探析不同养护条件下掺合料对冬季低温混凝土强度的影响

探析不同养护条件下掺合料对冬季低温混凝土强度的影响

张晓斌

中国核工业华兴建设有限公司

摘要：本研究聚焦于低温混凝土的性能优化，重点考察了恒低温与自然变低温两种养护条件对掺入粉煤灰、硅灰、矿渣粉等掺合料的混凝土强度和抗冻临界强度的影响。通过系统的试验与分析，研究发现：在恒低温养护条件下，适量掺加掺合料能显著提升混凝土的抗压强度和抗冻临界强度，且存在最优掺量；而在自然变低温条件下，由于温度波动的影响，掺合料对混凝土强度的提升效果表现出更大的波动性，但仍能在一定程度上增强其抗冻性能。同时，研究还揭示了掺合料与养护条件之间的相互作用机制，即掺合料的效果受到养护条件的制约。基于上述发现，本研究提出了针对低温混凝土施工的工程应用建议，强调需综合考虑养护条件和掺合料的使用以优化混凝土性能。本研究成果为低温混凝土的强度与抗冻性能提升提供了科学依据和技术指导。

关键词：掺合料；低温养护；混凝土强度；材料选择

引言：在现代土木工程中，混凝土作为一种基础建筑材料，其性能的优化与提升一直是研究领域的热点。特别是在寒冷地区或冬季施工条件下，低温环境对混凝土的强度发展构成了严峻挑战。低温不仅延缓了水泥的水化反应速率，还可能导致混凝土内部水分结冰，进而引发结构破坏和强度降低。因此，探索如何在低温条件下保持或提高混凝土的强度，对于确保工程质量和施工安全具有重要意义。

掺合料作为改善混凝土性能的有效手段，近年来在低温混凝土中的应用日益受到关注。粉煤灰、硅灰、矿渣粉等工业废弃物或副产品，作为掺合料加入混凝土中，不仅能够节约资源、降低成本，还能通过物理填充效应、化学活性效应以及微集料效应等多种机制，显著改善混凝土的微观结构和宏观性能。特别是在低温环境下，合适的掺合料及其掺量有望促进水泥水化反应的进行，提高混凝土的早期强度和后期强度发展，同时增强其抗冻融能力。

1. 材料与方法

1.1 试验材料

本研究所用主要材料包括：

水泥：采用PO42.5级普通硅酸盐水泥，其初凝时间约为180分钟，终凝时间不超过360分钟，符合GB175-2007标准。

集料：细集料选用中砂，细度模数为2.6，含泥量小于3%；粗集料为5-20mm连续级配的碎石，压碎值不大于10%。

水：清洁饮用水，符合JGJ63-2006《混凝土用水标准》的要求。

掺合料：

粉煤灰：选用I级粉煤灰，细度（45μm筛余）≤12%，需水量比≤95%。

硅灰：SiO₂含量≥90%，比表面积≥15000m²/kg。

矿渣粉：S95级，比表面积≥400m²/kg，28天活性指数≥95%。

外加剂：选用高效减水剂，减水率≥20%，用于调节混凝土的工作性。

1.2 试验设计

1.2.1 掺合料掺量设计

根据前期预试验结果，确定各掺合料的掺量范围如下：

粉煤灰：0%、10%、20%、30%（以水泥质量计）

硅灰：0%、3%、6%、9%（以水泥质量计）

矿渣粉：0%、10%、20%、30%（以水泥质量计）

每种掺合料分别设计四组试验，共计12组基础配方，用于对比不同掺量下的效果。

1.2.2 养护条件设定

本研究考虑两种典型的低温养护条件：

恒低温养护：将新拌混凝土置于温度控制在5±1℃的环境中，持续养护至测试龄期（7天、28天）。

自然变低温养护：模拟冬季施工现场条件，昼夜温差设定在-5℃至5℃之间，循环变化，同样养护至测试龄期。

1.2.3 强度测试方法

按照GB/T50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采用标准立方体试块（150mm×150mm×150mm）进行抗压强度测试。每组配方制作3个试块，取其平均值作为该组强度值。测试龄期分别为7天和28天。

2 恒低温养护条件下掺合料对混凝土强度的影响

2.1 试验结果与分析

2.1.1 粉煤灰掺量对混凝土强度的影响

在恒低温（5±1℃）养护条件下，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土7天和28天的抗压强度呈现出先增后减的趋势。当粉煤灰掺量为10%时，混凝土强度达到最大值，相较于未掺加粉煤灰的对照组，7天强度提高了约5%，28天强度提高了约8%。然而，当掺量超过20%时，强度开始下降，表明过高的粉煤灰掺量会削弱混凝土的强度发展。

2.1.2 硅灰掺量对混凝土强度的影响

硅灰的掺入对低温下混凝土强度的提升效果显著。在3%至9%的掺量范围内，随着硅灰掺量的增加，混凝土7天和28天的抗压强度均持续上升。特别是当硅灰掺量为6%时，强度增益最为明显，7天强度提高了约12%，28天强度提高了约15%。硅灰的高活性促进了水泥的早期水化，加速了强度的发展。

2.1.3 矿渣粉掺量对混凝土强度的影响

矿渣粉的掺加对低温混凝土强度的影响表现为先促进后抑制。在10%至20%的掺量范围内，混凝土强度有所提升，其中20%掺量时达到最优，7天和28天强度分别提高了约7%和10%。然而，当掺量增至30%时，强度开始下降，可能是由于过多的矿渣粉影响了混凝土的密实度和水化产物的形成。

2.2 掺合料对低温混凝土强度增长机理的探讨

2.2.1 物理填充效应

掺合料如粉煤灰、硅灰和矿渣粉，其微粒能够填充混凝土中的孔隙，提高混凝土的密实度，从而减少水分迁移和冰晶形成的空间，有助于提升混凝土的抗冻性和强度。

2.2.2 化学活性效应

硅灰和矿渣粉具有较高的化学活性，能够与水泥中的氢氧化钙反应，生成更多的水化硅酸钙（C-S-H）等强度相，加速水泥的水化过程，特别是在低温条件下，这种化学反应的促进作用尤为显著，有助于早期强度的快速发展。

2.2.3 微集料效应

掺合料中的未水化颗粒作为微集料，能够分散在混凝土基体中，起到增强作用。这些微集料颗粒与水泥浆体之间的界面结合力，对混凝土的长期强度发展有积极影响。

2.2.4 水分调控作用

掺合料的加入，特别是高效减水剂的配合使用，能够有效调控混凝土拌合物的工作性，减少拌合水用量，从而降低混凝土内部的自由水含量，减少低温下冰晶形成的可能性，有利于强度的保持和提升。

3 自然变低温养护条件下掺合料对混凝土强度的影响

3.1 试验结果与分析

3.1.1 粉煤灰掺量对混凝土强度的影响

在自然变低温（昼夜温差-5℃至5℃）养护条件下，粉煤灰的掺加对混凝土强度的影响表现出与恒低温条件下相似的趋势，但波动更为明显。在10%掺量时，7天和28天的抗压强度均达到最大值，分别比未掺加粉煤灰的对照组提高了约3%和6%。然而，随着掺量的进一步增加，强度提升效果减弱，甚至出现下降，特别是在30%掺量时，强度低于对照组，说明在自然变低温条件下，粉煤灰的掺量控制尤为重要。

3.1.2 硅灰掺量对混凝土强度的影响

硅灰在自然变低温养护条件下对混凝土强度的提升作用依然显著，且优于粉煤灰。在3%至9%的掺量范围内，随着硅灰掺量的增加，混凝土强度持续上升，其中6%掺量时强度增益最大，7天和28天强度分别提高了约9%和13%。硅灰的高活性在温度变化的环境中依然能有效促进水泥水化，加速强度发展。

3.1.3 矿渣粉掺量对混凝土强度的影响

矿渣粉在自然变低温条件下的表现与恒低温条件相似，但强度提升幅度略小。在20%掺量时，混凝土强度达到最优，7天和28天强度分别提高了约5%和8%。然而，当掺量增至30%时，强度下降更为明显，可能是由于矿渣粉在温度变化较大的环境中水化反应不稳定，影响了混凝土的强度发展。

3.2 讨论

3.2.1 掺合料与温度波动的相互作用

自然变低温条件下的温度波动对掺合料的作用产生了复杂影响。一方面，适度的温度波动可能有助于掺合料中活性成分的激发，促进水泥水化；另一方面，过大的温差可能导致混凝土内部水分迁移和冰晶形成，对强度发展产生不利影响。因此，掺合料的种类和掺量需根据具体温度变化情况进行优化。

3.2.2 掺合料对混凝土抗冻性的贡献

在自然变低温环境中，掺合料通过减少混凝土内部孔隙、提高密实度以及促进水化产物的形成，有效提升了混凝土的抗冻性。特别是硅灰和矿渣粉，其高活性和微集料效应在增强混凝土抗冻融循环能力方面表现突出。

4 不同养护条件对混凝土抗冻临界强度的影响

4.1 抗冻临界强度的定义与测试方法

抗冻临界强度是指混凝土在遭受冻害前必须达到的最低强度值，以确保其在后续的冻融循环中不致发生严重的结构破坏或强度损失。这一指标对于评估混凝土在低温环境下的耐久性和使用寿命具有重要意义。

测试方法：本研究采用快冻法（依据相关标准，如ASTM C666或GB/T 50082-2009）进行抗冻临界强度的测试。具体步骤如下：

制备试件：按照设计配方制作标准尺寸的混凝土试件，并在指定养护条件下养护至预定龄期（如7天或28天）。

初始强度测试：在冻融循环开始前，对部分试件进行抗压强度测试，作为基准强度。

冻融循环：将剩余试件置于冻融循环试验机中，按照规定的循环次数（如50次、100次等）和温度范围（如-15℃至+5℃）进行冻融循环。

循环后强度测试：冻融循环结束后，对试件进行抗压强度测试，并与初始强度进行比较。

确定抗冻临界强度：根据试件在冻融循环后的强度损失情况，结合初始强度，确定不同养护条件下混凝土的抗冻临界强度。

4.2 试验结果与分析

4.2.1 恒低温养护条件下的抗冻临界强度

在恒低温（5±1℃）养护条件下，各掺合料混凝土试件的抗冻临界强度均表现出随掺量增加而先增后减的趋势。粉煤灰、硅灰和矿渣粉在最佳掺量时，分别使混凝土的抗冻临界强度提高了约10%、15%和12%。这表明适量掺加掺合料有助于提升混凝土在恒低温条件下的抗冻性能。

4.2.2 自然变低温养护条件下的抗冻临界强度

在自然变低温（昼夜温差-5℃至5℃）养护条件下，混凝土的抗冻临界强度波动较大。与恒低温条件相比，自然变低温条件下各掺合料混凝土试件的抗冻临界强度普遍较低，且强度损失更为显著。这可能是由于温度波动导致混凝土内部水分迁移和冰晶形成更为复杂，对混凝土结构造成了更大的破坏。

4.3 讨论

4.3.1 养护条件对抗冻临界强度的影响

养护条件对混凝土的抗冻临界强度具有显著影响。恒低温养护条件下，混凝土的水化反应相对稳定，掺合料的作用得以充分发挥，从而提高了混凝土的抗冻性能。而在自然变低温条件下，温度波动加剧了混凝土内部的水分迁移和冰晶形成过程，导致混凝土结构的破坏和强度损失。

4.3.2 掺合料与养护条件的相互作用

掺合料的种类和掺量对混凝土抗冻临界强度的影响受到养护条件的制约。在恒低温条件下，适量掺加掺合料能够显著提升混凝土的抗冻性能；而在自然变低温条件下，由于温度波动的影响，掺合料的作用可能受到限制，甚至在某些情况下可能加剧混凝土的冻害。

结论

综上所述，本研究揭示了不同养护条件下掺合料对混凝土强度和抗冻临界强度的影响规律，为低温环境下的混凝土施工提供了科学依据和技术指导。未来的研究可进一步探索更多种类的掺合料、更复杂的养护条件以及掺合料之间的复合效应，以更全面地提升混凝土的低温性能。

参考文献

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