环境条件对掺矿物掺合料混凝土硬化性能的影响

李铁梅，毛永琳，嵇银行

（1. 盐城市金恒建材制造有限公司，江苏 盐城 224000；2. 江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 210008）

环境条件对掺矿物掺合料混凝土硬化性能的影响

李铁梅1，毛永琳2，嵇银行2

（1. 盐城市金恒建材制造有限公司，江苏 盐城 224000；2. 江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 210008）

本文结合江苏地区自然环境温、湿度变化情况，通过大量的实验，研究了环境湿度、环境温度、养护龄期对掺矿物掺合料混凝土的力学性能、收缩变形以及耐久性的影响规律。结果表明：掺矿粉混凝土受环境条件变化的影响较小，而掺粉煤灰混凝土受环境温、湿度变化影响较大，在实际工程应用中应更加重视混凝土养护。

养护温度；养护湿度；收缩；抗压强度；耐久性

0 前言

水泥作为水硬性胶凝材料，其水化硬化速度很大程度上受温度和湿度制约[1,2]。现浇混凝土受环境条件、施工进度所限，普遍存在养护不良现象，混凝土表层粉化、碳化加深、表面龟裂等问题层出不穷，行业对此重视不足[3]。随着高效减水剂在商品混凝土中的普及，现代混凝土中胶凝材料用量更少、水胶比更低，混凝土对养护的要求更高。

矿物掺合料在混凝土中应用的历史可追溯到 1948 年，R.E.Davis 成功将粉煤灰大规模应用于美国蒙大拿州的 Hungry Horse Dam 工程。矿物掺合料中含有的大量无定形态 SiO2和Al2O3，在水泥混凝土体系中主要体现出增强效应、填充效应、增塑效应、温峰削减效应、耐久性改善效应[4-7]。进入 20世纪 90 年代随着商品混凝土的普及，矿物掺合料广泛用于商品混凝土生产，已成为混凝土的重要组分。然而矿物掺合料在水化活性、体积稳定性等方面与水泥有较大不同，而养护环境条件对矿物掺合料作用发挥的影响规律却鲜有报道。

本文从养护温度、养护湿度以及养护龄期等几个方面系统地研究了环境条件对掺矿物掺合料混凝土硬化性能的影响规律。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥

南通华新 P·O 42.5 水泥，其物理、力学性能指标如表 1所示。

表 1 水泥的物理、力学性能

（2）粉煤灰

镇江谏壁Ⅰ级粉煤灰，45μm 筛余 9.2%，需水量比96%，烧失量 3.5%。

（3）磨细矿渣

江南粉磨厂 S95 级磨细矿渣，比表面积 497m2/kg，28d活性指数 99%。

（4）骨料

细集料为 Ⅱ 区中砂，细度模数 2.6；粗骨料为 5～20mm石灰岩碎石，空隙率 44.1%。

（5）外加剂

江苏苏博特新材料股份有限公司的 JM-9 高效减水剂，减水率 19.1%。

1.2 配合比

为全面考察养护制度的影响，选用三组混凝土配合比。具体配合比参数列于表 2 中。

表 2 试验用混凝土配合比

1.3 养护方案

根据混凝土养护工艺中比较重要的两个方面——养护温度、养护湿度安排养护方案。具体安排列于表 3 中。养护制度由 C-A 至 C-D，早期保湿养护时间逐渐减少，养护制度C-D 为模拟江苏地区春、秋季节自然环境，养护制度 C-F 为模拟江苏地区夏季高温季节自然环境。

表 3 养护方案

1.4 试验方法

混凝土的抗压强度测试参照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行；干燥收缩率、电通量、碳化深度测试参照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。混凝土的养护制度按照表 3 执行。

2 试验结果与分析

2.1 环境条件对掺矿物掺合料混凝土力学性能的影响

本节考察环境温、湿度条件对混凝土抗压强度的影响规律。试验结果示于表 4、图 1。由图表可见，温、湿度变化对混凝土的早期强度的影响较小，而对后期强度有较大影响。

T.C Power 曾研究过水泥石中毛细孔的相对湿度与水泥水化反应之间的关系。研究结果表明，当毛细孔内的相对湿度降到低于 80% 时，水泥的水化反应很难进行。随着早期保湿养护时间的缩短（养护条件 C-A→C-D），混凝土的后期力学性能逐渐变差。其中，环境湿度变化对掺矿粉混凝土的影响程度稍低，掺粉煤灰混凝土与纯水泥混凝土类似。掺粉煤灰混凝土在保湿养护下 90d 抗压强度超过低湿自然养护的 1.5倍。由于早龄期混凝土内部湿度高于环境湿度，所以环境湿度对混凝土 7d 抗压强度的影响不显著。

在低湿环境下（养护条件 C-D、C-F），温度对掺粉煤灰混凝土力学性能影响体现出两面性，即高温环境对早期强度有利，但为后期力学性能劣化埋下伏笔，造成 90d 抗压强度降低 17.1%。温度对掺矿粉混凝土影响与掺粉煤灰混凝土不同，随着温度升高，各龄期强度均有增加。

表 4 不同养护制度下矿物掺合料混凝土抗压强度

图 1 养护制度对不同混凝土抗压强度的影响

2.2 环境条件对掺矿物掺合料混凝土体积稳定性的影响

环境温、湿度变化造成混凝土表层水份蒸发，混凝土内层产生湿度、温度梯度从而引起水化反应及内部孔隙率变化，产生变形和开裂[7-8]。粉煤灰、矿粉由于水化活性、弹性模量、保水能力与水泥有较大的区别，混凝土的体积变形变化规律亦有较大差异。本节测试环境温、湿度变化对掺矿物掺合料混凝土 28d 干燥收缩率的影响，结果见表 5 和图 2。

表 5 不同养护条件混凝土 28d 干缩率(×10-6)

图 2 不同养护条件对混凝土 28d 干燥收缩率的影响

在三种胶凝材料体系中，掺粉煤灰混凝土干燥收缩最低，掺矿粉混凝土的干燥收缩最高。早期保湿养护对降低硬化混凝土的干燥收缩意义重大，此工艺对掺矿粉混凝土的作用最显著。脱模后保湿养护 6d（养护制度 C-B）可使掺矿粉混凝土 28d 干燥收缩降低 30%，而掺粉煤灰混凝土仅减少13%。

提高环境温度（养护制度 C-D、C-F）造成掺粉煤灰混凝土的干燥收缩增加，而掺矿粉混凝土的干燥收缩降低，这与力学性能的变化规律一致。

2.3 环境条件对掺矿物掺合料混凝土耐久性的影响

对于量大面广的民用建筑领域，混凝土碳化、抗渗透性差是造成混凝土失效的主要耐久性因素，两者息息相关。CO2气体与混凝土中碱性物质发生中和反应，造成混凝土内部碱性下降。钢筋混凝土结构中，钢筋表面的钝化膜会由于混凝土碱度下降而失效，水和空气渗透至钢筋表面，由于钝化膜失效，钢筋锈蚀膨胀，最终使混凝土开裂建筑结构失效[9-11]。

表 6 和图 3 示出了环境温、湿度变化对不同胶凝材料组成混凝土碳化深度的影响。掺矿物掺合料混凝土的碳化深度高于纯水泥混凝土，其中粉煤灰混凝土的碳化深度最大。早期保湿养护对提高混凝土的抗碳化能力效果显著，即便仅保湿养护 2 天（养护制度 C-C），混凝土的碳化深度与全程保湿养护（养护制度 C-A）基本相同，而比全程未保湿（养护制度 C-D）减少 5～6mm，对钢筋保护能力增强。高温、低湿养护（养护制度 C-F）造成混凝土抗碳化能力显著降低，尤其对掺粉煤灰混凝土，碳化深度增加 11.2mm。

表 6 不同养护条件混凝土碳化深度 mm

图 3 不同养护条件对混凝土碳化深度的影响

表 7 和图 4 示出了环境温、湿度变化对不同胶凝材料组成混凝土电通量的影响。与碳化测试结果类似，早期保湿养护对降低混凝土电通量至关重要，相较未保湿养护混凝土（养护制度C-D、C-F）减少 50% 以上，说明混凝土的抗渗性显著改善。矿物掺合料可以降低混凝土电通量，其中矿粉的作用效果最佳。在自然养护条件下（养护制度 C-D、C-F）掺矿粉混凝土电通量较纯水泥混凝土降低 38% 以上。温度对混凝土电通量的影响规律与碳化类似，但掺矿粉混凝土的电通量随温度升高反而下降。

表 7 不同养护条件混凝土电通量 C

图 4 不同养护条件对混凝土电通量的影响

3 结论

混凝土作为一种经时变化商品，其品质的优劣不以交付使用的时间为结点，而是随所处环境的温、湿度变化而变化。高湿环境可以减少混凝土内部水份蒸发，降低湿度梯度，对混凝土力学强度、体积稳定性、耐久性的提升意义重大。早期的高湿养护（2～6d）可保证混凝土各项性能基本达到长期保湿养护的水平，高温养护对硬化混凝土各项性能均表现出劣化趋势。鉴于此，针对江苏地区气候环境，混凝土洒水保湿、降温养护对提升混凝土品质至关重要。掺矿粉混凝土受环境条件变化的影响较小，而掺粉煤灰混凝土受环境温、湿度变化影响较大，在实际工程应用中应更加重视混凝土养护。

[1] 胡曙光，何永佳，王晓，等．不同养护制度下混合水泥反应程度的研究[J]．武汉科技学院学报，2005(12): 33-36．

[2] 杨智勇，周艳丽，耿蕴华．养护对混凝土强度的影响[J]．广西交通科技，2001(1): 41-43．

[3] 姜继强，王建军．桥梁施工中混凝土的养护[J]．混凝土与水泥制品，2003(2): 31-35．

[4] 王凯，马保国，张泓源．矿物掺合料对混凝土抗酸雨侵蚀特性的影响[J]．建筑材料学报，2013(6): 416-421．

[5] 何廷树，汲江涛，王艳，等．高岩温隧道下矿物掺合料对混凝土力学性能的影响[J]．材料导报，2013(3):119-122．

[6]王亚宁．粉煤灰混凝土的耐久性研究[J]．陕西煤炭，2003(2): 12-13．

[7]徐仁崇，李晓斌，桂苗苗，等．矿物掺合料对 C100 混凝土早期收缩及干缩的影响[J]．混凝土与水泥制品，2013(1): 24-27．

[8]杨长辉，王海阳．环境因素变化对高强混凝土塑性开裂的影响[J]．混凝土，2005(5): 27-32．

[9]肖佳，勾成福．混凝土碳化研究综述[J]．混凝土，2010(1): 40-44．

[10] 屈永红．混凝土工程中碳化问题的研究现状[J]．商品混凝土，2013(1): 29-31．

[11] 李梅，温勇，张广泰，等．矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响综述[J]．材料导报，2013(6): 107-110．

［通讯地址］盐城市月湖花城 6 栋 202 室（224000）

Effect of different curing conditions on concrete with mineral admixtures

Li Tiemei1, Mao Yonglin2, Ji Yinhang2
(1.Yancheng JinHeng Building Materials CO., Ltd., Yancheng 224000; 2. Jiangsu Sobute Material CO. Ltd., Nanjing 210008)

On the basis of test study, the rule was studied how the humidity, temperature and age of curing impact the compressive, strength shrinkage deformation and durability of concrete in this text. The results showed that the smaller impact of changes in environmental conditions in slag concrete, but humidity changes greater impact in fly ash concrete environmental temperature. In practical engineering, applications should be paid more attention to concrete curing.

curing temperature; curing humidity; shrinkage; compressive strength; durability

李铁梅（1970—），女，工程师，盐城市金恒建材制造有限公司总工。