張戎令，王起才，楊 斌，龍朝飛

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.中國鐵路建設集團管理有限公司, 北京 100161)

混凝土由水泥、粗骨料、細骨料、水等多種物質組成，為多孔介質材料?；炷恋脑S多特性與其孔結構有關[1]，例如，混凝土毛細孔中冰結晶壓力的發(fā)展引起的內(nèi)部凍害，孔隙結構對水泥/混凝土試樣的凍融耐久性有重要影響[2]。混凝土在長期凍融作用下，可能會產(chǎn)生裂紋，而這種裂紋為水分和有害介質滲入混凝土內(nèi)部提供了途徑；鹽凍破壞明顯高于水凍破壞，且破壞迅速[3]，最終造成混凝土結構服役壽命大幅度縮短[4]。目前，國內(nèi)外學者針對混凝土凍融破壞問題開展了大量研究，總結了在凍融循環(huán)作用下環(huán)境因素對混凝土凍融損傷的作用機制和影響規(guī)律；開展了相關理論與試驗研究[5]；探討了不同配合比的混凝土在不同腐蝕方式下抗凍性和抗腐蝕性能演變規(guī)律[6]，研究指出，混凝土中摻入復合防凍劑和礦物摻和料有利于提高其在負溫環(huán)境下的力學性能和抗凍耐久性[7]；分析了三種溫度工況下凍融次數(shù)對混凝土彈性模量的影響[8]，選定動彈性模量作為混凝土在水下和除冰鹽凍融循環(huán)作用下的損傷變量，導出在此條件下混凝土凍融疲勞損傷方程，進而構建了相應壽命預測模型[9]；認為在寒冷地區(qū)，凍融對混凝土材料有嚴重的降解作用，提出內(nèi)聚力減小參數(shù)，建立了凍融破壞本構模型[10]。Luo等[11]認為在不同的凍融作用下混凝土界面過渡區(qū)最有可能在霜凍侵蝕下首先破壞；Jin等[12]通過抗力降低量來計算損傷程度，以評估遭受凍融循環(huán)后混凝土內(nèi)部的劣化情況；文獻[13-14]發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)作用下，混凝土內(nèi)部孔隙結構演變過程與其受凍損傷機理和宏觀力學性能密切相關，基于CT分析技術，研究進一步得出了混凝土試樣在凍融循環(huán)作用下內(nèi)部孔隙結構隨凍融循環(huán)次數(shù)增長的變化規(guī)律，建立了混凝土孔隙率與其抗壓強度的函數(shù)關系式；Wawrzeczyk等[15]采用臨界質量增加所需的凍融循環(huán)次數(shù)用于確定Weibull分布參數(shù)，建立了凍結狀態(tài)下混凝土損傷模型。

世界范圍內(nèi)多年凍土區(qū)分布廣泛，總占地面積約為22.79×106km2,占據(jù)北半球陸地面積的24%[16]；我國有廣袤的凍土區(qū)，其總面積約2.15×106km2，占全國總領土面積的22.3%[17]。持續(xù)低負溫凍土地區(qū)，混凝土樁基礎、承臺等下部結構長期處于低負溫環(huán)境中，因此，此類混凝土強度增長規(guī)律明顯不同于常溫下混凝土的強度增長規(guī)律。以青藏鐵路凍土層中混凝土灌注樁為研究對象，對持續(xù)-3 ℃環(huán)境下引氣混凝土早期強度的發(fā)展規(guī)律和抗凍耐久性進行試驗分析發(fā)現(xiàn)，相比標準養(yǎng)護，持續(xù)負溫養(yǎng)護環(huán)境下混凝土的強度有明顯的“齡期滯后”現(xiàn)象[18]，此現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和內(nèi)在機理有待進一步深入研究。

本文為掌握高寒低負溫凍土地區(qū)混凝土強度增長機理，開展了四種不同入模溫度、兩種環(huán)境養(yǎng)護制度下混凝土水泥水化、強度以及微觀結構的試驗研究，對試驗數(shù)據(jù)進行多元擬合，分析基于標準養(yǎng)護下考慮入模溫度和齡期的低負溫時混凝土強度預測計算公式。

1 原材料特性及試驗方法

1.1 原材料特性

本試驗使用水泥為P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，其相關實測指標見表1。粗骨料選用5.0～31.5 mm的連續(xù)級配，其各項實測技術指標見表2。細骨料采用細度模數(shù)為2.47的河砂，其各項實測技術指標見表3。聚羧酸型減水劑各項實測指標見表4。持續(xù)負溫(-5 ℃)養(yǎng)護和標準養(yǎng)護下的混凝土試樣配合比一致，詳見表5。

表1 P·O42.5普通硅酸鹽水泥技術指標

表2 碎石技術指標

表3 砂的級配

表4 減水劑檢測指標

表5 混凝土配合比設計及試驗溫度工況

1.2 試驗設計1.2.1 入模溫度控制

為得出適應凍土區(qū)混凝土強度的計算方法，以凍土區(qū)凍土溫度為實際工程背景，依據(jù)既有規(guī)范[19-20]，以實際工程中入模溫度的可行性為指導，試驗入模溫度共設計4種工況，分別為5、10、15、20 ℃，對應的溫度控制精度分別為(5±1)、(10±1)、(15±1)、(20±1) ℃。為了能夠準確控制不同入模溫度工況，試驗前，將稱好的混凝土原材料提前放置在恒溫養(yǎng)護箱內(nèi)，依據(jù)不同入模溫度工況調設好試驗箱溫度，進行預溫處理，以達到試驗時相應入模溫度要求。

1.2.2 環(huán)境溫度控制

混凝土所處的環(huán)境溫度直接影響其強度增長。在凍土區(qū)，混凝土澆筑后，將長期處于低負溫環(huán)境中。為了研究混凝土在凍土區(qū)強度增長規(guī)律，試驗共設計了兩種環(huán)境溫度。

環(huán)境溫度一：持續(xù)負溫(-5 ℃)下，待混凝土入模后將其放入溫度為-5 ℃的大氣模擬箱中養(yǎng)護，3 d后，進行試件的脫模，然后繼續(xù)在該溫度環(huán)境下養(yǎng)護?；炷翝仓戤吅蟛灰诉^早脫模，通過預試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土在持續(xù)負溫環(huán)境下完成終凝需要3 d時間。

環(huán)境溫度二(對比組)：將澆筑完畢的混凝土放入標養(yǎng)室進行標準養(yǎng)護，室內(nèi)環(huán)境溫度為(20±1) ℃，濕度大于90%。養(yǎng)護1 d后對試件進行脫模，之后繼續(xù)在標養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護。

1.2.3 水泥水化熱控測

蓋斯定律認為，化學反應的熱效應只與體系的初態(tài)和終態(tài)相關?；诖嗽恚囼灢捎萌芙鉄岱y試恒定負溫(-5 ℃)環(huán)境下水泥的累積水化放熱量，測試流程詳見GB/T 12959—2008《水泥水化熱測定方法》[20]。

1.2.4 強度及微觀孔結構測試

強度試驗按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[21]進行，試驗澆筑了兩批100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試塊，將澆筑好的試塊分別置于標準養(yǎng)護環(huán)境和持續(xù)負溫養(yǎng)護環(huán)境中，待試塊達到指定齡期(3、14、28、42、56、70、84、98、112 d)時取出，采用電液伺服壓力試驗機測試兩種養(yǎng)護制度下試塊的抗壓強度。

采用全自動測孔儀測試混凝土的孔徑分布情況和孔隙率。測試流程分為兩步：首先，準備(7±0.5) g的試樣(避免試件質量影響試驗結果)，將其放入烘箱中烘干，烘烤結束后取出試樣冷卻至25 ℃；然后，采用全自動測控儀對制備好的試樣進行高低壓測試，采集并分析數(shù)據(jù)。

2 強度增長過程中水化反應

分析計算時，依據(jù)GB/T 12959—2008《水泥水化熱測定方法》[20]，首先對水化熱進行熱量計熱容量標定計算，熱容量和經(jīng)矯正的溫度為

(1)

(2)

式中：C為熱量計熱容量；G0為氧化鋅重量；t為氧化鋅加入熱量計時的室溫；ta為溶解期首次θa加貝氏溫度計0 ℃時對應的溫度；R0為經(jīng)校正的溫度上升值；θa和θb分別為溶解期首次和結束時測讀溫度；a和b分別為測讀θa和θb時距初測期結束溫度時所經(jīng)過的時間。

未水化水泥和部分水化水泥溶解熱為

(3)

(4)

式中：q1和G1分別為未水化水泥溶解熱和其灼燒后的質量；q2和G2分別為經(jīng)某一齡期水化水泥溶解熱和其灼燒后的質量；T′和T″分別為未水化水泥和水化水泥在熱量計時的室溫；ta′和ta″分別為未水化水泥和水化水泥溶解期首次測讀θa′的0 ℃時對應的溫度。

升溫值和溫度上升值分別為

(5)

(6)

式中：R1、R2分別為升溫值、溫度上升值；θ0′、θa′、θb′分別為未水化水泥試樣初期、溶解期首次和第二次時的溫度；a′、b′分別為未水化水泥溶解期首次時θa′和第二次θb′距初期θ0′的時間；θ0″、θa″、θb″、a″、b″與前述相同，但在這里是代表水化水泥試樣。

水泥水化熱為

q=q1-q2+0.4(20-ta′)

(7)

(8)

式中：q為水泥某一水化齡期放出的水化熱；γt為t時間內(nèi)發(fā)生水化的量和完全水化量的比值；Qt、Qm分別為t齡期水化放熱總量、水泥完全水化放熱總量。

3 試驗結果分析

四種不同入模溫度和兩種環(huán)境溫度下，水泥水化過程中水化放熱量、水化程度及對應混凝土不同齡期下的強度發(fā)展規(guī)律見圖1～圖4。

圖1 不同入模溫度在持續(xù)負溫養(yǎng)護下的水泥水化

圖2 不同入模溫度在持續(xù)負溫養(yǎng)護下的水泥水化量

圖3 不同入模溫度的混凝土水化程度變化

圖4 不同入模溫度的混凝土抗壓強度變化

由圖1～圖3分析可知，在四種不同入模溫度工況下，無論是在標準養(yǎng)護還是在持續(xù)-5 ℃養(yǎng)護條件下，水泥水化過程均隨齡期增加而增加。根據(jù)水化反應放熱情況，可以將凍土區(qū)恒定負溫下水泥水化分為早期快速水化、中期較快水化、后期緩慢水化三個階段。水化初期快速反應階段為從澆筑到齡期14 d，這一過程中，水化速度最快，20 ℃入模溫度下，標準養(yǎng)護14 d的水化熱為332.6 J/g，約為放出水化熱總量的73%；20、15、10、5 ℃四種入模溫度在持續(xù)-5 ℃負溫環(huán)境下水泥水化對應的水化熱量分別為217.2、180.2、154.6、123.8 J/g，分別為放出水熱總量的48%、40%、34%、27%。水化中期階段為從齡期14 d到齡期28 d，這一過程中，水化速度減緩，20 ℃入模溫度下，標準養(yǎng)護28 d的累積水化熱為368.0 J/g，約為放出水化熱總量的81%；20、15、10、5 ℃四種入模溫度在持續(xù)-5 ℃負溫環(huán)境下水泥水化對應的累積水化熱量分別為276.0、230.6、199.0、170.1 J/g，分別為放出水化總熱量的61%、51%、44%、38%。水化后期階段為齡期28 d以后，這一過程中，水化速度緩慢，對于20 ℃入模溫度下，標準養(yǎng)護28 d后，水泥水化會持續(xù)緩慢進行，完成余下不足20%的水化量，但是在持續(xù)負溫養(yǎng)護環(huán)境下，雖然水化反應緩慢，但是還有大量的水化反應還沒有進行，20、15、10、5 ℃四種入模溫度在持續(xù)-5 ℃負溫環(huán)境下水泥水化分別還有39%、49%、56%、62%的水化熱量沒有完成。可以得出，低負溫環(huán)境對水泥水化反應進程影響顯著。以上試驗工況表明，28 d時FC20、FC15、FC10、FC5四種工況水泥水化程度僅分別為BC20水化程度的0.75、0.63、0.54、0.47倍。在實際高寒低負溫凍土地區(qū)的工程建設中，不宜用標準養(yǎng)護方法評定混凝土的性能。同時，通過試驗可以發(fā)現(xiàn)，在相同的持續(xù)-5 ℃環(huán)境養(yǎng)護溫度下，F(xiàn)C20、FC15、FC10在28 d時水化量是FC5對應水化量的1.59、1.32、1.14倍；在水泥水化過程中，相同齡期時，F(xiàn)C10水泥水化量是FC5水化量的1.09～1.57倍、FC15水泥水化量是FC5水化量的1.26～2.21倍、FC20水泥水化量是FC5水化量的1.39～2.83倍。因此，可以得出，在低負溫環(huán)境下，適當提高入模溫度是保證混凝土性能的有效措施。

由圖4分析可得，不同入模溫度工況下，兩種養(yǎng)護環(huán)境中混凝土的強度隨齡期均呈正相關增長。在標準養(yǎng)護條件下，混凝土28 d齡期強度達到47 MPa，而FC20、FC15、FC10、FC5對應的28 d齡期強度分別為42、36、29、26 MPa，強度僅是標準養(yǎng)護的0.89、0.77、0.62、0.55倍，在5 ℃入模溫度工況下，持續(xù)-5 ℃負溫環(huán)境養(yǎng)護下混凝土28 d的強度約為標準養(yǎng)護下的1/2，強度發(fā)展較為緩慢。FC20、FC15、FC10工況下28 d的強度分別是同齡期FC5強度的1.61、1.38、1.12倍；FC20各齡期下混凝土的強度是對應齡期FC5的1.48～1.70倍、FC15各齡期下混凝土的強度是同齡期FC5的1.31～1.44倍、FC10各齡期下混凝土的強度是同齡期FC5的1.06～1.25倍。因此，可以認為，在相同環(huán)境溫度條件下，入模溫度對混凝土強度增長影響顯著。在實際高寒低負溫環(huán)境工程建設中，應選擇適當?shù)娜肽囟纫员ＷC混凝土強度的增長。但是，低負溫環(huán)境對混凝土強度影響顯著，試驗中，齡期為112 d時，標準養(yǎng)護條件下，混凝土強度達到58 MPa，而FC20、FC15、FC10、FC5對應的112 d齡期的強度分別為53、46、40、34 MPa，強度僅是標準養(yǎng)護的0.92、0.79、0.69、0.59倍；FC20、FC15、FC10、FC5對應112 d齡期強度是標準養(yǎng)護28 d強度的1.12、0.97、0.84、0.71倍。以上分析表明，在負溫環(huán)境下，即使齡期不斷增加，其相對標準養(yǎng)護環(huán)境下混凝土強度仍較低。因此，在高寒凍土區(qū)中，須重視環(huán)境溫度對混凝土強度的影響。

4 低負溫下混凝土強度增長微觀機理

微觀層次的研究可體現(xiàn)出事物的內(nèi)在機理，基于混凝土微觀性能的演變過程，可以進一步理解和掌握持續(xù)低負溫環(huán)境下混凝土宏觀性能的演化機理?；炷?8 d齡期微觀孔隙結構測試結果見圖5～圖7。

圖5 不同入模溫度的混凝土孔徑分布

圖6 不同入模溫度的混凝土孔體積占比

圖7 不同入模溫度的混凝土孔隙率和平均孔徑

由圖5～圖7可知，與持續(xù)負溫養(yǎng)護相比，標準養(yǎng)護條件下混凝土小孔較多，大孔較少；在持續(xù)負溫下，小孔數(shù)量由高到低的順序為：FC20>FC15>FC10>FC5，大孔數(shù)量由高到低的順序為：FC5>FC10>FC15>FC20；特別是在5 ℃入模溫度和持續(xù)-5 ℃養(yǎng)護環(huán)境中，混凝土大孔數(shù)量明顯高于其他工況，表明低負溫環(huán)境下混凝土內(nèi)部大孔較多，這是影響混凝土強度的內(nèi)在原因之一，同時也不利于其在凍土區(qū)長期服役。在孔徑小于20 nm以下無害孔中，BC20小孔多于其他工況孔隙率，孔隙率為自身總孔隙的36.33%。在持續(xù)負溫下，隨著入模溫度的增加，小于20 nm以下孔數(shù)量增加，其中，在5 ℃入模溫度和持續(xù)-5 ℃的養(yǎng)護環(huán)境中，小于20 nm以下孔的孔隙率僅占自身總孔隙的6.85%；孔徑20～50 nm少害孔的規(guī)律與無害孔相同；孔徑50～200 nm的有害孔中，BC20、FC20、FC15、FC10、FC5對應的孔隙率分別占自身總孔隙的15.46%、33.03%、41.55%、44.81%、51.24%。在持續(xù)負溫下，入模溫度越低，有害孔數(shù)量越多，說明低入模溫度會對混凝土抗凍耐久性產(chǎn)生不利影響。在持續(xù)負溫環(huán)境下，混凝土的孔隙率和平均孔徑在較低入模溫度工況下均增長顯著，這表明在低負溫環(huán)境下，入模溫度的大小與混凝土孔隙結構的演變密切相關。以上混凝土微觀孔結構的變化規(guī)律較好地印證了在不同入模溫度和養(yǎng)護條件下，混凝土宏觀強度的發(fā)展規(guī)律。

5 低負溫下混凝土強度增長預測模型及驗證

為方便計算長期低負溫下不同入模溫度在不同齡期時混凝土的強度以及齡期28 d時混凝土的孔結構，考慮試驗時入模溫度和齡期對混凝土強度的影響，在試驗數(shù)據(jù)的基礎上擬合分析得出預測混凝土強度和孔隙率的計算式。

(9)

式中：fFC為負溫環(huán)境下混凝土強度；fBC為標準養(yǎng)護環(huán)境下混凝土強度；ΔT為標準溫度20 ℃與入模溫度之差；t為混凝土齡期；ki為齡期調整系數(shù)，當齡期≤28 d時，ki=0.6+0.02ΔT，當齡期>28 d時，ki=1。

公式(9)中第一項為按照國家混凝土強度標準[20]養(yǎng)護試驗規(guī)程在入模溫度為20 ℃時，對應所測得的混凝土強度值，該值在實際工程中容易測得，同時與現(xiàn)行既有混凝土強度評定辦法[20]相統(tǒng)一；第二項為受入模溫度和長期-5 ℃環(huán)境溫度影響的相對于混凝土標準養(yǎng)護條件下強度減小值，公式擬合結果R2=0.930 85。

φ28d=0.008T2-0.48T+22.25

(10)

式中：φ28d為長期-5 ℃環(huán)境溫度下混凝土28 d齡期的孔隙率；T為入模溫度。

式(10)可以用來評定在恒定持續(xù)低負溫環(huán)境下入模溫度對應的28 d混凝土孔隙率，進而可用于分析混凝土的抗凍性能，公式適用于的入模溫度范圍為5～20 ℃，擬合結果R2=0.997 66。考慮試驗研究對象為永久凍土區(qū)混凝土(如灌注樁)，其周圍環(huán)境溫度為持續(xù)-5 ℃，入模溫度不宜過高或過低，試驗中5、10、15、20 ℃等四種溫度較好地涵蓋了實際工程中可能采用的入模溫度工況。

為驗證公式的準確性，在室內(nèi)采用與表5所示相同的配合比，重新澆筑相同尺寸的立方體混凝土試塊，分別對負溫養(yǎng)護條件下齡期為7、21、35 d(往后依次遞增14 d直至105 d)的混凝土試塊進行抗壓強度測試，將模型理論計算結果與室內(nèi)強度試驗實測值進行比較，結果見圖8、圖9。

圖8 低負溫下理論強度計算值與實測值驗證對比

圖9 低負溫下理論強度計算值與實測值誤差

由圖8和圖9可以得出，模型理論計算值與試驗實測值吻合良好，預測最大誤差為-9.39%，最小為-1.56%；在早齡期階段，如7、14、21 d時，部分理論計算結果低于實測值(圖9中黑色虛線區(qū)域)，在28 d以后齡期中，理論計算值均略大于實測值，略高估了混凝土的實際強度，但高估值不大于實測值的9%。公式所擬合出的長期低負溫環(huán)境、不同入模溫度工況下混凝土強度發(fā)展計算結果可以用來定量分析長期低負溫環(huán)境下混凝土強度的發(fā)展和演變規(guī)律。

6 結論

本文通過長期低負溫環(huán)境下，不同入模溫度工況對混凝土水化熱、強度和微觀孔結構影響的試驗分析，得出以下結論，研究成果可為實際凍土區(qū)混凝土強度發(fā)展規(guī)律的預測提供參考和借鑒。

(1)在長期低負溫(-5 ℃)下，水泥水化可分為：水化早期快速水化階段、中期較快水化階段和后期緩慢水化階段三個階段。

(2)在實際高寒低負溫凍土地區(qū)工程建設中，不宜用標準養(yǎng)護方法評定混凝土的性能，適當提高入模溫度是保證低溫環(huán)境下混凝土性能的有效措施，須重視低負溫環(huán)境對混凝土強度的影響。

(3)在持續(xù)負溫下，大孔數(shù)量由高到低的順序為：FC5>FC10>FC15>FC20，隨著入模溫度的降低，有害孔數(shù)量增加，特別是在較低的入模溫度下，混凝土的有害孔數(shù)量較多，不利于混凝土的強度發(fā)展和在凍土區(qū)長期服役。

(4)文中以標準養(yǎng)護混凝土強度為基礎，在長期低負溫環(huán)境下，對試驗數(shù)據(jù)進行多元擬合得到了考慮入模溫度、齡期的混凝土強度發(fā)展預測計算公式。試驗結果驗證表明，該公式可用于預測計算長期低負溫環(huán)境下，不同入模溫度和齡期對應的混凝土強度。公式基于試驗得出，由于水泥組份含量不同、混凝土膠凝材料用量不同、實際溫度亦不一定恒定在-5 ℃，因此，公式在其他條件下的適用性宜進一步驗證和完善。