郭躍，周孝軍，白時明，彭健秋，丁慶軍

（1.四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司，四川 成都 610041；2.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610039；3.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070）

0 引言

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，越來越多的工程結(jié)構(gòu)處于非常嚴(yán)酷的建設(shè)與服役環(huán)境下，大部分混凝土工程都會經(jīng)歷冬季施工考驗[1-3]。在低溫環(huán)境下，混凝土易受凍，其內(nèi)部的自由水結(jié)晶而體積增大，若混凝土早期強度發(fā)展較慢，結(jié)晶膨脹應(yīng)力超過混凝土抗拉強度，便會使混凝土產(chǎn)生永久的裂縫危害[4-5]。因此，提高混凝土的早期強度以避免受凍破壞十分關(guān)鍵。研究表明，混凝土強度不僅受材料組成、功能外加劑合理應(yīng)用與澆筑質(zhì)量等因素影響，養(yǎng)護方式對促進混凝土早期強度發(fā)展也至關(guān)重要[6]，特別是在低溫環(huán)境下，早期養(yǎng)護對水化溫度和相對濕度的控制尤為關(guān)鍵。早期養(yǎng)護溫度高不僅對混凝土凝結(jié)有促進作用，也能加強膠凝材料的水化反應(yīng)，而養(yǎng)護相對濕度高則可以保證混凝土膠材水化反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生，提升微結(jié)構(gòu)密實度、優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，從而促進強度發(fā)展[7-8]。為此，實際工程中混凝土澆筑完成后一般要求立即采取措施進行保水保濕養(yǎng)護。但由于建設(shè)環(huán)境條件的限制，養(yǎng)護條件通常無法做到標(biāo)準(zhǔn)要求。本文結(jié)合工程實際情況，對比研究了自然養(yǎng)護、覆蓋棉被與發(fā)熱毯養(yǎng)護等方式對不同膠材組成體系的混凝土早期強度發(fā)展規(guī)律的影響，并與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護方式進行對比，為低溫環(huán)境下混凝土早期養(yǎng)護提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：峨勝P·O42.5R水泥，主要技術(shù)性能見表1；粉煤灰：Ⅱ級，需水量比93%，燒失量2.5%；硅灰：SiO2含量94.8%，需水量比107%，燒失量2.4%，7 d活性指數(shù)105%；細(xì)集料：機制砂，細(xì)度模數(shù)2.8；粗集料：5～26.5 mm連續(xù)級配碎石；聚羧酸減水劑：減水率20%；引氣劑：減水率8.2%，含氣量3.5%，pH值為8.1。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

1.2 試驗方法

混凝土抗壓與抗折強度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行測試；動彈性模量按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行測試。

1.3 試驗配合比

混凝土的配合比與工作性能如表2所示，試驗對比研究了純水泥（C）、水泥+粉煤灰（CFA）、水泥+粉煤灰+硅灰（CFAS）等3種不同膠材體系C50混凝土在不同養(yǎng)護方式下早期強度的變化規(guī)律，水膠比均為0.36，引氣劑摻量為0.03%。

表2 混凝土的配合比與工作性能

1.4 養(yǎng)護方式

為模擬混凝土秋冬季施工環(huán)境條件，試驗選擇在12月份進行，混凝土分別采用自然養(yǎng)護、棉被養(yǎng)護、發(fā)熱毯養(yǎng)護與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護4種不同養(yǎng)護方式（見圖1）。自然養(yǎng)護：試件成型后，一直放置于室外養(yǎng)護至28 d；棉被養(yǎng)護：試件拆模后覆蓋薄膜和棉被養(yǎng)護至28 d；發(fā)熱毯養(yǎng)護：試件拆模后，用薄膜覆蓋并覆蓋電發(fā)熱毯養(yǎng)護至7 d后，然后放置戶外養(yǎng)護至28 d；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護：拆模后將試件放置標(biāo)準(zhǔn)室養(yǎng)護至28 d。每種養(yǎng)護方式均采用溫度、相對濕度測定儀同步測試其溫度與相對濕度變化情況，結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可見，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護時溫度與相對濕度較穩(wěn)定；室外自然養(yǎng)護時環(huán)境溫度與相對濕度起伏不定，溫度在5～10℃變化，相對濕度在70%～90%變化；包裹塑料膜并覆蓋棉被后試件表面的溫度與相對濕度相對較穩(wěn)定，有一定的保溫保濕作用；發(fā)熱毯養(yǎng)護溫度較高，穩(wěn)定在40～50℃，而隨養(yǎng)護齡期延長，前7 d其相對濕度由30%逐漸降至15%左右。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)護方式對混凝土抗壓強度的影響（見表3）

表3 養(yǎng)護方式對混凝土抗壓強度的影響

由表3可見，由于4種不同養(yǎng)護方式的早期養(yǎng)護溫度不同，發(fā)熱毯養(yǎng)護溫度最高（40～50℃），其次是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護（20℃）、棉被養(yǎng)護（10℃）與室外自然養(yǎng)護（5～10℃），故各組試件3 d、7 d抗壓強度均表現(xiàn)為：發(fā)熱毯養(yǎng)護＞標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護＞棉被養(yǎng)護＞自然養(yǎng)護，且3 d齡期時抗壓強度表現(xiàn)更顯著，7 d齡期時差異有所減小。養(yǎng)護溫度越高，混凝土早期強度發(fā)展越快。隨著養(yǎng)護齡期延長，到28 d齡期時抗壓強度表現(xiàn)為：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護＞發(fā)熱毯養(yǎng)護＞棉被養(yǎng)護＞自然養(yǎng)護。從7 d到28 d時，發(fā)熱毯養(yǎng)護抗壓強度僅有小幅增長，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護、棉被養(yǎng)護與室外自然養(yǎng)護時抗壓強度增幅較大，其中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護時抗壓強度增幅最大且28 d抗壓強度最高。分析認(rèn)為，發(fā)熱毯養(yǎng)護雖然養(yǎng)護溫度較高，但相對濕度持續(xù)下降且沒有及時的補水保濕，因此強度發(fā)展較慢。另外，由于發(fā)熱毯養(yǎng)護溫度一直處于40℃以上，石子與砂漿的熱膨脹系數(shù)有所差異，加之高溫導(dǎo)致養(yǎng)護相對濕度下降（最低相對濕度10%），造成漿體與骨料界面過渡區(qū)強度發(fā)展不利，因而混凝土中后期的抗壓強度略低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護。覆蓋棉被養(yǎng)護時，溫度不高但其相對濕度相對較大（相對濕度85%左右），使得其中后期強度能有較好發(fā)展。而室外養(yǎng)護條件下由于溫度及相對濕度較低且變化大，中后期水化發(fā)展進程較覆蓋棉被養(yǎng)護慢，混凝土強度增長較覆蓋棉被時有所下降。因此，低溫條件下混凝土早期養(yǎng)護應(yīng)注意保溫保濕，以促進混凝土強度的持續(xù)發(fā)展。

對比研究相同養(yǎng)護方式下、不同膠材組成體系混凝土的強度發(fā)展規(guī)律可知：發(fā)熱毯養(yǎng)護時，由于養(yǎng)護溫度較高，有利于膠材水化反應(yīng)發(fā)展，3組試件的3 d抗壓強度差別不大，復(fù)摻粉煤灰與硅灰的CFAS組強度稍高于其它2組，此時膠材組成體系對早期抗壓強影響不大。而自然養(yǎng)護、棉被養(yǎng)護與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護時，3 d抗壓強度表現(xiàn)為：C組＞CFAS組＞CFA組，由此可見，早強型水泥對早期強度貢獻(xiàn)最大，摻入粉煤灰一定程度上影響早期強度發(fā)展，而硅灰活性較粉煤灰高，可以促進早期強度發(fā)展。7 d、28 d齡期時，4種不同的養(yǎng)護方式下3組試件的抗壓強度均表現(xiàn)為：CFAS組＞C組＞CFA組，此時膠材組成體系對強度的提高占主導(dǎo)因素。復(fù)摻粉煤灰與硅灰的CFAS組的強度增長超過純水泥C組，而摻粉煤灰的CFA組強度仍為最低，主要因為粉煤灰的活性相對較低，早期水化較慢，而硅灰顆粒細(xì)小、表面能高，其火山灰效應(yīng)與微集料效應(yīng)增加了C-S-H凝膠數(shù)量，改善了孔結(jié)構(gòu)及其孔徑分布，對混凝土強度增長貢獻(xiàn)較明顯，有利于混凝土抗凍性能的提高。因此，低溫條件下混凝土可復(fù)摻粉煤灰與硅灰，以協(xié)同提升混凝土工作性能與力學(xué)性能。

2.2 養(yǎng)護方式對混凝土抗折強度的影響

表4 養(yǎng)護方式對混凝土抗折強度的影響

由表4可見，對比3種不同的膠材體系，28 d抗折強度總體表現(xiàn)為：發(fā)熱毯養(yǎng)護＞標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護＞棉被養(yǎng)護＞自然養(yǎng)護，與抗壓強度發(fā)展規(guī)律略有不同，早期養(yǎng)護溫度高更有利于混凝土抗折強度的發(fā)展。同時可以看到，各種養(yǎng)護方式下，復(fù)摻粉煤灰與硅灰的CFAS組的28 d抗折強度均為最高，主要是因為高活性摻合料改善了硬化凝膠體微觀孔結(jié)構(gòu)，增加了微結(jié)構(gòu)密實度[9]，因而對提高混凝土抗折強度具有積極作用。

2.3 養(yǎng)護方式對混凝土動彈性模量的影響

抗壓強度和動彈性模量是評價混凝土抗凍性的重要指標(biāo)，兩者之間存在相關(guān)性[10]。3組試件動彈性模量測試結(jié)果如表5所示，將4種養(yǎng)護方式下混凝土的抗壓強度和動彈性模量分別進行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖4。

表5 養(yǎng)護方式對混凝土動彈性模量的影響

由圖4可見，發(fā)熱毯養(yǎng)護下擬合曲線的相關(guān)系數(shù)（0.72）和曲線參數(shù)（12.59、0.26）都與其他3種養(yǎng)護方式下的相差較大。在發(fā)熱毯養(yǎng)護下，前7 d的溫度維持在40～50℃、相對濕度維持在15%～30%，與自然養(yǎng)護、棉被養(yǎng)護、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的前7 d溫度維持在5～20℃、相對濕度在70%～90%形成了明顯的差異。因此，養(yǎng)護溫度和相對濕度是影響混凝土的抗壓強度和動彈性模量相關(guān)性的重要因素。

研究表明，摻合料對抗壓強度和動彈性模量之間的關(guān)系影響較小[11]，而細(xì)骨料的種類和摻量、試件尺寸與骨料尺寸對動彈性模量和抗壓強度之間的關(guān)系影響顯著[12]。因此，本文將單摻粉煤灰的CFA組與復(fù)摻粉煤灰、硅灰的CFAS組的試驗結(jié)果統(tǒng)一進行相關(guān)性分析，而采用純水泥的C組測試結(jié)果單獨進行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖5～圖6所示。

由圖5、圖6可見，C組混凝土抗壓強度和動彈性模量的相關(guān)系數(shù)僅為0.643，CFA、CFAS組混凝土試件抗壓強度和動彈性模量的相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.895，C組的相關(guān)性系數(shù)明顯低于另外2組。因此，其它條件相同時，骨料用量與砂率也是影響混凝土抗壓強度和動彈性模量之間相關(guān)性的重要因素。

3 結(jié)語

（1）與棉被養(yǎng)護、自然養(yǎng)護相比，發(fā)熱毯養(yǎng)護可以顯著提高低溫環(huán)境下混凝土早期抗壓強度，7 d抗壓強度最高可達(dá)到28 d抗壓強度的97%。但持續(xù)的高溫使相對濕度下降，導(dǎo)致混凝土中后期強度增長較慢，28 d抗壓強度較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護時低。采用發(fā)熱毯養(yǎng)護時，應(yīng)采取持續(xù)灑水保濕措施，以促進混凝土強度持續(xù)增長。

（2）復(fù)摻粉煤灰與硅灰的混凝土的力學(xué)性能與工作性能，均明顯強于單摻粉煤灰與純水泥膠材體系的混凝土。高活性硅灰的火山灰效應(yīng)與微集料填充效應(yīng)，促進低溫條件下混凝土強度增長，有利于提高混凝土的抗凍性能。

（3）混凝土抗壓強度和動彈性模量之間存在一定關(guān)聯(lián)性，養(yǎng)護溫度和相對濕度以及骨料用量和砂率是影響此關(guān)聯(lián)性的重要因素。