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养护制度对高强混凝土强度发展规律的影响

浏览 85 次 来源:砼行之声 发布日期:2019-12-04 15:36:41

高强混凝土的胶凝材料用量大,其水化反应放出大量的热量,使混凝土结构内部温度升高。高强混凝土构件内部温度达到70℃以上是很常见的现象。

高强混凝土构件内部的高温环境对胶凝材料中的水泥和以磨细矿渣粉、粉煤灰和硅灰为代表的矿物掺合料的水化进程产生很大影响。Taylors认为水泥的水化反应速率在高温下显著加快。Gallucci等发现水泥在早期高温养护后生成的凝胶密度更大,导致孔隙率增大。Wang等证实混凝土结构内部高温明显促进矿物掺合料的早期活性发挥,改善高强混凝土的微结构,从而影响混凝土的力学及耐久性能。谭克峰等认为高温环境养护的混凝土后期强度降低,掺入硅灰、粉煤灰、磨细矿渣粉可以缓解混凝土后期强度的降低。

在实验室进行混凝土配合比试验时,混凝土试件一般在标准条件(20℃、相对湿度RH≥90%)下养护,这与高强混凝土构件内部真实状况相差甚远,所得结果不能反映实际结构内部逐渐升高的温度对混凝土性能产生的影响。Dhir等研究了标准养护和温度匹配养护对纯水泥和单掺粉煤灰混凝土强度的影响,认为内部温升不利于纯水泥混凝土强度的发展,却有利于粉煤灰混凝土强度的发展。


目前混凝土结构验收时,均以标准条件下养护、边长为150mm的立方体混凝土试件的28d抗压强度是否达到要求为基准。在混凝土结构断面尺寸较小,混凝土强度等级不高时,试件强度基本能反映实体结构内部混凝土的性能。但是对于大体积高强混凝土结构,试件与实体结构内部混凝土的性能相距甚远。

为了进一步研究高强混凝土构件内部的温升对其性能的影响,探讨试件与实体结构内部混凝土性能的关系,研究了标准养护、高温养护和基于混凝土绝热温升曲线的温度匹配养护(简称温度匹配养护)对用纯水泥、水泥–磨细矿渣粉和水泥–粉煤灰–硅灰等不同胶凝材料体系配制的高强混凝土的强度的影响。

1实验

1.1原料

所用的胶凝材料为P·I42.5纯硅酸盐水泥、二级粉煤灰、S95级磨细高炉矿渣粉和加密硅灰。水泥及矿物掺合料的化学成分。


减水剂为聚羧酸减水剂(固体含量为20%)。粗集料为5~25mm连续级配石灰岩碎石;细集料为细度模数2.4的天然河砂,属II区中砂。


1.2制备

根据表2配合比制备混凝土样品。试验过程中控制原材料与室内温度,使混凝土的入模温度在15℃左右。所配制的高强混凝土的28d设计强度大于70MPa。


1.3表征

高强混凝土的绝热温升特性采用博远BYATC/A型混凝土绝热温升测定仪测定。用于抗压强度和抗氯离子渗透性能试验的试样尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体,分别采用标准养护、温度匹配养护和50℃高温养护等养护制度。

1)标准养护。试件成型后覆盖塑料薄膜,在室内静置24h后拆模,放入标准养护室内养护至规定龄期。

2)温度匹配养护。试件混凝土成型后覆盖塑料薄膜,迅速连模具一起放入水热养护箱中养护7d,养护箱内温度根据同样配合比的混凝土的绝热温升曲线调整,7d后拆模,移入标准养护室内继续养护至规定龄期。

3)高温养护。试件混凝土成型后覆盖塑料薄膜,迅速连模具一起放入温度预先设置为50℃的水热养护箱中养护7d后拆模,移入标准养护室内继续养护至规定龄期。

按照GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定3、7、28和90d龄期混凝土的立方体抗压强度。

2结果与讨论

2.1胶凝材料对混凝土绝热温升特性的影响


可见温度开始显著上升的时间从长到短依次为水泥–粉煤灰–硅灰体系、水泥–磨细矿渣粉体系和纯水泥,这反映了胶凝材料早期水化活性的高低。纯水泥混凝土的早期温升发展速率最快,水泥–磨细矿渣粉体系混凝土次之,水泥–粉煤灰–硅灰体系混凝土最慢。随着水化龄期的延长,纯水泥混凝土的温升速率降低,水泥–磨细矿渣粉体系混凝土的温升速率保持恒定。大约5d后水泥–磨细矿渣粉体系混凝土的温度超过纯水泥混凝土的。水泥–粉煤灰–硅灰体系混凝土的温度持续缓慢增加,但温升值最小。水泥–磨细矿渣粉体系混凝土、纯水泥混凝土、水泥–粉煤灰–硅灰混凝土7d时的温升值分别为51.3、48.9和40.4℃。磨细矿渣粉替代水泥并不能降低胶凝材料的水化放热量。由于磨细矿渣粉缓慢持续的水化反应,水泥–磨细矿渣粉复合胶凝材料的最终放热量大于纯水泥的。虽然硅灰反应程度高,但粉煤灰参与反应的程度低,使体系总的放热量偏小。

2.2养护制度对高强混凝土强度的影响

表3为混凝土在标准养护、温度匹配养护和高温养护条件下不同龄期的抗压强度。


2.2.1标准养护

标准养护条件下,对于使用含有35%矿物掺合料的复合胶凝材料配制的混凝土LS和LF,3d抗压强度分别比使用纯水泥配制的混凝土LC的低38.4%和38.7%。这是由于3d时矿物掺合料还没有发挥出活性,仅仅起物理填充作用。7d强度则分别比混凝土LC的低13.1%和21.6%,降低的百分比已经低于其掺量百分比,尤其是水泥–磨细矿渣粉复合胶凝材料体现出了明显的活性。这是由于磨细矿渣粉已经开始参与水化反应,对混凝土的强度发展做出了贡献。对于用水泥–粉煤灰–硅灰复合胶凝材料配制的混凝土LF,粉煤灰的活性低于矿渣,硅灰的活性高,但是掺量少,对强度的贡献有限,导致其7d抗压强度低于混凝土LS。28和90d龄期时混凝土LS和混凝土LFd的抗压强度均超过混凝土LC的,矿物掺合料的火山灰效应开始对混凝土的强度发展产生明显的影响。

2.2.2高温养护

高温养护条件下,混凝土的3d强度均大幅提高,用复合胶凝材料配制的混凝土HS和混凝土HF的抗压强度已经超过了纯水泥配制的混凝土HC的,混凝土HF的甚至达到了80.8MPa,高于其他两种混凝土的28d强度。直到90d龄期,用复合胶凝材料配制的混凝土的强度仍持续增长。混凝土HC的后期强度增长幅度非常有限,28d后强度甚至始终低于混凝土LC的。这与谭克峰的研究结果一致,主要是由于高温养护使水泥的早期反应速率大幅提高,但是早期迅速反应生成大量凝胶包覆在水泥颗粒表面阻碍了其进一步水化,导致后期反应程度降低。水泥早期迅速生成的水化产物形成的浆体结构较为疏松,后期生成的少量水化产物不足以填充其内部空隙,对浆体结构改善不多,从而使混凝土HC的强度增长幅度小。矿物掺合料的反应活性低于水泥熟料,但是高温养护会对复合胶凝材料体系中的矿物掺合料产生明显热激发作用,提高其早期反应程度,增加水化产物量,使浆体结构更加致密,导致其3d强度大幅提高。特别是硅灰的热激发效应最为明显,使含有硅灰的混凝土HF的3d强度最高。后期矿物掺合料持续的火山灰反应使水化产物量逐渐增加,浆体结构逐渐密实,使强度不断增加。矿渣的反应活性高于粉煤灰,高温养护使前者在早期过多过快地参与水化反应,后期则参与不足,导致混凝土HS的90d龄期强度与混凝土LS的相差无几,而混凝土HF的比混凝土LF的高出近10MPa。

2.2.3温度匹配养护

在温度匹配养护条件下,3d龄期时,水泥–磨细矿渣粉复合胶凝材料配制的混凝土MS的强度大于纯水泥配制的混凝土MC,水泥–粉煤灰–硅灰复合胶凝材料配制的混凝土MF最低。7d龄期时,混凝土MF的强度大幅增长,高于混凝土MS的与混凝土MC的。转入常温养护后,混凝土的后期强度仍进一步提高。相比于标准养护的L组与高温养护的H组,温度匹配养护对水泥–矿渣复合胶凝材料配制的混凝土强度的促进作用最为明显,在3种养护制度中的强度值为最高。温度匹配养护对水泥–粉煤灰–硅灰复合胶凝材料配制的混凝土的促进作用不如高温养护明显,混凝土MF在各个龄期的强度值均没有超过混凝土HF的。温度匹配养护对纯水泥配制的混凝土的长龄期(28和90d)强度的影响与高温养护一样,仍然有抑制作用。

总体而言,用纯水泥配制的混凝土的长期强度在3种养护制度下都是最低的。水泥–粉煤灰–硅灰复合胶凝材料配制的混凝土的长期强度在3种养护制度下都是最高或接近最高,而且在实体结构内部条件下,其早期强度发展也令人满意,说明适当配比的水泥–粉煤灰–硅灰三元复合胶凝材料适用于配制高强混凝土。

在不同养护条件下,各种混凝土的早期强度差异很大。但到28d以后,其差异变小。采用标准条件养护的试件进行强度测定,基本能反映实体结构内部混凝土长龄期的状态。

2.3反应动力学因素对于高强混凝土强度发展规律的影响

水泥基材料在水化程度较低时,其水化程度近似与养护温度和时间成正比。3种养护制度在7d以前的温度与时间的乘积(度时积)不同,因而对混凝土水化过程的热激发程度不同,使得3种混凝土在不同养护制度中的强度发展规律有所不同。按照Krstulovic等提出的水泥基材料水化反应的动力学模型,可将复合水泥基材料的水化反应分为3个阶段,即结晶成核与晶体生长(NG)、相边界反应(I)和扩散(D)。当复合水泥基材料水化到一定程度时,将发生反应控制机理的转变。这种反应机制的变化,会影响反应速率,从而影响其强度发展规律。养护制度在某一时刻的度时积反映了外界输入能量的大小,即对水泥基材料水化反应的激发程度大小。在最初的3d龄期内,标准养护的度时积最小,温度匹配养护次之,高温养护最大。在标准养护条件下,水泥基材料主要依靠介稳的水泥熟料矿物自身的能量进行水化,反应较为和缓,主要处于水化产物不断增加的NG阶段,导致混凝土的强度较低但持续增长。这种缓慢的增长将持续很长时间,28d以后仍然较为明显。在高温养护条件下,水化初期外界即输入较多能量,使水泥浆材料迅速水化,生成大量水化产物,使混凝土获得很高强度。由于大量水化产物的包裹,未水化颗粒的继续水化受到阻碍,水化反应很快由NG阶段或I阶段进入D阶段,反应速率明显下降,混凝土的强度增长幅度变小。比较3种混凝土3d以后的强度增长幅度,发现混凝土HS与混凝土HF基本相同,混凝土HC也相差不大。这说明在高温激发下,高活性的组分很快完全水化,各种混凝土中的胶凝材料的水化反应均由扩散控制,强度发展规律也基本相同。温度匹配养护条件下,混凝土的初始反应温度较低,随后缓慢上升,混凝土被逐渐加热,水化反应速率逐步提升,用纯水泥、水泥–磨细矿渣粉复合胶凝材料与水泥–粉煤灰–硅灰复合胶凝材料配制的混凝土的最大绝热温升速率出现时间及对应温度见表4。在最初的3d龄期内,外界输入的能量介于标准养护条件与高温养护条件之间,所以混凝土的强度也介于标准养护条件与高温养护条件之间。


水化龄期从3d到7d,温度匹配养护条件下,混凝土的养护温度已升到50℃以上,逐渐升高的温度对矿物掺合料产生持续的激发作用,胶凝材料的水化反应仍处于NG阶段或I阶段,以适当速率生成的水化产物使混凝土的结构更为密实,利于强度的持续发展。7d龄期以后,水化反应才进入D阶段,之后混凝土强度增长幅度相对较小,相互之间的差别也变小。

对于温度匹配养护的纯水泥配制的混凝土,由于其温升速率快(最大温升速率对应的时间早,温度高),在1d以后养护温度就超过50℃,与高温养护条件相差不大,水泥水化反应剧烈,迅速形成的硬化浆体结构较为粗糙,并没有后续生成的水化产物填充,导致混凝土早期强度高,但后期强度低于高温养护的混凝土。对于温度匹配养护的水泥–矿渣复合胶凝材料配制的混凝土,早期升温较慢,2d后超过50℃,最高温度超过65℃。较低的早期升温速率对混凝土中水泥水化反应的负面作用被削弱,另一方面更高的最终温度对矿渣产生更强的激发作用,从而使温度匹配养护的混凝土的强度优于标准或高温养护的混凝土。温度匹配养护的水泥–粉煤灰–硅灰复合胶凝材料配制的混凝土,早期温升更慢,最高温度仅55℃,在水化3d后才达到;虽然对水泥早期水化的负面效应被削弱,但是对粉煤灰的火山灰反应的激发程度却明显偏低,致使混凝土强度低于高温养护时。

3结论

1)矿物掺合料掺量为35%的水泥–磨细矿渣粉胶凝材料和水泥–粉煤灰–硅灰胶凝材料配制的混凝土在标准养护条件下后期强度高于纯水泥混凝土。高温养护的混凝土的早期强度大幅高于标准养护的混凝土。高温养护和温度匹配养护对纯水泥混凝土的后期强度发展均有明显抑制作用,但可促进复合胶凝材料混凝土的后期强度发展。

2)当胶凝材料处于水化反应明显进行的NG或I阶段时,混凝土强度随之明显增长。当水化反应进入扩散控制的D阶段时,混凝土强度增长幅度减小,各种混凝土之间的差别也变小。

3)采用标准条件养护的试件进行强度测定,基本能反映实体结构内部混凝土长龄期的状态。

4)水泥–粉煤灰–硅灰复合胶凝材料配制的混凝土具有最低的温升值、最高的强度和最好的抗氯离子渗透性,这对于大体积高强混凝土结构最为有利,应优先采用。