等[7]、周立霞[8]對西北地區(qū)嚴酷環(huán)境條件下混凝土橋墩養(yǎng)護的問題進行了深入的研究；劉軍等[9]、趙霄龍等[10]、張明等[11]學者對混凝土材料孔結構及孔結構與滲透性能間的關系進行研究。關于在極旱、大溫差氣候條件下，養(yǎng)護條件和養(yǎng)護天數(shù)對混凝土橋墩的抗?jié)B性、微觀孔結構的影響的研究較少。選擇合理的養(yǎng)護天數(shù)、了解不同養(yǎng)護方式下混凝土耐久性與孔結構間的關系，是個值得研究的問題。因此，本文研究了不同養(yǎng)護方式及不同養(yǎng)護天數(shù)下混凝土橋墩強度、抗?jié)B性及微觀孔結構之間的關系。

2 試 驗

2.1 混凝土配合比

采用C35混凝土，水膠比為0.4,具體配合比見表1。

表1 每1 m3混凝土質量配合比(C35)Table 1 Mass proportion of concrete per 1 m3(C35)

2.2 試驗材料檢測結果

水泥、粗骨料、細骨料、水的性能指標分別見表2—表5。

表2 水泥性能指標Table 2 Indicators of cement performance

表3 粗骨料的性能指標Table 3 Indicators of coarse aggregate performance

表4 細骨料的性能指標Table 4 Indicators of fine aggregate performance

表5 水的性能指標Table 5 Indicators of water performance

混凝土強度等級為 C35，根據(jù)表2 可知試驗所用水泥的各項指標均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)中的技術要求；根據(jù)表2及表3可知，天然砂、粗集料各項指標均符合《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JTG/T F50—2011)的要求；表4中所用水的各項指標均符合混凝土拌合標準。

圖1 不同養(yǎng)護方式下的橋墩Fig.1 Bridge pier maintained by different methods

2.3 試驗方案

2.3.1 養(yǎng)護方式

采用土工包裹養(yǎng)護(TG)、新材料包裹養(yǎng)護(一種保溫保濕材料，相對土工布保濕效果較好)(XL)、自然養(yǎng)護(ZR)[12-13]3種養(yǎng)護方式來研究不同養(yǎng)護方式對試驗橋墩的影響。土工布包裹養(yǎng)護、新材料包裹養(yǎng)護分別選用養(yǎng)護7，14，28 d，養(yǎng)護結束后將試驗橋墩放置于大氣之中，共計制作橋墩7個，見圖1。同時制作了標準養(yǎng)護(BZ)下的立方體試塊，用于與其他養(yǎng)護方式進行各項性能的對比分析和研究。

2.3.2 測試取樣

對不同養(yǎng)護方式下的混凝土橋墩在齡期28時進行強度回彈，記錄其強度發(fā)展規(guī)律。在齡期28 d時對所有試驗橋墩進行鉆心取樣(圖2)，測試其抗?jié)B性(圖3(a))及微觀孔結構(圖3(b))的變化，并分析微觀孔結構與抗?jié)B性及強度的關系。

圖2 混凝土橋墩鉆心取樣Fig.2 Coring of concrete pier

圖3 混凝土抗?jié)B性測試及微觀孔結構測試Fig.3 Test of impermeability and micro-pore structure of concrete

2.4 試驗方法

2.4.1 強度測試

參與試驗的各組混凝土試驗橋墩都是根據(jù)表1中的配合比及表2—表5的原材料一次性制作成直徑1.4 m、高1.6 m的橋墩。根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)測試混凝土橋墩強度。

2.4.2 微觀孔結構測試

本試驗選用氣孔分析(Rapid Air457) 對孔結構進行測試。將取到的樣品切割成厚度為1～2 cm的試件，經(jīng)打磨、拋光、清潔、噴色并涂抹氧化鋅，待干燥后擦去表面氧化鋅放入試驗臺測試。在測試軟件中，輸入水膠比、測試范圍、閾值等參數(shù)，并用模板標定尺寸后，由硬化混凝土氣孔結構分析儀自動采集數(shù)據(jù)。

2.4.3 抗氯離子滲透試驗

混凝土抗氯離子滲透性測定方法采用加速滲透法中的ASTMC1202直流電量法，即電通量法。參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)，將樣品制成100 mm×50 mm的圓柱體試件。試驗前進行真空飽水，試驗時在試件軸向施加60 V直流電壓，試件的正、負極兩側的試驗槽內分別放置濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液和質量分數(shù)為3%的NaCl溶液，記錄6 h內通過試件的總電量。

3 試驗結果及分析

3.1 強度分析

根據(jù)圖4(a)可知，TG與XL均養(yǎng)護7 d時，28 d齡期時強度分別達到38.42 MPa及39.15 MPa。以BZ養(yǎng)護下28 d齡期時的強度為基準，ZR,XL7,TG7分別是它的78.32%,87.93%,86.29%，按照保溫保濕效果的優(yōu)劣順序，強度呈現(xiàn)出遞減的趨勢。根據(jù)圖4(b)分析可知，TG與XL均養(yǎng)護14 d時，28 d齡期時強度分別達到41.06 MPa及41.78 MPa，比養(yǎng)護7 d時分別增加了6.71%及6.87%，說明保溫保濕措施越好，對后期強度的增長越有利。根據(jù)圖4(c)可知，XL與TG均養(yǎng)護28 d時，兩者在齡期28 d時強度分別達到了42.95 MPa及43.02 MPa，相對養(yǎng)護7 d時的強度，XL28與TG28分別增加了11.7%及9.8%。以養(yǎng)護28 d齡期的強度為基準，XL28,TG28,ZR養(yǎng)護分別是它的94.67%和96.63%。ZR養(yǎng)護下的強度只有34.87 MPa，是BZ養(yǎng)護下的78.32%，說明極旱、大溫差環(huán)境對混凝土橋墩影響極為嚴重，因此在此環(huán)境下應加強混凝土養(yǎng)護。

圖4 養(yǎng)護不同天數(shù)時混凝土28 d強度Fig.4 The 28d strength of concrete cured for different ages

隨著養(yǎng)護天數(shù)的增加，不同養(yǎng)護方式下的混凝土橋墩的強度不斷增加，養(yǎng)護天數(shù)為7 d時強度達到標準養(yǎng)護下的85%以上，而養(yǎng)護14 d時強度達到標準養(yǎng)護的92.22%。從此數(shù)據(jù)看，后期增長的幅度明顯小于早期強度增長速度，說明在這種極旱、大溫差地區(qū)早期養(yǎng)護至關重要。因此應該加強早期的養(yǎng)護，防止混凝土強度損失。隨著保濕的效果增強，養(yǎng)護強度發(fā)展趨勢越來越好，因此在這種特殊環(huán)境下應該選擇保濕效果較好的養(yǎng)護方式進行養(yǎng)護。而隨著養(yǎng)護天數(shù)增加，強度的增加速度明顯下降，養(yǎng)護14 d時強度就可達到要求，因此建議養(yǎng)護天數(shù)不宜過長，選擇養(yǎng)護14 d左右即可。

3.2 抗?jié)B性分析

混凝土抗?jié)B性歷來是混凝土構件檢測的重要指標，抗?jié)B性能的考查是保證混凝土結構使用年限的重要步驟。因此，對不同養(yǎng)護方式下及不同養(yǎng)護天數(shù)下混凝土抗?jié)B性進行了測試和分析，以期得到的結論能給施工提供一些理論指導和幫助。

根據(jù)圖5(a)可知，TG與XL均養(yǎng)護7 d時的電通量分別達到了2 256.78 C及2 189.69 C。以BZ養(yǎng)護下混凝土電通量為基準，ZR,TG7,XL7分別是其的1.38倍、1.34倍、1.30倍。造成此現(xiàn)象的原因是，養(yǎng)護方式越差，早期水泥水化反應就越差，導致混凝土內部存在的自由水就越多，而自由水的存在使得混凝土產(chǎn)生更多的連通的孔。同時，由于后期養(yǎng)護無法提供水化反應所需的濕度及溫度要求，致使混凝土水化反應產(chǎn)物難以充分填充內部的孔，從而也導致其抗?jié)B性下降。

圖5 養(yǎng)護不同天數(shù)時混凝土電通量Fig.5 Electric flux of concrete cured for different ages

根據(jù)圖5可知，隨著養(yǎng)護天數(shù)的增加，混凝土的電通量不斷減小，TG7,TG14,TG28分別是BZ的1.34倍、1.25倍、1.17倍，而XL7,XL14,XL28分別是BZ養(yǎng)護下的1.30倍、1.23倍、1.13倍。TG不同養(yǎng)護天數(shù)下分別是XL養(yǎng)護的1.03倍、1.01倍、1.04倍，說明TG養(yǎng)護下混凝土的抗?jié)B性低于XL養(yǎng)護下的抗?jié)B性。因此，在這種特殊環(huán)境下養(yǎng)護方式的保濕效果越好，混凝土的抗?jié)B性越好。而ZR下的混凝土的電通量為2 329.78 C,是BZ養(yǎng)護下的1.38倍，說明特殊的氣候環(huán)境對混凝土的抗?jié)B性影響極大。因此，在這種極旱、大溫差環(huán)境下應加強對混凝土的養(yǎng)護，防止混凝土抗?jié)B性不足而導致混凝土結構安全難以保證。

3.3 微觀孔結構分析

3.3.1 孔徑分布

混凝土作為一種由凝膠材料將集料膠結成整體的工程復合材料，在制作開始到成型的過程中均有孔的形成。組成混凝土的粗細骨料自身含有孔隙和裂縫；其次，水泥石的收縮、溫度變化、成型條件等因素所引起的大孔洞、微裂縫等缺陷，很有必要研究混凝土孔結構。我國吳中偉教授等[14]對混凝土的孔級劃分如下:孔徑<20 nm的孔為無害孔，孔徑20～50 nm的孔為少害孔，孔徑在50～200 nm的孔為有害孔，孔徑>200 nm的孔為多害孔。

由圖6(a)可看出:ZR和BZ養(yǎng)護下無害孔分別為12.33%,32.68%，而多害孔分別占20.51%,9.53%；XL7,XL14,XL28養(yǎng)護下無害孔分別為13.08%,16.73%,17.47%，是BZ養(yǎng)護下的59.21%,66.98%,75.61%，且多害孔分別占17.68%,13.71%,10.48%。由此可見養(yǎng)護時間越久，混凝土無害孔所占比例越大，而有害孔所占比例越小。養(yǎng)護14 d與養(yǎng)護28 d差別較小，因此推薦養(yǎng)護14 d。

根據(jù)圖6(b)可知，TG7，TG14，TG28養(yǎng)護下的多害孔(>200 nm)分別占18.72%，14.06%，10.95%，分別是XL7，XL14，XL28養(yǎng)護下的1.05倍、1.03倍、1.04倍。此現(xiàn)象說明養(yǎng)護濕度越好，混凝土水化反應程度更高，多害孔越少。而ZR養(yǎng)護下多害孔是BZ養(yǎng)護下的2.11倍，說明這種特殊環(huán)境對混凝土的影響非常大，應加強此地區(qū)對混凝土的養(yǎng)護。

圖6 不同養(yǎng)護下混凝土孔徑分布Fig.6 Pore size distribution of concrete maintained by different methods

3.3.2 最可幾孔徑

不同養(yǎng)護方式下最佳孔徑分布曲線的峰值最大處的孔徑為最可幾孔徑，其物理意義為：混凝土中小于該孔徑則不能形成連通的孔道，也即為出現(xiàn)幾率最大的孔徑。

根據(jù)圖7(a)可知，TG養(yǎng)護時間分別為28，14，7 d的最可幾孔徑分別為0.011，0.013，0.016 mm，而ZR和BZ養(yǎng)護下的最可幾孔徑分別為0.019 mm和0.009 mm。以BZ養(yǎng)護下的最可幾孔徑為基準，TG28，TG14，TG7，ZR分別是它的1.3倍、1.6倍、2.0倍、2.3倍，而不養(yǎng)護混凝土的最可幾孔徑達到BZ的2.3倍。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：①極旱、大溫差的戈壁氣候對混凝土影響較大；②隨著養(yǎng)護天數(shù)的增加，后期混凝土的水化程度越來高，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物填充了部分的孔，使得混凝土更加密實，從而減小大孔的出現(xiàn)。

根據(jù)圖7(b)可知，XL養(yǎng)護下養(yǎng)護時間分別為28，14，7 d的最可幾孔徑分別為0.010，0.012，0.015 mm，隨著養(yǎng)護天數(shù)的增加最可幾孔徑逐漸增大，這就說明混凝土的抗?jié)B性在逐漸下降。而養(yǎng)護14 d與養(yǎng)護28 d相差較小，因此在養(yǎng)護中建議養(yǎng)護時間為14 d。對TG與XL進行對比分析，XL養(yǎng)護時間分別為7，14，28 d的最可幾孔徑分別是TG養(yǎng)護下的90.09%，92.30%，81.25%，說明在極旱、大溫差地區(qū)混凝土的保濕養(yǎng)護尤為重要，因此在養(yǎng)護過程中應選擇保濕效果較好的養(yǎng)護方式。

圖7 不同養(yǎng)護下混凝土孔徑分布最佳曲線Fig.7 Curves of optimum pore size distribution of concrete maintained by different methods

3.3.3 孔間距系數(shù)

根據(jù)表6可知，ZR，TG28，XL28，BZ的孔間距系數(shù)分別為0.280,0.199,0.120,0.090 mm-1，以BZ養(yǎng)護為基準，ZR，TG28，XL28分別是它的3.1倍、2.2倍、1.3倍。而按此順序混凝土的強度、抗?jié)B性、含氣量逐漸增強，說明孔間距系數(shù)越小，混凝土強度及抗?jié)B性就越好。

表6 不同養(yǎng)護方式下混凝土氣孔間距系數(shù)及含氣量變化Table 6 Air void coefficient and air content ofconcrete under different curing methods

中國水利水電科學研究院和交通運輸部一航局科研所等單位的大量試驗結果表明[10-11]，硬化混凝土氣孔平均間距系數(shù)不超過0.300 mm-1時，混凝土抗凍等級即可達到F300(抗凍性)。從表6中可以看出，所有養(yǎng)護方式下混凝土的氣孔間距系數(shù)均<0.300 mm-1，所以所有養(yǎng)護方式下的混凝土均具有良好的抗凍性。

4 結 論

(1)極旱、大溫差地區(qū)養(yǎng)護方式保濕保溫效果越好，后期強度越高、抗?jié)B性越好；養(yǎng)護天數(shù)越長，強度越高、抗?jié)B性越好。當土工布包裹養(yǎng)護及新材料包裹養(yǎng)護天數(shù)為14 d時，28 d齡期時的強度可達到標準養(yǎng)護下的94.67%和96.63%。因此，在極旱、大溫差地區(qū)選用灑水包裹養(yǎng)護時，建議養(yǎng)護天數(shù)為14 d。

(2)自然養(yǎng)護與標準養(yǎng)護下電通量為2 329.78 C及1 683.12 C，土工布養(yǎng)護下TG7,TG14,TG28分別是BZ的1.34倍、1.25倍、1.17倍，新材料養(yǎng)護下XL7,XL14,XL28分別是BZ養(yǎng)護下的1.30倍、1.23倍、1.13倍。

(3)極旱、大溫差地區(qū)土工布包裹分別養(yǎng)護7，14，28 d下的混凝土最可幾孔徑是標準養(yǎng)護的2.0倍、1.6倍、1.3倍，而新材料包裹分別養(yǎng)護7，14，28 d下混凝土最可幾孔徑是標準養(yǎng)護的1.7倍、1.3倍、1.1倍。養(yǎng)護天數(shù)越長，最可幾孔徑就越小。

(4)自然養(yǎng)護、標準養(yǎng)護下無害孔分別占12.33%,32.68%，多害孔分別占20.51%,9.53%，而XL7,XL14,XL28養(yǎng)護下無害孔分別為13.08%,16.73%,17.47%，是BZ養(yǎng)護下的59.21%,66.98%,75.61%。多害孔分別為17.68%,13.71%,10.48%。TG7,TG14,TG28養(yǎng)護下的多害孔(>200 nm)分別為18.72%,14.06%,10.95，是XL7,XL14,XL28養(yǎng)護下1.05倍、1.03倍、1.04倍。

(5)通過對混凝土強度、抗?jié)B性及微觀孔結構的分析和研究，發(fā)現(xiàn)新材料包裹與土工包裹養(yǎng)護天數(shù)>14 d時各項性能均可滿足要求。