混凝土强度等级与养护方式对软化系数的影响

袁涛，蒋元海，连洵桓

（嘉兴学院，浙江 嘉兴 314001）

0 引言

随着经济的快速发展，我国的建筑工程发展也随之加快，混凝土需求量愈来愈大。混凝土广泛应用于桥梁、隧道、房建、公路工程等方面，但在长期使用过程中，混凝土存在着一定程度的损害，尤其是一些需要长期接触水环境的混凝土建筑。 水泥混凝土一旦出现腐蚀、开裂等现象，外部的水分就会进入到混凝土构件的内部，导致钢筋的锈蚀，降低钢筋的强度和混凝土的耐久性，从而影响混凝土构件的使用寿命， 降低混凝土的耐久性， 因此提高混凝土的耐水性十分重要。 混凝土的耐水性是指它在水介质中是否能保持原有外观和强度的性能[1]。 衡量混凝土耐水性的指标为混凝土的软化系数。 以不同强度等级的混凝土试件为研究对象， 分别在自然养护、标准养护及蒸汽养护的方式下进行养护，通过测定混凝土的软化系数来研究混凝土的强度等级与养护方式对混凝土耐水性的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥:P·O 42.5 普通硅酸盐水泥；P·O 52.5 普通硅酸盐水泥。

骨料: 粗骨料为粒径5～25 mm 的连续级配碎石，细骨料为细度模数2.7 的中砂。

减水剂:聚羧酸高性能减水剂，减水率26%。

矿物掺合料:粉煤灰具体性能见表1，矿渣粉具体性能见表2。

表1 粉煤灰基本性能

表2 矿渣粉基本性能

1.2 试验方法

（1）试件制备与养护

按照规范GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行混凝土试件的制备，试件为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体， 分别在自然养护、 标准养护和蒸汽养护三种方式下进行养护， 每种强度等级的混凝土试件需要制备18 块，共6 组， 分别测定3 种养护方式下混凝土的软化系数。

采用自然养护的试件：试件浇筑成型后，放置于室内，24 h 后对试件进行脱模。 脱模后，在室内进行洒水养护，养护时间为7 d，然后继续在室内进行自然养护直至28 d 试验龄期。

采用标准养护的试件： 成型好的试件用表面覆膜密封后, 放置于标准养护室(20±2 ℃,≥95%RH)中进行养护并于24 h 时拆模[2]。 对于标准养护的试件,采取全程标准养护的方式，养护至28 d 试验龄期。

采用蒸汽养护的试件：试件浇筑成型后带模放入标准养护室中静停2 h， 随后放入蒸汽养护箱内进行蒸汽养护，2 h 匀速升温至70 ℃，升温速率保持在25～30 ℃/h，再恒温5 h，试件蒸养结束后采用自然降温，降温速率为15～20 ℃/h。 在升温和降温过程中,需注意控制养护箱内温度由室温匀速提升至规定养护温度及由规定养护温度匀速降低至室温[3]。 降温结束后，进行脱模，然后将试件放入标准养护室中继续养护至28 d 试验龄期。

（2）试件吸水饱和与干燥方式

吸水饱和方式：一组试件养护至25 d 龄期后，取出完全浸泡至水中，期间需要补充水分，保持试件浸没在水中，到28 d 时取出，擦干表面水分，立即进行抗压强度试验。

干燥方式：另一组试件养护至28 d 龄期后，取出放置于恒温干燥箱中进行干燥， 恒温干燥箱温度设置为105 ℃[4]。 干燥前期,每隔1 h 测量1 次试件质量,测量过程中干燥箱保持工作状态,将试件取出测量质量后应迅速放入干燥箱,以减小试验误差，干燥后期适当延长质量测量的间隔时间,每隔5 h 测量1 次试件质量。 当两次测量的质量差值不大于1 g 时结束烘干，待混凝土试件冷却至室温后进行抗压强度试验[5]。 本试验中，每组试件的干燥时间为20 h。

（3）抗压强度测定

按照规范GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行抗压强度测定。

（4）软化系数

式中：KR—材料的软化系数；f—材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；F—材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。

1.3 混凝土配合比及试验环境

试验一共需要制备6 种不同强度等级的混凝土试件，C30、C40、C50 强度等级混凝土试件采用P·O 42.5 普通硅酸盐水泥配制；C60、C70、C80 强度等级混凝土试件采用P·O 52.5 普通硅酸盐水泥配制，混凝土配合比见表3。

表3 混凝土配合比

其中C60、C70、C80 混凝土掺加了矿物掺合料（矿渣粉和粉煤灰）及外加剂（聚羧酸系减水剂），以矿渣粉为掺合料，是因为矿渣粉的活性较高，发生水化反应时，能够生成对填补缝隙有作用的水化产物；以粉煤灰为掺合料，能够提高新拌混凝土的和易性，同时可以产生更多能够填充骨料间隙的砂浆[6]；而复掺粉煤灰、矿渣粉对混凝土具有微集料填充和二次水化反应双重效应[7]。 在混凝土中掺加聚羧酸系高性能减水剂，是由于聚羧酸高性能减水剂对水泥分子具有超分散作用，且减水率大、强度增长明显、坍落度损失小，可以有效提高混凝土的力学性能[8]。

试验环境：本试验的试验时间在11～12 月份，天气较为干燥，在室内环境下进行，室内温度在15 ℃左右，昼夜温差较大。

2 试验结果分析

马孪晶[9]从水泥的品种、水胶比、砂率、水泥混凝土的碳化作用、 砂石品种及养护方式等方面出发，分析了影响水泥混凝土耐水性的因素，并就此提出相关改进措施。本试验从混凝土强度等级及养护方式两方面进行分析。试验对6 种不同强度等级的混凝土试件进行抗压强度测定，不同强度等级混凝土试件的抗压强度见表4，进而得出6 种不同强度等级混凝土试件的软化系数，见表5。

表4 不同强度等级混凝土抗压强度

表5 不同强度等级混凝土软化系数

从表5 中可以看出，不同强度等级的混凝土试件在三种不同养护方式下的软化系数均大于0.75，说明混凝土适用于受潮较轻或次要结构中。在自然养护的方式下，C30、C60、C70 混凝土的软化系数较小，为0.80，而C50 混凝土的软化系数最大，达到了0.92； 在标准养护的方式下，C60 混凝土的软化系数最小，为0.82，C50 混凝土的软化系数最大，为0.90； 在蒸汽养护的方式下，C60 混凝土的软化系数最小，为0.77，C70 混凝土的软化系数为0.94，达到最大。

2.1 混凝土强度等级对软化系数的影响

混凝土的强度等级不同，一方面是由于混凝土的配合比不同，另一方面是由于配制混凝土的水泥品种不同、砂石品种不同及是否掺加掺合料和外加剂所导致的。本试验中，所选用的砂石品种相同，且均符合JGJ 55—2011 《普通混凝土配合比设计规程》的要求，故进行分析时，不考虑这一因素，现从水胶比、水泥品种等方面进行分析。

由于C30、C40、C50 混凝土由P·O 42.5 普通硅 酸 盐 水 泥 配 制 而 成，C60、C70、C80 混 凝 土 由P·O 52.5 普通硅酸盐水泥配制而成，故分别绘制了由两种不同品种水泥配制而成的混凝土软化系数图，如图1、2 所示。

图1 C30、C40、C50 混凝土软化系数

图2 C60、C70、C80 混凝土软化系数

从图1 可以看出， 由P·O 42.5 级水泥配制而成的混凝土试件， 随着混凝土强度等级的提高，混凝土的软化系数也随之增大，这是由于混凝土的强度等级越低，其水胶比越大，当水泥发生水化反应后，未反应的自由水较多，其内部会形成较大孔径的孔隙， 这些孔隙对于混凝土的耐水性十分不利。从图2 看出， 由P·O 52.5 级水泥配制而成的混凝土试件，在自然养护方式下，混凝土的强度等级与混凝土的软化系数成正相关。 在标准养护方式下，当混凝土强度等级为C70 时， 软化系数出现了跳跃。 在蒸汽养护方式下， 随着混凝土强度等级的增加，软化系数呈现两极分布，C70、C80 混凝土的软化系数增加，分别达到了0.94、0.89，C60 混凝土的软化系数出现下降趋势，降低至0.77。这是因为一方面随着混凝土强度等级的提高水胶比逐渐减小， 另一方面混凝土试件经过蒸汽养护后水化反应进行得更为充分，降低了试件的孔隙率，提高了混凝土试件的密实性，使得混凝土的吸水率较低，增大了混凝土试件在吸水饱和状态下的抗压强度[10]。

2.2 混凝土养护方式对软化系数的影响

李晓等对蒸养后的混凝土进行补充养护，分析不同养护方式对混凝土耐水性的影响，发现混凝土耐水性在不同养护方式下的表现不同[11]，本试验分别对混凝土试件进行了自然养护、标准养护及蒸汽养护，探究混凝土的养护方式对软化系数的影响。

从图3、4、5 中可以看出，对于较低强度混凝土（C30、C40）， 标准养护的混凝土软化系数最大，分别为0.84、0.88； 对于中等强度混凝土(C50、C60)，自然养护混凝土的软化系数较大， 分别为0.90、0.82；对于较高强度混凝土(C70、C80），混凝土蒸汽养护下的软化系数达到最大，分别为0.94、0.89。

图3 自然养护下的软化系数

图4 标准养护下的软化系数

图5 蒸汽养护下的软化系数

对于较低强度的混凝土而言，在标准养护下，随着水化反应的进行，需要消耗的水分也在增加，在水的参与下，随着龄期的增加，生成的水化产物逐渐填充混凝土的内部孔隙，提高了混凝土的密实性，而自然养护方式不能有效持续地提供水分，影响了水泥混凝土的二次水化反应，因此低强混凝土在标准养护下的软化系数较高。 对于较高强度的混凝土，在蒸汽养护一段时间后， 再继续放入标准养护室中，一方面可以促进水泥混凝土的进一步水化，另一方面可以对其在蒸养过程中产生的微小缝隙进行有效修复，对混凝土的耐水性起到改善作用。

3 结论

（1）混凝土强度等级对软化系数有较大影响，C50和C80 混凝土在三种养护方式下均有较高的软化系数，说明C50 和C80 混凝土在潮湿环境下的抗压强度减弱较小，较适用于潮湿环境。

（2）混凝土的养护方式与软化系数有较为明显的联系，对于较高强度的混凝土，在蒸汽养护方式下的软化系数最大，其次是在标准养护下；对于中等强度的混凝土，在蒸汽养护方式下软化系数不高；对于较低强度的混凝土，软化系数在标准养护下达到最大。

（3）总体而言，混凝土的强度等级与养护方式对于其软化系数均有影响，但相比较，混凝土的养护方式对软化系数的影响更为明显。