关键字：表面吸水率 孔结构 养护 高性能混凝土
A New Procedure for Evaluating the Adequacy of Curing for High Performance Concrete
ZHAN Bing-gen DING Yi-bing
（Schoolof Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China）
Abstract：An improved absorption test for assessmentof the adequacy of curing for concrete is present. In this approach, the curingefficiency is evaluated by determining the differences in pore structure atdifference depths in test specimens. The approach was applied for self-curingof high performance to verify its feasibility. Experimental results show thatthe pore structure determined by this approach was sensitive to the curingconditions. There is a significant difference in absorptivity and porestructure at varied depth in concrete in poor curing procedure. The approach,operated simply and quickly, can be used to determine the adequacy of curingfor concrete, especially for high performance concrete.
Key words: absorptivity;pore structure; curing; high performance concrete
0引言
养护是混凝土工程中重要的环节，对性能影响很大。对于高性能混凝土（HPC）也是如此，而且由于HPC本身的特点，如掺有活性掺料、水胶比低等特点，良好的养护就更为必要。然而目前混凝土结构现场养护往往被忽视，对于HPC还没有切实有效的养护措施，也缺乏有效的方法用于评估现场高性能混凝土养护的有效性[1]。本研究目的就是试图在混凝土表面吸水率实验的基础上，提出一种混凝土养护效果的评估方法，并用高性能混凝土自养护方法来验证试验的可行性。[1]
表面吸水率试验首先被Powers和Brownyard用于研究硬化水泥浆体[2]，Dolch应用此方法研究石灰石骨料的孔结构[3]。Ephraim Senbetta首次利用吸水率指标来评价普通混凝土的养护效果[4]。ASTM C 1511也利用表面吸水率指标来评价混凝土养护的有效性，认为普通混凝土Kα≤3.7×10-6cm2/s，意味着养护效果良好。但是高性能混凝土的组织结构已经不同于普通混凝土，因此仅仅利用表面吸水率指标来评价高性能混凝土的养护效果已经不够全面，对于高性能混凝土必须有能够全面预估耐久性能指标的评价标准。由于混凝土性能与孔结构密切相关[5、6]，因此从微观结构出发，更有利于估测其养护效果以及长期性能。
本文的试验方法是在Ephraim Senbetta的试验[4]基础上的进一步发展，主要是通过经时吸水率指标得出混凝土不同深度处的微观孔结构参数来判定养护充分与否。Ephraim Senbetta的试验是采用一定时段的吸水量来评价混凝土的孔隙率。这种吸水率指标是积分孔隙率的表现，不区分大孔与微孔在混凝土中吸水过程中的水分迁移特性，未包括孔径的大小以及均匀性等微分孔隙率参数，因此Ephraim Senbetta的方法无法获得混凝土中微观孔结构的变化。国内外研究表明[7]：孔径大小及均匀性，对混凝土的强度和抗渗性能影响比积分孔隙率更大。所以，基于混凝土微分孔隙率参数来评价混凝土的养护效果较单纯用强度以及积分孔隙率更为适宜。
测定混凝土孔结构的实验方法很多，如压汞法、氮吸附法、电阻测定法等；不同测定方法适用于不同范围的孔系，有的仅仅适用于水泥石[8]。而混凝土孔结构参数测定的方法，接近于在使用过程中混凝土的工作状况，而且设备简单，测试方法对参数变化十分敏感，能够得出可靠的结论。
1 测试原理与方法
研究证实：混凝土吸水动力学和孔结构指标密切相关，其指标可以通过建立一直圆柱形毛细管模型而获得。等温条件下混凝土发生毛细孔吸附时，可以采用下面的微分方程来描述[9]：
（1）；
式中: x：毛细管中液柱长度；τ：液体沿毛细管运动时间；r：毛细管半径；η：液体动粘性系数；δ：被吸收液体密度；g：重力加速度；rm：毛细管液体弯液面半径；β：毛细管轴与水平面倾斜角。
方程解为: xτ=xmax（1-e-（λτ）） （2）；
式中：τ：吸收液体时间；xτ：在τ时间内毛细管中液柱长度；xmax：最大液柱长度；λ：表征毛细管尺寸。
上述模型虽然只能粗略地接近混凝土材料的实际孔结构，但是不同材料在同一种液体中试验，尺寸相同的试件，λ值的变化只代表毛细孔孔径r的差别，因此可以定量的评定它们的微分孔隙率的差别，进而判断养护的效果。
按照上述模型采用试验方法如下：混凝土试件(7cm×7cm×7cm)按规定条件养护至56天龄期后，用岩相切片机自暴露面到立方体试件底面切成厚为1cm的七块试样。试验前，在相对湿度98%的标养室中养护4d后称量mB，然后在温度为105℃的干燥箱中干燥48h至恒重，称量m0。试验时，利用试样的表面浸入水中，浸水0.25h、1h、24h用电子天平称吸水试件重量（精度0.001g），取其三个测量值的平均值作为试样一个面的m0.25、m1、m24。作者通过实验证实试样24h的表面吸水率可以达到最大吸水率的95%，为了简化，在此规定m24=mmax。基于如下公式可以得到混凝土表面吸水率Kα、平均尺寸指标λ2以及微孔孔隙率Km；其中：
(3); (4); 
(5)； (6)；
式中：Ka：反映了毛细孔积分孔隙率，cm2/s ；A：为横断面面积，cm2；Km：代表了微孔的相对数量，变化范围为0≤Km≤1，Km越大说明微孔所占比例越多；α：表征毛细管尺寸的均匀性，其值介于(0,1)之间。
2试验验证
2.1 试验原材料
安徽海螺水泥厂海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥；安徽合肥第一热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰；MELFLUX1 1641F高效减水剂；高分子吸水材料SAP；安徽安庆产花岗岩碎石，规格为5—15mm的连续级配，实测表观密度2.75g/cm3；安徽舒城产河砂，实测表观密度为2.60g/cm3，细度模数是2.8，中粗砂，级配为Ⅱ区。
2.2 试验配合比
为了验证方案的可行性，使其敏感的反映混凝土内部孔结构的细微变化，选取了不同配合比的自养护混凝土与空白混凝土进行对比研究。根据Bentz关于高性能混凝土自养护的研究[10、11]结果：利用在混凝土（A2）掺加SAP的方式来提供自养护，在空白混凝土A1的基础上，增加用水量使其水灰比达到0.35，促进SAP在拌和初期积蓄水分，待混凝土内部湿度降低时释放出水分，使水化得以不断进行，达到细化混凝土内部毛细孔孔径，提高性能的自养护的目的。为此本试验采用五种配合比，选用A2作为试验对比配合比。配合比见表1。
表1 试验配合比
Table 1、Mix proportion of concrete
| Mix designation |
A1 |
A2 |
A3 |
A4 |
A5 |
| Water-binder ratio |
0.3 |
0.35 |
0.35 |
0.35 |
0.35 |
| Water /kg |
170 |
198 |
198 |
198 |
198 |
| Cement /kg |
510 |
510 |
510 |
510 |
510 |
| Sand /kg |
683 |
683 |
683 |
683 |
683 |
| Gravel /kg |
1045 |
1045 |
1045 |
1045 |
1045 |
| Fly ash /kg |
57 |
57 |
57 |
57 |
57 |
| SAPa /% |
0 |
0 |
0.06% |
0.20% |
0.40% |
| S.Pb /% |
0.20% |
0.15% |
0.20% |
0.25% |
0.30% |
aSuperabsorbent polymer m(SAP)/(m(Cement)+m(Fly ash))
bSuperplasticizer (Slump 200±20mm)
试件成形后，利用密闭材料将其五面封闭，控制水分损失，使其一面暴露于环境之中。养护环境如下：养护制度（Y1）：温度为35℃，湿度为10%；（Y2）：温度为10℃，湿度为50%。
3试验结果与分析
3.1 混凝土吸水率结果
Ephraim Senbetta关于吸水率与其性能的试验研究表明：混凝土的表面吸水率可以准确地反映混凝土的养护程度和孔隙率等。从图1与图2可以发现随着水灰比降低，吸水率随之减小,Y1，2cm处的A2吸水率是A1的3.7倍； 水灰比是影响混凝
图1 、Y1环境下混凝土表面吸水率 图2 、Y2环境下混凝土表面吸水率
Fig 1、Y1, the absorptivity value of concrete Fig 2、Y2, the absorptivity value of concrete
土表面吸水率的主要因素，水灰比越低，混凝土的致密性提高，内部孔隙减少。图1中可以发现水灰比0.35空白混凝土掺加了SAP，其吸水率呈现的变化：Y1，3cm深度处，A5的吸水率是A2的34％，4cm以下，A5的吸水率数值趋近于A1，说明掺加SAP的混凝土（A3，A4，A5）有自养护效果，改善了混凝土内部孔结构。同时，由图1、2还可以发现混凝土表面吸水率，在3cm以下变化的范围比较小，说明不良的养护措施仅仅影响混凝土表面深度以下30mm。有研究认为[12]：构件的表层混凝土与内部混凝土的质量是不同的，表面吸水率客观上存在着巨大差异，如单纯以混凝土表层质量为评价依据就不合适了。这对于高性能混凝土更是如此，因为高性能混凝土水灰比低，形成致密的结构，使内外湿度迁移困难，外部的养护作用减小，而其内部水化程度却随着湿度梯度的变化而差异显著，因此仅仅利用吸水率指标不能够反映这种随着湿度梯度的变化而产生的孔径变化趋势，因为单纯的吸水率指标是积分孔隙率的参数，而实际材料由于存在大毛细孔吸水，初期饱水速度会加快，后期则由于小毛细孔的吸水，其饱水速度将减慢。前后两个阶段的饱水速度反映毛细孔的大小与均匀性，这是表面吸水率指标无法表征的。因此作者提出利用微分孔隙率的参数来评价高性能混凝土的养护效果。
3.2 混凝土孔结构参数指标比较
由图3、4可以发现，混凝土的微孔孔隙率随深度的加大而提高，说明混凝土表层大孔含量高。理解为[13]：混凝土水化初期，由于湿度迁移，造成混凝土表层水分散失，形成空穴，水灰比越大，水分损失也越大，其表层大孔相对值也越高。利用微分孔隙率参数可以清晰地反映空白混凝土与自养护混凝土内部孔结构的较大差异，例如：Y1，2cm处A5的微孔孔隙率是A2的1.45倍，从4cm以下A5数值开始高于A1混凝土；且SAP的掺加量不同所引起的毛细孔孔结构变化也反映在上述图中，例如图3，A5与A4比较,其各层大孔相对值降低了30%左右,其总的毛细孔平均孔径减小了近1/2；宏观力学性能的检验结果也证实了SAP掺量不同其孔结构改善程度各异的现象[14]，说明此方法表征的混凝土养护效果与其宏观性能一致，能够反映混凝土性能的优劣，可以用来评价其养护的有效性；再者，从两种养护条件下不同配比不同深度处混凝土的孔径尺寸变化来看，水灰比越大，平均毛细孔孔径越大，Y1环境下，A2混凝土毛细孔平均孔径是A1的3倍多； 而且混凝土在干热环境下其孔径比湿冷环境大，这是干热环境下的混凝土早期过度的水分损失的结果。
图3、Y1环境下混凝土微孔孔隙率 图4、Y2环境下混凝土微孔孔隙率
Fig 3、Y1, the porosity of small capillary Fig 4、Y2, the porosity of small capillary pore in concrete pore in concrete
图5、Y1环境下混凝土毛细孔平均尺寸 图6、Y2环境下混凝土毛细孔平均尺寸
Fig 5、Y1, the average size of capillary pore Fig 6、Y2, the average size of capillary pore inconcretein concrete
从图3、4、5、6发现混凝土表面30mm以下的孔结构变化依然十分显著，说明养护措施对混凝土内部产生了一定的作用，表现为：好的养护措施使毛细孔径不断细化。由此可见从微观孔结构角度出发反映的养护效果更准确、全面、敏感。因此利用该方法来评价混凝土的养护效果是可行的，它可以更加生动地表现了混凝土内部微观孔结构的变化，这种变化形象地体现养护效果的水化进程；再者，孔结构与高性能混凝土的耐久性能密切相关，完善的微观孔结构预示了混凝土优异的耐久性能，因此基于微观孔结构的评价方法能够满足高性能混凝土应用的需要。进一步的研究工作可以进行混凝土的长期性能与微分孔隙率数值的理论研究，确定一个用于评价高性能混凝土养护效果的微孔孔隙率的判断标准。同时，上述毛细管吸水模型是建立在一般多孔材料毛细孔现象基础上的，不因混凝土水灰比以及组成成分的不同而改变，只要该材料能够在浸润液中发生毛细孔吸附，该方法就可以根据这种经时吸水率的变化得出积分参数与微分参数，因此对其他类型的混凝土也是适用的。基于微分孔隙率参数测定的表面吸水率试验因为其简单、快捷、表征内容全面，适用面广，可以满足工程现场的推广使用。
4 结论
利用改进的表面吸水率试验，通过不同深度处混凝土内部孔结构的差异来评估混凝土的养护效果是可行的，测试的微分孔隙率参数有效地反映了混凝土的水化程度以及孔结构形式。该方法简单、便捷，比单纯使用吸水率指标更为敏感和准确，适用于评估各种混凝土，特别是高性能混凝土的养护效果。
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合肥工业大学科学研究基金项目（040803F）资助
作者简介: 詹炳根（1964－），男，合肥工业大学副教授，硕士生导师；
丁以兵（1980－），男，合肥工业大学硕士生；