工学论文：一种基于孔隙负压测试的混凝土早期养护方法

    摘要：采用微型陶瓷头和ＧＳＭ 无线监测技术，实现了混凝土表层孔隙负压自成型开始的远程、自动和实时监控．在此基础上，提出了基于孔隙负压信号的混凝土早期养护方法，并对养护的效果进行了评价．结果表明：以孔隙负压２ｋＰａ作为养护开始时间并进行相应的早期养护，可有效避免掺硅灰混凝土在严酷水分蒸发（水分蒸发速率１．３～２．６ｋｇ／（ｍ２·ｈ－１））条件下的塑性收缩开裂，降低表层混凝土的渗透性；相比较而言，喷雾是最好的早期养护方式．
    关键词：混凝土；养护；硅灰；塑性开裂；孔隙负压；耐久性
   １理论基础及系统简介１．１理论基础由水泥、砂、石等材料和水拌制的混凝土，在浇筑以后直到终凝以前的早期养护阶段，暴露于自然环境中，会发生以下变化：（１）由塑性介质（流体）向弹塑性介质（固体）转变；（２）内部的水分蒸发由平面水（自由水）向曲面水（毛细水）转变．在早期养护阶段，混凝土中的水分向表层迁移（泌水），而表层的水分逐渐蒸发（干燥）．当泌水速率大于水分的蒸发速率时，混凝土表层的水分仍然处于平面水状态，就像水池中的水，这时的水分蒸发不会在表层引起孔隙负压．当泌水速率小于水分的蒸发速率时，混凝土表层的泌水消失，这时水分的蒸发将在其表层导致孔隙负压，而孔隙负压的增长被普遍认为是引起塑性裂缝的微观驱动力．一旦孔隙负压增长到一定程度，会使宏观收缩应力超过混凝土表层的抗拉强度，从而引发开裂．因此，实时监测混凝土表层孔隙负压的变化，并将其控制在一定的范围，可有效控制塑性裂缝的发生．另一方面，过早实施早期养护不仅没有必要，而且还会损害表层混凝土的性能．所以监测孔隙负压的产生，可以避免过早的早期养护．
      １．２孔隙负压的测试原理孔隙负压自动测试系统由陶瓷头、腔体、集气室、计算机采集系统等部件组成．陶瓷头是仪器的感应部件，具有许多微小的孔隙，被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜，当孔隙全部充水后，表面张力使水通过陶瓷头．将充满水且密封的陶瓷头插入水泥砂浆，陶瓷头中的水膜与水泥砂浆中的水分连接，以达到最初的平衡．当泌水速率小于水分的蒸发速率时，水泥砂浆表层水分呈不饱和状态（即干燥开始），与仪器中的水势不相等，水便由水势高处通过陶瓷头向水势低处流动，直至两个系统的水势平衡为止．因为仪器是密封的，在仪器中便产生真空度或吸力，这就是水泥砂浆的孔隙负压．孔隙负压的产生意味着水泥砂浆干燥开始．本文采用的孔隙负压测试设备由传感器、孔隙负压数据采集仪、ＧＳＭ信号接收中心和计算机处理系统构成，其中陶瓷头的内径为２ｍｍ，外径为６ｍｍ．
      ２试验２．１原材料及配合比胶凝材料：采用江南－小野田水泥有限公司生产的Ｐ·Ⅱ５２．５硅酸盐水泥，南京热电厂Ⅰ级粉煤灰，江南Ｓ９５级磨细矿粉，挪威Ｅｌｋｅｎ公司生产的微硅灰粉集料：细集料为河砂，表观密度为２．６３ｇ／ｃｍ３，细度模数为２．６０；粗集料为５～２０ｍｍ连续级配的玄武岩．外加剂：江苏博特新材料有限公司公司生产的ＪＭ－ＰＣＡ聚羧酸高效减水剂和Ｅｒｅｄｕｃｅｒ　２０１型混凝土养护剂．混凝土配合比如表２所示．通过调整减水剂掺量使混凝土坍落度达到１８０ｍｍ以上．
      ２．２试验方法２．２．１混凝土塑性开裂试验采用如图２所示的平板试验装置来评价混凝土早期养护对于塑性开裂的影响．平板四周的约束模具按照ＣＣＥＳ－０１《混凝土结构耐久性设计与施工指第４期 田倩，等：一种基于孔隙负压测试的混凝土早期养护方法并通过调节碘钨灯（１　０００ Ｗ）和试件表面距离（Ｈ）及风扇风速（Ｓ）来调节水分的蒸发速率（ｖ）．混凝土塑性开裂试验的环境条件如表３所示，其中水分蒸发速率测试方法如下：将直径和高度均为（１０±１）ｃｍ的塑料容器和水预先放入表３所示的温、湿度环境中，使其温度和环境达到平衡，之后将水注入塑料容器，调节碘钨灯和水面的距离及风扇风速，测量注水塑料容器初重，在１．５ｈ内，每１５ｍｉｎ称重１次，通过时间和水分蒸发量之间的线性关系求得水分蒸发速率．本文使用图像分析软件对混凝土表面裂缝的宽度和面积进行统计分析．
      ２．２．２早期养护方法早期养护方法的关键在于起始养护时间的选取．文献表明，水泥基材料发生横线塑性收缩所对应的孔隙负压阈值约为２ｋＰａ；文献［表明，水泥基材 料 （未 考 虑 硅 灰 影 响）的 进 气 值 为２０～６０ｋＰａ（孔隙负压超过进气值时水泥基材料开裂风险显着增大）；而本文试验表明，不采取养护措施的掺硅灰混凝土试件发生塑性开裂时所对应的孔隙负压值为９～２０ｋＰａ．基于此，本文选取孔隙负压阈值为２ｋＰａ作为混凝土表面变干、开始进行早期养护的依据．以表层孔隙负压达到２ｋＰａ开始的早期养护方法，其中：Ｆ表示喷雾养护；ＰＦ表示覆盖薄膜养护；Ｐ表示蓄水养护；ＣＣ表示喷涂养护剂养护；Ｆ－ＣＣ，Ｆ－ＰＦ和Ｆ－Ｐ表示混凝土初凝之前采取喷雾养护，初凝之后分别采取喷涂养护剂、覆盖薄膜及蓄水的组合养护．
      ２．２．３混凝土耐久性试验参照ＧＢ／Ｔ　５００８２-２００９《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采取电通量法及碳化试验评价混凝土试件的耐久性．电通量试验中，切取试件（?１０１×２００ｍｍ）表层２５ ｍｍ厚的部分用于测试，并将测试电压由标准中的６０Ｖ降至３０Ｖ．碳化试验以暴露面作为测试面．
      ３试验结果与讨论３．１早期养护方法对塑性开裂的影响早期养护方法对混凝土塑性开裂的影响如表５所示．试件表层及底部孔隙负压变化曲线如图３所示．表５早期养护方法对混凝土塑性开裂的影响环境条件下的试件，如不采取早期养护措施，塑性开裂现象非常明显，其初裂出现时间均在１ｈ之内，而且，随着胶凝材料用量、混凝土流动性及水分蒸发速率的增加，初裂出现时间提前；在孔隙负压达到或超过设定的阈值（２ｋＰａ）后采取适当的早期养护措施，试件均未出现开裂现象．这说明以２ｋＰａ为孔隙负压的控制阈值，可以很好地抑制掺硅灰高性能混凝土的塑性开裂．尽管本文在孔隙负压达到２ｋＰａ时所采取的早期养护方法均可以很好地避免塑性开裂，但不同早期养护方法下孔 隙负 压 的 变 化 曲 线 不 尽 相同，在孔隙负压阈值以后采取覆盖薄膜或喷涂养护剂进行早期养护的混凝土，其表层和底部的孔隙负压发展相似，这２种早期养护方法都可以延长孔隙负压的诱导期，使表层和底部的孔隙负压曲线接近．可以推断，采取上述２种早期养护方法可以有效地降低混凝土表层的水分蒸发速率，并保证不同深度的混凝土水化更为均匀．
      3.2不同养护方法下试件表层及内部孔隙负压变化曲线．一旦喷雾开始，试件表层孔隙负压迅速降低至０，当喷雾至其表层的水分被蒸发殆尽时，表层的孔隙负压又再次上升．试验发现，当试件表层的孔隙负压达到２ｋＰａ时开始喷雾，降至０时停止喷雾，如此反复，始终将表层的孔隙负压控制在０～２ｋＰａ，而试件底部第等：一种基于孔隙负压测试的混凝土早期养护方法 ５９１的孔隙负压变化几乎不受喷雾的影响．早期养护方法对混凝土耐久性的影响图４为２种早期养护制度下混凝土２８ｄ的碳化深度，其中Ｃ－１表示在Ｅ１条件下暴露１２ｈ，然后移入标准养护室养护至９０ｄ的试件；Ｃ－２表示在混凝土表层孔隙负压达到阈值以后直接移入标准养护室养护９０ｄ的试件．２种早期养护方法导致的混凝土耐久性差异非常显着．Ｃ－２的碳化深度约为２ｍｍ，Ｃ－１的碳化深度约为８～１２ｍｍ，其中掺硅灰混凝土（Ｃ５２０）的碳化深度差异更大．试验表明，早期外部恶劣环境对混凝土暴露面造成的劣化很难通过后期持续的湿养予以消除，除了避免塑性开裂外，早期养护方法对其耐久性的影响也至关重要．在混凝土表层孔隙负压达到阈值以后采取喷雾、覆膜及喷涂养护剂这３种早期养护方法均可显着降低电通量和２８ｄ碳化深度，相对于不采取早期养护措施的试件，其电通量和２８ｄ碳化深度分别降低了２３％～４５％，５０％～５４％．由于试验中混凝土成型模具所产生的约束较小，即使未采取任何早期养护措施的试件表面也不存在宏观塑性裂缝，因此可以推断，在本文试验的水分蒸发条件下，如果采用约束条件诱导塑性开裂，则早期养护方法对混凝土耐久性的提升作用将更为明显．可以看出，采取早期喷雾养护的混凝土试件，其电通量和２８ｄ碳化深度均最小，表明早期采取喷雾养护的养护效果优于其他几种早期养护方法．这主要由于采取喷雾的早期养护方法可以将表层混凝土的孔隙负压控制在阈值以内，从而提供了更好的水泥水化所需的湿度环境，同时也抑制了表层混凝土的自干燥效应，减少了微裂纹的产生．
      ４结论（１）早期严酷的水分蒸发条件对混凝土暴露面造成的劣化很难通过后期持续湿养予以消除，除了避免塑性开裂外，早期养护方法对混凝土耐久性的影响至关重要．（２）以孔隙负压达到２ｋＰａ为控制阈值，并采取早期养护方法，不仅可以有效避免在严酷的水分蒸发条件下掺硅灰混凝土的塑性开裂，而且能够显着提高其耐久性．（３）相比较而言，喷雾养护方法对于提升表层混凝土耐久性具有较好的效果．参考文献：
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　　Ｓｉｇｎｉｆｉ－ｃａｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｕｔｌｏｏｋｓ［Ｃ］