持续低温环境下混凝土水化程度及孔结构变化对其强度影响试验研究.pdf

2 0 1 5年 第 1 2期 (总 第 3 1 4 期) Nu mb e r 1 2 i n 2 0 1 5( T o t a l No 3 1 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 2 0 0 2 持续低温环境下混凝土水化程度及孔结构变化 对其强度影 响试验研究 林梦凯，王起才，李海莲。陈川 ( 兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 ) 摘要： 桥梁钻孔灌注桩设计施工已经在青藏铁路多年冻土区广泛使用， 但多年冻土区持续低温的水化环境会导致灌注桩混凝 土水化反应速率的显著减小 ， 进而减缓灌注桩混凝土早期的强度增长。 通过试验研究， 完成 了多年冻土 区桥梁钻孑 L 灌注桩混凝 土水化放热特性的定量化分析 ， 确定了灌注桩混凝土在不同持续低温环境下水泥水化程度 随龄期变化 的增长规律 。 在此基础 上， 进一步完成了标准养护环境下以及不同持续低温养护环境下的混凝土立方体强度试验 ， 通过 Ma t l a b对试验数据进行处理分 析， 得出了受持续低温环境影响的混凝土强度与其水化程度对应的增长变化规律。 同时应用孔结构测试仪进行了气泡数 目、 气 泡弦长 、 硬化混凝土空气含量观测等， 进一步阐明持续低温环境对灌注桩混凝土强度影响的内在机理。 关键词： 青藏铁路 ； 灌注桩 ； 持续低温； 孔结构； 混凝土强度 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 0 4 0 4 E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n i n f l u e n c e t o c o n c r e t e s t r e n g t h o f d e g r e e o f h y d r a t ion a n d p o r e s t r u c t u r e i n s u s t a i n e d l o w t e mp e r a t u re e n v i r o n me n t L I N Me n g k a i ， WANG Q i c a i ， L IHa i l i a n，C HE N C h u a n ( S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g ， L a n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y， L a n z h o u 7 3 0 0 7 0， Ch i n a ) Ab s t r a c t T h e d e s i g n a n d c o n s t ruc ti o n o f c a s t i np l a c e b o r e d b ri d g e p i l e s h a s b e e n wi d e l y u s e d i n t h e p e r ma f r o s t l g i o n s o f Qi n g h a i Ti be t Ra i l wa y， h owe v e r ， t h e s u s t a i n e d l o w t e m p e r a t u r e e n v i r o n me n t l e a ds t O the d e c r e a s e o f t h e h y d r a t i o n r a t e o f c o n c r e t e， a n d t o f u r t h e r s l o ws the i n c r e a s e o f c o n c r e t e s t r e n g th s By e x p e rime n t r e s e a r c h， c o mp l e t e d a q u a n tit a t i v e a n a l ys i s o f c o n c r e t e h y d r a t i o n he a t r e l e a s e c h a r a c t e ris ti c i n the p e r ma f r o s t r e g i o n s， a n d d e t e r mi ne d the g r o wth r u l e o f h y d r a tio n he a t u n d e r d i f f e r e n t c on d i t i o ns o f s u s t a i n e d l o w t e mp e r a t u r e e n v i r o nme n t On t h i s ba s i s ， c o mp l e t e d the c o n c r e t e c u b e s t r e n g t h t e s t i n c o n s e r v a tio n o f s t a n d a r d an d d i f f e r e n t c o n d i tio n s o f s us t a i n e d l o w t e mp e r a t u r e e n vi r o nme n t ， us i n g Ma t l a b s o f t ware c o mp l e t e d the a n a l y s i s o f the l i n e a r c o r r e l a t i o n be t we e n the c omp r e s s i v e s t r e n g t h a n d the h y d r a t i o n d e g r e e i n d i f f e r e n t s us t a i n e d l o w t e mp e r a t u r e， me a n wh i l e， by t h e mi c r op o r e s tr u c t u r e t e s t e r o b s e r v e d n u m b e r o f a i r b u b b l e s， l e n g t h o f a i r bu bb l e s a nd a i r c o n t e n t o f h a r d e n e d c o n c r e t e， c l a rifie d the i n t e r n a l me c h a n i s m o f c o n c r e t e s t r e n gt h i m pa c t u n d e r c o n di ti o n s of s u s t a i n e d l o w t e mp e r a t u r e e nv i r o n me n t K e y wo r d s： Q i n g h a i T i b e t r a i l w a y ； b o r e d p i l e s ； s u s t a i n e d l o w t e mp e r a t u r e ； p o r e s t r u c t u r e ； s tr e n g t h o f c o n c r e t e 0 引 言 桥梁和路基工程 的造价差距是 明显 的， 但是冻土区工 程首先是在结构上能够适应冻土环境的变化 ， 使其在冻土 环境的变化背景 下仍 然能够保持稳定 、 可靠 ， 保证线路 的 安全运行 。 对青藏铁路 冻土区桥梁来说 ， 无论从减少 对 冻土层和冻土环境的扰动来衡量 ， 还是从 提高基础承载能 力， 适应未来气温变化对冻土的影响， “ 以桥代路” 都可以 作为高温冻土区一种非常适宜 的工程结构形式 ， 灌注桩基 础可以作为冻土区桥梁的首选基础形式。 我国灌注桩桥梁 基础设计施工已经在多年冻土地 区公路铁路桥 梁工程 中 广泛使用 ， 然而多年冻土地区使用钻孔灌 注桩却存在 以下 缺点 ： 一方面 ， 灌 注桩水 泥水化热对多年冻土 的影 响和扰 动比较大 ， 使得桩周冻土在水化放热的作用下发生融化进 而影 响桩周 承载力 ； 另一方 面 ， 由于多年 冻土 的平 均 温度 比冻土 区浇筑混凝土 的人模温度 ( 2 5 o c) 低 ， 所 以 混凝土人模后会处于持续低温的水 化环境 中， 低温 的水化 环境会致使混凝土水化反应速率 显著减小 ， 混凝土各龄期 的水化程度也会有所降低 ， 进而会减 缓灌注桩混凝土的早 期强度增长 一 。 本试验将针对持续 低温以及混凝土水灰 比对灌注桩混凝土水泥水化放热 的影响做 出相应 的试 验 研究 ， 得出水泥水化受持续低温 以及混凝 土水灰 比双重因 素影 响下的水泥水化热定量分析。 在此基 础上 ， 本研究又 进一步完成了标准养 护环 境下 以及不 同持续低 温养护环 境下 的混凝 土立方体强 度试验 ， 通 过 Ma t l a b对试验 数据 进行处理分析 ， 得出了受持续低温环境影响的混凝土强度 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 2 8 基 金项 目： 长江学者和创新团队发展计 划资助项 目( I R T 1 1 3 9 ) ； 国家 自然科学基金 ( 5 1 2 6 8 0 3 2 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 与其水化程度对应的增长变化规律以及线性相关系数。 同 时应用孔结构测试仪进行微观结构分析 ， 分别进行了气泡 数 目、 气泡弦长 、 硬化混凝土空气含量等观测 ， 进一步阐明 持续低温环境对灌注桩混凝土强度影响的内在机理 。 1 水 泥 水 化放 热 试 验 1 1 试验 内容及 试验仪 器 本试 验 的持 续 低 温 环 境 下 的 水 化 放 热 试 验 根 据 G B T 1 2 9 5 9 -2 0 0 8 国家标 准 中的直 接法 测水 泥水化 放热方法进行。 首先进行了 AF六组考虑不 同持续低温 试验均为水化环境温度受不同持续低温限制的水化放热 试验 ， 试验在 图 1 所示 的恒温瓶 中进行 ， 各组 的入模温度 、 持续低温范围、 水灰比、 水泥用量见表 1 。 表 1 持续低温环境下的水泥水化试验 组 另 0 A B C D E F W C 0 31 0- 3 8 0- 3 1 O 3 8 0 3 1 O_ 3 8 浇注温度 3 3 8 8 1 3 l 3 持续低温 3 1 3 1 8 1 81 1 3 1 1 31 水 泥 g 1 o o o 1 o o o 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 试验仪器包括 ： 恒温瓶 、 C A B R D A B温湿度试验箱 、 自动温度巡检仪等。 试验水泥则采用产 白兰州甘草水泥集 环境和不 同水灰 比影响的水泥水化放热试验研究 ， 这六组 团的 P O 4 2 5 级水泥 ， 各项性能指标实测值见表 2 。 表 2原材 料实测 性 能指标 绝热材 料 保温 瓶 冰水混合物 温度 测量组 件 水泥浆 体 图 1 恒温瓶 图 2 C ABRDAB温湿 度试 验箱 1 2 试验步骤 完成浇筑后用巡检仪测定 A F六组的水泥水化温 升 、 冰水混合物温度变化 的情 况 ， 数据 采集完成后再 分别 计算 A F六组 的水泥水化放热量。 水泥水化在各个龄期 放 出的总热量为绝热瓶 中蓄积 和散失 的热量及各个 龄期 时冰水混合物由于发生相变而吸收的热量之和 。 详见计算 式 ( 1 ) T x =C P ( t 一t o ) 一 + + ( 1 ) 式 中： 叫龄期时水 泥水化放出的总热量 ， J ； 龄期时冰水混合物 由于温度变化而吸收 的 热量 ， J ； 龄期时冰水混合物 由于发生相变而吸收 的 热量 ， J ； C 装入水泥后 的保 温瓶总热容量 ， J ； f 龄期为 小时的水泥水化温度 ， ； 水泥水化初始温度 ， ； 保温瓶的散热常数 ， J ( h ) ； 一 在 O x 小时外界环境温度线与水泥浆体温 度曲线间的面积 ， h 。 计算式 中的散热常数需要在试验前根据规范确定 ， 浇 筑后试验瓶总的热容量 C 需依据水灰 比以及试验瓶 的热 容量计算得出。 2试 验 数 据 处理 2 1 受持续低温影响的水泥水化放热 A F六组的水泥水化放热试验数据按计算式 ( 1 ) 进 行计算， 得出 A F六组的水泥水化绝热放热情况， 并依 照 AF六组 的试验数据分析结果 汇总得出了表 3 ， 表 3 分别显示 了 AF六组 的水泥水 化放热情况 以及各个龄 期的水泥水化程度 。 括号外的数值表示该龄期下的水泥水 化热 ， 括号 内的数值表示水化程度 ， 水化程度定义 “ 为 式 ( 2 ) ： =L T m ( 2 ) 式 中： f 时刻水泥水化放热量 ； 水泥水化完全放热量。 本研究 中 _m a 的取值为 4 5 4 k J 。 2 2 持续低温对水泥水化程度 的影响 将 A、 C、 E三组以及 B、 D、 F三组持续低 温下 的水 泥 水化放热试验结果进行对比可以得 出 ： 当水灰 比相同的情 况下 ， 由于温度降低会减缓水泥水 化反应 ， 持续 的低温水 化环境可以明显的减少水泥水化各个龄期 的水化放热 ， 降 低各个龄期 的水化程度 ， 从 A组 和 E组 的数 据对 比可 以 看 出， E组 的3 d 水化程度为 0 2 8 ， 而当混凝土水化温度受 到低温( 3 1 ) 限制时 ， A组 的 3 d水化程度为仅为0 1 4 ， 受持续低温 的影 响 A组相 比 E组而言其 2 8 d的水化放热 气 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 持 续低 温和 水灰 比双重 因素 影响 的水泥 水化放 热 k 】 量减少了 1 3 ， 同样对 比 B组 和 F组 的数据可 知， B组水 化放热 由于受低温环境影 响减少 了 1 3 。 3 持 续低 温环境 下的混凝土强度试验 持续低温养护条件 下混凝 土强度试验 G J四组。 G 组和 H组 的水灰比分别为 0 3 1 、 0 3 8 ， 人模 温度 以及养护 温度均为( 31 ) ， 养护湿度控制在 9 5 ； I 组和 J 组试块 采用标准养护， 水灰比也分别为0 3 1 、 0 3 8 ， 入模温度以及 养护温度控制在 ( 2 0 1 ) o C， 养护湿度控制在 9 5 。 表 4混凝土配合比 低 温 下 混 凝 土 试 块 放 在 C A B R D A B 温 湿 度 试 验箱中养 护 完 成 ， 温 湿 度 控 制 完 全 满 足 要 求 ， 依 据 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 对混凝土 3 、 7 、 1 4 、 2 8 d的立 方体抗 压 强度经行测量 ， 见表 5 。 表 5 标准养护以及持续低温养护下的各组混凝土的抗压强度值 为验证灌注桩混凝土水化程度随龄期 的增长变化是 持续低温下的混凝土强度增长 的内在 因素， 本试验应用 MA T L AB数值软件计算得出了持续低温下水化程度 以及 强度变化数据的线性相关性 ， 详见表 6 。 表 6持续低温下的水泥水化放热与其强度数据的线性相关性 项 目 水化 k 放 J 热 强 M 度 Pa 水化 k 放 J 热 强 M 度 Pa 温度 范 围 W C 3 d 龄 期 dd 28 d 线性相关系数 E： ( 3 4 - 1 ) ( 31 ) F： ( 3 4 - 1 ) ( 31 ) 03 l 0 3 1 O_ 3 8 0 3 8 6 3 2 4 7 71 2 2 3 l 3 8 4 9 4 1 4 9 4 3 3 2 0 8 5 4 8 21 9 4 9 7 2 5 4 5 7 3 2 6 4 5 2 9 0 9 26 0 5 0 51 2 0 9 5 4 6 3 6 4 3 4 持续低温下的混凝土强度分析结果表明 ： 混凝 土的抗 压强度随龄期的变化规律与混凝土 的水化 放热随龄期 的 变化规律有较高的线性相关性， 两组数值相似的线性相关 性反映了持续低温环境下 的混凝土水化程 度与强度随龄 6 期变化 的一致性 。 4 孔结构对持 续低 温 下混凝 土的水化 程度 及 强度影响机理 按 照表 4 中 的配 合 比浇 筑 1 0 0 mm 1 0 0 m m 1 0 0 m m试件 ， 分别在( 3 1 ) oc以及( 2 01 ) 的环境下进 行养护， 对龄期 7 、 2 8 、 5 6 d的试件进行切割打磨、 烘干、 墨 水涂抹及涂刷氧化锌胶液等， 采用 R a p i d A i r 4 5 7 气孔测试 仪进行测试 ， 得出不 同持续低温环境对应试样 的硬化空气 含量 、 气泡平均半径等参数。 试验结果可在一定程 度上代 表测试 区域 内的硬化混凝 土含 气量 、 气 泡弦长 等气泡 参 数 。 图 3是龄期 2 8 d ， 水灰 比为 0 3 1 时持续低温环境 以及 标准养护环境下 的混 凝土含气量 、 气孔弦长频率 分布 图， 表 7 是在不同养护温度下各个龄期 的混凝土气泡参数 。 2 5 2 0 商 J l广1 5 缸 l 0 赙5 0 4 O 3 5 3 0 2 5 缸 2 0 s 赠 1 0 5 0 昌 芎 苔 兽 譬 答 窘 2 = 兰 昌 篙 吊 导 导 岛 8 岛 8 昌 g g 考 壹 考 毫 喜 毫 考 蓉 奎 圭 查 生 意 未 毒 毒 未 杀 未 喜 喜 喜 毫 0 0 6 0 6 6 0 66 6 6 d 6 6 6 d6 6 0 0 0 0 6 0 一 一 孔径 ram ( a ) ( 3 1 1 g 鲁蓦 窨兽8宝 1 怒景 导 窨寓昌 88 者 者 毫 鲁 考 考 者 考 查 圭 =圭 垂 毒 未 毒 未 晶 未 毒 害 毒 毒 交 奎 6 0 6 6 6 6 6 6 6 6 66 6 0 0 d 6 一 一 孔径 ram ( b ) ( 2 0 1 ) O 4 O 3 翥 0 2 。 塑 0 1 0 1 0 图3 龄期 2 8 d W C= 0 3 1 时的持续低温环境以及标准 养护环境下的混凝土含气量、 气孔弦长频率分布图 通过 图 3及表 7可得出在持续低温环境 的影响下 ， 各 个龄期混凝土的含气量均 比标准养 护下的混凝土含气 量 大 ， 进一步验证 了持续低温环境下混凝土水化反应速率因 受持续低温限制而导致水化程度 的降低 ； 试验得出混凝 土 的气泡个数 、 比表面积 、 气泡 间距 系数不具有 规律性 ； 另 1 4 3 3 2 2 1 l O O 0 O O O O 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m