入模和养护温度对水工混凝土强度的影响研究

谢昌明

(北票市水务事务服务中心,辽宁 北票 122100)

水工混凝土性能的优劣直接关系着下游防洪安全、水利工程的长效稳定运行及区域经济发展,为更好地适应各种复杂环境和水利现代化发展要求,高性能水工混凝土性能研究逐渐引起国内外专家学者的广泛关注[1]。现有研究主要集中于抗冻性能和抗压强度等方面,例如张凯认为引气混凝土孔结构劣化与多年冻土活动层区有关,控制混凝土含气量为3.2%时可以达到最优抗冻性能;曾文波等、朱张丰、董玉文等研究了引气剂的作用机理及其优劣性能、混凝土抗冻性受持续荷载作用的影响、冻融循环下其力学性能与引气剂间的关系;张乘波等揭示了混凝土孔结构、抗压强度随-3℃养护温度的变化特征;喻林等研究认为矿粉与粉煤灰双掺相比于单掺条件下,在-25℃环境下的试件强度最高。因此,大多数研究较少考虑入模温度与抗压强度之间的关系,本试验重点分析不同养护温度、入模温度对引气混凝土不同龄期抗压强度的影响及其离散变化程度[2-7]。

1 试验方法

1.1 原材料

试验试验沈阳冀东P·O 42.5级水泥,其主要性能指标如表1所示,经测试各参数满足《通用硅酸盐水泥》中的要求。

表1 水泥的物理参数

试验采用浑河天然河砂和大连建材厂提供的花岗岩碎石,砂的含泥量0.4%,细度模数2.9,坚固性1.7%,表观密度2650kg/m3,碎石级配5～25mm,经检测砂石骨料各性能指标均符合水工混凝土用砂、石质量标准及施工规范要求。

试验采用安徽森普SPJS-1聚羧酸高性能减水剂和苏博特GYQ®-Ⅲ高效引气剂,拌和水用实验室自来水。

1.2 试验配合比

根据《水工混凝土配合比设计规程》合理确定实验配合比,为保证试验数据可比性各组基本配合比相同,控制变量为引气剂掺量,如表2所示。

表2 试验配合比

为了更加直观的对比分析数据,将掺0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%苏博特GYQ®-Ⅲ引气剂标养试件标记成J1～J5组,将相同引气剂掺量-5℃养护试件标记成S1～S5组,如表3。其中,J1、S1组为基准对照组。

表3 引气剂掺量设计

1.3 养护方式

在20℃室温条件下,按照试验配合比将各种掺合料和骨料倒入小型搅拌机,加入后拌合均匀并精准测定入模温度。然后将部分试件室内静置1d后脱模,并移入标养室养护,将另一部分试件放入大气模拟箱(设定温度-5℃)中3后脱模。为了减少养护过程中的水分散失,用塑料薄膜覆盖表面,之后移入大气模拟箱养护至规定龄期。

1.4 测试方法

参照《水工混凝土试验规程》中的方法测定不同龄期各组标准试件抗压强度,养护龄期为3d、7d、14d、21d、28d、35d、42d、49d、56d、63d、70d、77d和84d。

2 结果与分析

2.1 引气剂对强度的影响

在入模温度20℃条件下,养护3d～84d龄期时水工混凝土强度随引气剂掺量变化的影响规律如图1所示。

(a)标准养护条件

由图1可知,标准养护前期J1、J2组试件强度近似呈线性上升趋势,抗压强度增长率随养护龄期的延长逐渐减小,曲线变化逐渐平缓,究其原因是养护前期具有较高的含水率和较快的水化反应速率,随着时间的推移水分子和反应速率、水化程度均逐渐减小,强度增速逐渐平缓;抗压强度随引气剂掺量的增大出现一定的下降,如掺0%引气剂的J1组试件标养28d时的强度41.1MPa,掺0.05%、0.10%、0.15%、0.20%引气剂的J2、J3、J4、J5组试件标养28d的强度分别为38.2MPa、32.8MPa、27.1MPa和20.4MPa,掺0%引气剂J1组试件为掺0.20%引气剂J5组28d强度的2.01倍;负温养护条件下,掺0%引气剂S1组试件28d强度48.6MPa为掺0.20%引气剂S5组28d强度22.1MPa的2.20倍。J5组试件77d强度25.5MPa与J2组试件7d强度24.2MPa相当,J4组试件70d强度32.1MPa与J2组试件14d强度31.5相当,通过对比分析发现存在一定的“龄期滞后”,且这种现象同样也存在于负温养护。这主要与引气剂有关,引气剂是一种由亲水与憎水基团组成的分子结果,掺入引气剂会改变基体内部的分子运动特征,由于受到作用力牵引空气-水-水泥体系中的分子可吸附于各相界面,从而降低体系的界面能和自由能,这些分子在搅拌作用下被吸入旋涡并受到剪切作用,在与细骨料的引气作用下可以生成大量微小气泡,从而增大水泥基体孔隙,降低整体密实性和抗压强度,并且掺量越高降幅越明显[8]。

均值μ是衡量数据集中程度的主要参数,标准差σ是衡量平均数偏离各数据的距离程度,计算公式如下:

(1)

(2)

式中:xi、N为不同强度数据和一组数据的个数。

根据误差分析软件和离散性评价模型可以确定数据的离散程度,结果显示在标养和负温养护情况下,初始龄期各组试件的强度均值μ均较小,随着龄期的延长均逐渐增大。3d龄期时标养和负温养护时的试件强度均值μ是分别为22.50MPa、17.24MPa,84d龄期时标养和负温养护时的试件强度均值μ是分别为43.62MPa、39.16MPa,抗压强度的变化差异性随着龄期的延长而增大,如图2所示。

图2 不同养护条件下的强度标准差

由图2可知,标养条件下随着龄期增长试件的强度标准差表现出先上升后下降再上升的变化趋势,强度标准差最小、最大值时为35d龄期时的8.0和84d龄期时的19.7。负温养护条件下随着龄期增长试件的强度标准差整体呈上升趋势,并且42d龄期前增幅较小,42d后增幅较大。另外,48d之前标养条件下高于负温养护时的强度标准差,49d以后则低于负温养护时的标准差,换而言之就是养护前中期标养条件下具有较大的强度离散性,水化速率存在较大差异性,养护后期水化完全充分,强度发展趋于稳定,强度离散性下降,而负温养护仍持续发生反应,由于水化速率较慢而具有较高的强度离散性。

2.2 养护温度对强度的影响

混凝土强度随养护温度变化的影响规律如图3所示。

(a)不掺引气剂

由图3可知两个曲线具有相似的变化趋势,标养条件下同一配合比试件强度约为负温养护的1.2～1.5倍,强度发展具有一定的“龄期滞后”特征。例如,不掺引气剂S1组试件49d强度45.2MPa与J1组试件28d强度46.1MPa基本相当,掺0.20%引气剂S5组试件77d强度25.5MPa与J5组试件42d强度26.7MPa基本相当。这是由于标准养护远高于持续负温(-5℃)养护下水泥水化产生的热量,试块内部温度随水化热量的散失逐渐下降,反应速率下降,并且持续负温养护使得大部分水达到临界结冰点,水分子的黏滞性增大导致孔隙水压力提高,水化反应速率和产物掺量下降,无法有效填充内部孔隙致使孔结构更加疏松,混凝土强度下降并出现“龄期滞后”的情况。

2.3 入模温度对强度的影响

不同养护龄期混凝土抗压强度随入模温度变化的影响特征如图4所示,结果显示在负温和标养条件下,抗压强度均与入模温度存在正相关性,28d之前的强度基本呈线性上升趋势。负温养护条件下,20℃入模温度试件28d强度达到41.0MPa,而5℃、10℃、15℃入模温度试件28d强度只有26.7MPa、28.8MPa、35.0MPa。究其原因是水的温度与水化速率存在密切联系,水温越高则水化越快,相应的强度就越大。

(a)标准养护 (b)-5℃养护

通过非线性拟合分析确定抗压强度与养护温度、入模温度、引气剂掺量间的非线性关系,均满足如下关系:

y=a-b×cx

(3)

式中:a、b、c为常数;x、y为因素值和强度值。抗压强度与各因素之间的拟合相关系数如表4所示,相关系数>0.8代表关联度极高,结果表明抗压强度与养护温度、入模温度、引气剂掺量之间均高度相关。

表4 非线性拟合系数

3 结 论

1)引气剂掺量与抗压强度之间存在负相关性,经误差分析发现同一龄期强度离散性变化受养护温度的影响较大,标准养护高于负温养护的强度离散性,后期则低于负温养护的强度离散性。

2)标养条件下同一配合比试件强度约为负温养护的1.2～1.5倍,抗压强度还与入模温度有关,在20℃入模温度时的28d强度最优,这是水的温度与水化速率存在密切联系,水温越高则水化越快,相应的强度就越大。

3)入模温度、养护温度和引气剂掺量等因素均在不同程度上影响着水工混凝土抗压强度,实际工程中应充分考虑各因素的综合影响合理选择最优配合比。