魏 亞，向亞平

（1.清華大學(xué) 土木工程系，北京 100084；2.清華大學(xué) 土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

高性能混凝土采用低水膠比、高效減水劑和各種礦物外加劑，其早期自收縮明顯，易引起混凝土開(kāi)裂，并且傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方法很難達(dá)到良好的養(yǎng)護(hù)效果［1］.為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用摻入飽水輕骨料來(lái)減少混凝土自收縮［2－4］，但關(guān)于其對(duì)混凝土抗凍融和抗鹽凍性能的影響有不同觀點(diǎn).Cusson等［5－6］認(rèn)為輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土在抗凍融或抗鹽凍方面要優(yōu)于普通混凝土.Pospichala等［7－8］認(rèn)為輕骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土抗凍性能比普通混凝土略差，且輕骨料預(yù)濕程度越高，混凝土抗凍性能越差.鄭秀華等［9］認(rèn)為在輕骨料預(yù)濕程度較低時(shí)輕骨料混凝土抗凍性能要優(yōu)于普通混凝土，但在預(yù)濕程度較高時(shí)則相反.綜上，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)輕骨料尤其是輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土抗凍融和抗鹽凍性能缺乏系統(tǒng)的研究，限制了輕細(xì)骨料的應(yīng)用.本研究分別采用粉煤灰陶砂和頁(yè)巖陶砂2種輕細(xì)骨料作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，在保證混凝土不產(chǎn)生自收縮的情況下研究不同水灰比、是否引氣以及輕細(xì)骨料種類對(duì)混凝土抗凍融和抗鹽凍性能的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及混凝土配合比

水泥（C）采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3 150kg／m3，比表面積為350m2／kg；粗集料（A）采用石灰石碎石，表觀密度為2 650kg／m3，吸水率為1.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），粒徑為5～25mm 連續(xù)級(jí)配；細(xì)集料（NS）采用河砂，表觀密度為2 650kg／m3，吸水率1.5%，細(xì)度模數(shù)2.60；采用2種輕細(xì)骨料（LWFA）做為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料：粉煤灰陶砂（F）和頁(yè)巖陶砂（S），其級(jí)配曲線如圖1所示，相關(guān)性能如表1所示；所用外加劑為聚羧酸減水劑（WRA）和引氣劑（AEA）；拌和水（W）為自來(lái)水.為達(dá)到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的目的，輕細(xì)骨料需預(yù)濕1d，并在拌和前測(cè)試其含水率.

圖1 輕細(xì)骨料級(jí)配曲線Fig.1 Gradation of LWFA

表1 輕細(xì)骨料相關(guān)性能Table 1 Performances of LWFA

Bentz等［2］建立了內(nèi)養(yǎng)護(hù)飽水輕骨料摻量公式：

式中：MLWA為單方混凝土需要的輕骨料用量，kg／m3；Mf為單方水泥用量，kg／m3；Sch為水泥完全水化產(chǎn)生的化學(xué)收縮，64mm3／g；αmax為預(yù)期最大水化程度或當(dāng)mw／mc≥0.36時(shí)，αmax＝1）；Sc為輕骨料飽和度（0～1）；φLWA為輕骨料吸水率.

本文根據(jù)式（1）設(shè)計(jì)混凝土配合比，如表2 所示.表2中，試樣編號(hào)中的3和4分別代表水灰比為0.3和0.4；O，F(xiàn)，S 分別代表普通混凝土和摻F，S混凝土；A 代表引氣.新拌混凝土的含氣量及28d抗壓強(qiáng)度也列于表2.

1.2 試驗(yàn)和測(cè)試方法

1.2.1 輕細(xì)骨料階梯釋水性能測(cè)定

表3為測(cè)試飽水輕細(xì)骨料階梯釋水性能所用的3種鹽溶液在飽和狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度RH.環(huán)境溫度恒定在23℃以確保相對(duì)濕度穩(wěn)定.輕細(xì)骨料階梯釋水性能測(cè)試具體步驟為：各取2組約50g的飽水F和S在RH＝97.4%環(huán)境中放置5d后移入RH＝94.6%環(huán)境中放置5d，再移入RH＝85.1%環(huán)境中放置5d，最后放入105℃烘箱中烘干至恒重.期間記錄每次移入時(shí)輕細(xì)骨料的質(zhì)量，精度為0.001g.

1.2.2 水泥水化程度測(cè)定

分別攪拌好水灰比mw／mc為0.3和0.4的水泥凈漿，之后每隔15min攪拌1次至泌水結(jié)束，裝模，同時(shí)將飽水輕細(xì)骨料放入mw／mc為0.3和0.4的水泥凈漿中，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，然后將硬化漿體敲成小塊，并剝離輕細(xì)骨料周圍約1mm 厚的水泥凈漿，放入丙酮中阻止其繼續(xù)水化.水化程度試驗(yàn)采用DTA／TG 分析，試驗(yàn)前對(duì)水泥試塊進(jìn)行真空干燥.

1.2.3 混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度測(cè)定

混凝土成型時(shí)在其中心處插入帶有切口的PVC管，并使混凝土處于密閉狀態(tài)，待混凝土初凝后，先吸干PVC 管中的自由水，然后插入溫濕度傳感器，用密封膠密封，每10min記錄1次數(shù)據(jù).試驗(yàn)所用的濕度傳感器誤差為±3%，使用前先用飽和鹽溶液進(jìn)行標(biāo)定.

表2 混凝土配合比，含氣量及28d抗壓強(qiáng)度Table 2 Mix proportion，air content and 28dcompressive strength of concrete

表3 測(cè)試輕細(xì)骨料階梯釋水性能所用的3種飽和鹽溶液相對(duì)濕度（23℃）Table 3 RH of 3kinds of saturated salt solution for step－shaped releasing water performance test for LWFA（23℃）%

1.2.4 混凝土薄片等溫脫附試驗(yàn)

待混凝土養(yǎng)護(hù)到28d 齡期時(shí)，用切割機(jī)將高200mm，直徑100mm 的混凝土試塊切割成18個(gè)2～3mm 厚的薄片，之后進(jìn)行真空飽水試驗(yàn).每組取2個(gè)薄片共9組分別放置于表4所示的9種相對(duì)濕度的飽和鹽溶液環(huán)境中，待其質(zhì)量達(dá)到平衡后，取出放入60℃烘箱中烘干至恒重，期間每隔5d記錄1次混凝土薄片質(zhì)量，精度為0.001g，得到其飽水度試驗(yàn)結(jié)果.

表4 混凝土薄片等溫脫附試驗(yàn)所用的9種飽和鹽溶液相對(duì)濕度（23℃）Table 4 RH of 9kinds of saturated salt solution for concrete isothermal stripping test（23℃） %

1.2.5 混凝土凍融及鹽凍試驗(yàn)

凍融試驗(yàn)參照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的“水泥混凝土抗凍性試驗(yàn)方法（快凍法）”進(jìn)行，試件為100 mm×100mm×400mm 的棱柱體.鹽凍試驗(yàn)采用楊全兵等［10］提出的方法.鹽凍混凝土短柱試件高75mm，直徑244mm.試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后取出，待試件表面干燥后，在試件側(cè)面涂抹環(huán)氧樹(shù)脂，將試件放入鹽凍試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行混凝土鹽凍試驗(yàn).鹽凍試驗(yàn)介質(zhì)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的NaCl溶液.混凝土成型面為吸水面，水面高出成型面約5 mm.凍融過(guò)程在（－20±2）℃下凍3h，在（20±5）℃空氣中融3h，冷凍速率約為0.5℃／min.每5次循環(huán)對(duì)試件進(jìn)行1次剝落量測(cè)試.經(jīng)過(guò)30次循環(huán)，當(dāng)剝落量小于1.0kg／m2時(shí)，認(rèn)為該試件的抗鹽凍性能合格.剝落量按下式計(jì)算：

式中：Cn為經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的單位面積剝落量，kg／m2；mn為經(jīng)n 次凍融循環(huán)后試件的剝落質(zhì)量，kg；S 為試件的橫截面積，m2.

2 內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥水化程度和混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度的影響

2.1 輕細(xì)骨料的釋水性能

輕細(xì)骨料在混凝土中能否將其孔中的水釋放出來(lái)將直接影響混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果.釋水性能好的輕細(xì)骨料可以明顯減少其用量，同時(shí)提高混凝土的力學(xué)性能.圖2為2種輕細(xì)骨料在不同相對(duì)濕度下的飽水度.由圖2可知，飽水F和S在RH＝85.1%時(shí)幾乎能釋放出100%的水；在RH＝94.6%時(shí)也能分別釋放出約70%和80%的水，說(shuō)明F和S釋水性能非常好，適宜做內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料.研究［11］表明，由于自干燥引起的混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度降低到75.5%之后就不再降低，因此輕細(xì)骨料釋水性能測(cè)試時(shí)最低環(huán)境相對(duì)濕度為75.5%.

圖2 F和S在不同相對(duì)濕度下的飽水度Fig.2 Degree of saturation of F and S at different RH

2.2 混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)效率與輕細(xì)骨料釋水距離的關(guān)系

在混凝土中飽水輕細(xì)骨料能對(duì)周圍區(qū)域水泥漿體進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)，此區(qū)域?yàn)閮魸{養(yǎng)護(hù)區(qū).輕細(xì)骨料在混凝土中的釋水距離r將直接關(guān)系到混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)效率Eic，Eic即單位體積混凝土中凈漿養(yǎng)護(hù)區(qū)體積Vic與整個(gè)水泥漿體的體積Vp之比，用表示.當(dāng)級(jí)配相同時(shí)，輕細(xì)骨料釋水距離越大，混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)效率就越高.Lura［12］采用墨水顯色方法測(cè)得輕細(xì)骨料釋水距離約為1mm，但是由于墨水分子比水泥漿體中的毛細(xì)孔徑要大，因此得出的釋水距離偏小.Henkensiefken等［13］采用X 射線吸收法精確測(cè)出輕細(xì)骨料（粒徑約為5mm）的釋水距離為1.8mm.

輕細(xì)骨料摻量不同時(shí)凈漿養(yǎng)護(hù)區(qū)的體積也不同，Garboczi等［14］基于數(shù)學(xué)模型［15］把輕細(xì)骨料凈漿養(yǎng)護(hù)區(qū)算入界面過(guò)渡區(qū)，建立了凈漿養(yǎng)護(hù)區(qū)體積Vic與輕細(xì)骨料釋水距離r的關(guān)系：

式中：φLWFA為輕細(xì)骨料體積分?jǐn)?shù)；ρ為單位體積輕細(xì)骨料個(gè)數(shù)；c，d，g 分別為輕細(xì)骨料粒徑分布函數(shù)的系數(shù).

由式（3）結(jié)合圖1中的輕細(xì)骨料粒徑分布數(shù)據(jù)，得出不同輕細(xì)骨料摻量下混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)效率Eic與輕細(xì)骨料釋水距離r的關(guān)系（見(jiàn)圖3）.由圖3可知：當(dāng)r＝1.8mm 時(shí)，試件3F，4F的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效率分別為67.7%，75.1%；當(dāng)r＝0.5mm 時(shí)，試件3S，4S的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效率分別為93.5%，97.2%.

圖3 混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)效率與輕細(xì)骨料釋水距離的關(guān)系Fig.3 Relationship between internal curing efficiency（Eic）and water release distance（r）

2.3 輕細(xì)骨料對(duì)水泥水化程度的影響

混凝土中輕細(xì)骨料引入的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水在水泥水化過(guò)程中會(huì)釋放出來(lái)，可以提高其周圍水泥的水化程度，但對(duì)于不同水灰比的混凝土，輕細(xì)骨料對(duì)周圍水泥水化程度的影響不同.圖4為摻F 水泥漿體與普通水泥漿體的水化程度.由圖4可知：水灰比為0.3時(shí)，輕細(xì)骨料水泥漿體各齡期水化程度較普通水泥漿體提高得較多，這對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度具有一定的正面效果（見(jiàn)表2）；但當(dāng)水灰比為0.4時(shí)，輕細(xì)骨料水泥漿體水化程度較普通水泥漿體提高得較少，這對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高作用有限，當(dāng)輕細(xì)骨料本身筒壓強(qiáng)度較低時(shí)混凝土總的抗壓強(qiáng)度甚至?xí)兴陆担ㄒ?jiàn)表2）.

圖4 摻F水泥漿體與普通水泥漿體的水化程度Fig.4 Degree of hydration of cement pastes with and without F

2.4 輕細(xì)骨料對(duì)混凝土飽水度的影響

圖5 混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度和28d飽水度Fig.5 Internal relative humidity and 28ddegree of saturation of concrete

混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度隨齡期的變化和28d飽水度結(jié)果見(jiàn)圖5.由圖5（a）可知，輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的28d內(nèi)部相對(duì)濕度仍保持在97%左右，明顯高于普通混凝土，這說(shuō)明飽水F 和S對(duì)混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果顯著.混凝土中的飽水輕細(xì)骨料能釋放出其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的水以供水泥繼續(xù)水化，并明顯提高混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度.對(duì)于普通混凝土，由于缺少內(nèi)養(yǎng)護(hù)，其內(nèi)部相對(duì)濕度一直下降，且水灰比越低，相同齡期下普通混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度越低.試件3O，3F，3S，4O，4F 和4S 的28d飽水度分別為64%，80%，83%，68%，84%和88%，見(jiàn)圖5（b）.由圖5（b）可知，同等條件下水灰比為0.4的混凝土內(nèi)部飽水度要高于水灰比為0.3的混凝土.

3 混凝土抗凍融和抗鹽凍性能

3.1 混凝土抗凍融性能

混凝土抗凍融試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6，7.由圖6可知，在非引氣情況下，當(dāng)水灰比為0.3時(shí)，經(jīng)200次凍融循環(huán)后輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土28d抗凍融性能要稍差于普通混凝土，但其相對(duì)動(dòng)彈性模量仍在70%以上.由圖7（a）可知：當(dāng)水灰比為0.4 時(shí)，試件4F和4S僅經(jīng)25次凍融循環(huán)后就發(fā)生斷裂，這是因?yàn)槠?8 d 飽水度較高，分別為84%和88%（見(jiàn)圖5（b）），十分接近混凝土臨界飽水度90%［16］，并且混凝土在凍融過(guò)程中毛細(xì)孔會(huì)繼續(xù)吸水，經(jīng)初始幾次凍融循環(huán)后混凝土飽水度會(huì)大于其臨界飽水度，當(dāng)混凝土繼續(xù)凍融循環(huán)時(shí)會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部水結(jié)晶壓過(guò)大，產(chǎn)生凍融破壞；普通混凝土試件4O 的28d內(nèi)部相對(duì)濕度值較低，導(dǎo)致其飽水度要明顯低于臨界飽水度，所以經(jīng)200次凍融循環(huán)后試件4O 基本完好.由圖7（b）可知，向水灰比為0.4的輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土中引入適量氣體后，其28d抗凍融性能明顯提高，這說(shuō)明引氣是提高混凝土抗凍融性能的最佳方法.此外，由圖6，7還可知，在同等條件下，摻F內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土28d抗凍融性能要稍優(yōu)于摻S內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土，原因是摻F內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土28d飽水度要比摻S內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的28d飽水度低，并且F本身筒壓強(qiáng)度要高于S.

圖6 輕細(xì)骨料對(duì)水灰比0.3混凝土28d抗凍融性能的影響Fig.6 Influence of lightweight fine aggregate on 28d freeze－thaw resistance of concrete（mw／mc＝0.3）

3.2 混凝土抗鹽凍性能

混凝土抗鹽凍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8，9.由圖8可知，當(dāng)水灰比為0.3時(shí)，無(wú)論是否引氣，經(jīng)30次凍融循環(huán)后，輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的單位面積剝落量與普通混凝土差不多.這是因?yàn)檩p細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土28d抗壓強(qiáng)度稍高于普通混凝土（見(jiàn)表2）.當(dāng)水灰比為0.3時(shí)，由于輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土中內(nèi)養(yǎng)護(hù)水明顯提高了混凝土內(nèi)部水泥水化程度，因此輕細(xì)骨料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的正面影響超過(guò)了其本身筒壓強(qiáng)度低于混凝土抗壓強(qiáng)度帶來(lái)的不利影響.

圖7 輕細(xì)骨料及引氣劑對(duì)水灰比0.4混凝土28d抗凍融性能的影響Fig.7 Influence of lightweight fine aggregate and air－entrainment on 28dfreeze－thaw resistance of concrete（mw／mc＝0.4）

圖8 輕細(xì)骨料及引氣劑對(duì)水灰比0.3混凝土28d抗鹽凍性能的影響Fig.8 Influence of lightweight fine aggregate and air－entrainment on 28dsalt－scaling resistance of concrete（mw／mc＝0.3）

圖9 輕細(xì)骨料及引氣劑對(duì)水灰比0.4混凝土28d抗鹽凍性能的影響Fig.9 Influence of lightweight fine aggregate and air－entrainment on 28dsalt－scaling resistance of concrete（mw／mc＝0.4）

由圖9可知：當(dāng)水灰比為0.4時(shí)，在未引氣情況下，由于輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土28d抗壓強(qiáng)度要低于普通混凝土（見(jiàn)表2），同時(shí)輕細(xì)骨料本身筒壓強(qiáng)度要明顯低于普通骨料，因此經(jīng)30次凍融循環(huán)后其單位面積剝落量要大于普通混凝土；在引氣情況下，輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土28d抗鹽凍性能有了較大提高.這是由于引氣后混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了大量微小而均勻的氣泡，這些氣泡在正常情況下不易被水充滿，使混凝土的飽水度明顯降低.同時(shí)這些氣泡能及時(shí)吸納受凍區(qū)的過(guò)冷水，緩解鹽溶液產(chǎn)生的結(jié)冰壓，從而明顯改善混凝土的抗鹽凍性能［13］，而且當(dāng)輕細(xì)骨料本身筒壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于普通骨料時(shí)這種作用更加明顯.此外，由圖8，9還可知，降低混凝土水灰比可明顯降低鹽凍剝落量，這與文獻(xiàn)［17－18］的結(jié)論一致.

4 結(jié)論

（1）輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)能顯著提高混凝土中水泥水化程度及其內(nèi)部相對(duì)濕度，且水灰比較低時(shí)混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果更明顯.

（2）當(dāng)水灰比為0.4時(shí)，由于輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土28d飽水度明顯大于普通混凝土，因此輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土28d抗凍融和抗鹽凍性能要明顯劣于普通混凝土.適量引氣可明顯提高混凝土的抗凍融和抗鹽凍性能.

（3）當(dāng)水灰比為0.3時(shí)，輕細(xì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土28d抗凍融和抗鹽凍性能較好，無(wú)需引氣.

（4）同等條件下，輕細(xì)骨料本身筒壓強(qiáng)度越高，對(duì)應(yīng)混凝土的抗凍融和抗鹽凍性能越好.

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