孔隙负压方法下混凝土施工过程中的养护工作

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    养护是混凝土施工过程中非常重要的工序,对硬化混凝土内部和表面性能、体积稳定性以及抵抗冻融破坏及除冰盐侵蚀的能力,均会产生显着的影响。
   
    养护周期包括最初的浇筑、振捣、饰面直至混凝土达到设计要求性能的时间过程。在混凝土施工过程中,养护通常在浇筑或饰面后进行。普通环境下,由于其水分蒸发速率相对较慢,这种养护程序比较合理,且易于施行。然而,对于现代混凝土(如泵送混凝土、自密实混凝土、高强混凝土等),由于掺加了高效减水剂和活性细掺料,混凝土流动度大,水分容易从表面蒸发,而混凝土的泌水率又较低,蒸发的水分难以得到及时的补充,因此,混凝土非常容易在浇筑以后、终凝以前发生起皮、开裂现象,严重时会影响服役环境下混凝土的耐久性和使用寿命。
   
    对于中国的西北地区,浇筑以后的混凝土多处于大风、光照等严酷水分蒸发环境,若采取传统的单一养护工序,会普遍存在早期开裂问题。
   
    美国混凝土协会《混凝土养护指南》定义了早期养护、中期养护和后期养护3个养护阶段。然而,该指南并未给出养护开始时间的科学判据,仅仅依靠施工现场人工观察,如通过观察泌水光泽来判断泌水及混凝土表层干燥情况,但当水分蒸发速率大于泌水速率时,容易造成误判。
   
    本文介绍了1种基于孔隙负压(PWP)测试的水泥基材料早期养护方法,可以显着提高混凝土在严酷水分蒸发环境条件下的抗裂性和耐久性。理论基础及系统简介。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(见图1(a)),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(见图1(b)),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。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.
   
    试验。
   
    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Ereducer201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。试验方法。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南》进行设计,中心的应力诱导装置参照ASTMC1579-06设计。混凝土浇筑成型以后,立即放入温度(t)为(38±2)℃,相对湿度(RH)为(30±5)%的实验室中,并通过调节碘钨灯(1000W)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。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如表4所示,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。
   
    混凝土耐久性试验参照GB/T50082-2009《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25mm厚的部分用于测试,并将测试电压由标准中的60V降至30V.试验结果与讨论。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。
   
    从表5可以看出,暴露于水分蒸发速率为1.31~2.64kg/(m2·h-1)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。
   
    如图3所示,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(见图3(c),(d)),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。采取喷雾进行早期养护的混凝土试件,其孔隙负压的变化曲线和上述2种早期养护方法的孔隙负压曲线区别较大(见图3(a),(b),(e),(f)所示)。
   
    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。
   
    由图4可以看出,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。图42种养护制度下混凝土28d碳化深度。图5为不同早期养护方法对混凝土渗透性的影响。
   
    混凝土渗透性试验试件为C520,暴露条件为E1,早期养护方法如表4所示,持续时间为8h,早图5不同早期养护方法对混凝土渗透性的影响养护结束后将试件移入标准养护室养护3d.
   
    图5表明: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。
   
    从图5还可以看出,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。
   
    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。
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