2.1 养护气压与湿度对硬化水泥净浆结合水含量的影响
对不同养护条件下的28 d水泥净浆进行烧失量试验,结果见图2.
图2 不同养护条件下硬化水泥净浆的烧失量
Fig.2 LOI of hardened cement paste cured in different conditions
从图2可见,对于14 d浸水养护后转设计养护至28 d的试验组,结合水含量彼此间差别不大:N-1414-30和N-1414-60对比O-1414-60,烧失量分别仅减少1.6%和0.5%(比值,非差的绝对值,下文同).对于7 d浸水养护后转设计养护至28 d的试验组,N-721-30对比N-721-60烧失量减少7.0%,说明结合水含量随设计养护阶段相对湿度降低而减少; 而N-721-60对比O-721-60烧失量减少7.6%,说明结合水含量随设计养护阶段气压降低而减少.由此可知,7 d后的养护湿度仍会影响28 d时的水化程度.另外,相同温度与相对湿度下,气压越低,蒸发速率越大,即水泥净浆孔隙中物理水的散失越快,不利于水泥净浆的持续水化.
2.2 养护气压与湿度对硬化水泥净浆中毛细孔的影响
对不同养护条件下的28 d水泥净浆进行压汞法孔结构分析,得到各自的孔隙率与平均半径见图3,具体孔半径分布见图4.其中,平均半径是根据孔隙总体积与总表面积(即2V/A)所求得.从图3可见,低压与低湿的养护环境都会使水泥净浆的孔隙率与平均孔半径偏大:N-721-30对比O-721-60孔隙率与平均孔半径分别增加26.4%和49.6%; N-1414-30对比O-1414-60孔隙率与平均孔半径分别增加19.6%和39.7%.该趋势与马新飞[1]用砂浆压汞所得出的结论大体相似.
图3 不同养护条件下硬化水泥净浆孔隙率与平均半径(MIP)
Fig.3 Porosity and average pore radius of hardened cement paste cured in different conditions(MIP)
Mindess[11]按孔径大小将硬化水泥净浆的孔隙分为层间孔(≤0.5 nm)、微孔(0.5~2.5 nm)、独立的小毛细孔(2.5~10 nm)、中毛细孔(10~50 nm)和大毛细孔(50~10 000 nm),其中前三者合称凝胶孔而后两者合称毛细孔.试验用压汞仪所能分析的孔半径在3 nm以上(即孔径6 nm),且在接近该下限时往往误差较大(压力过大导致细小孔隙被破坏),所以对于硬化水泥净浆压汞法所能有效分析的主要为其中的毛细孔.这些毛细孔来源于水泥净浆中残存的原充水空间,将对水泥基材料的强度和渗透性带来不良影响.随着水化反应的进行,这些毛细孔会被水化产物局部堵塞、填充,导致其体积减小.通过图4(a)和(b)中不难发现,在设计养护阶段处于低压低湿环境的水泥净浆,其半径在400 nm(直径800 nm)以内的毛细孔体积明显大于常压或低压中湿养护的水泥净浆.而在设计养护阶段处于低压中湿(RH 60%)环境的水泥净浆,其半径在400 nm(直径800 nm)以内的毛细孔体积略大于常压下同相对湿度养护的水泥净浆,但总体上看影响不大.
图4 不同养护条件下硬化水泥净浆的孔半径分布(压汞法)
Fig.4 Pore radius distribution of hardened cement paste cured in different conditions(MIP)
低压低湿环境中,水泥净浆中的水分较其在常压和中湿环境中散失更快.部分在原充水空间外围、本该与未水化的水泥颗粒继续反应的自由水蒸发了,没有起到产生水化产物并局部填充原充水空间的效果.因此,表现出了较大的孔隙率和毛细孔尺寸.
2.3 养护气压与湿度对硬化水泥净浆中凝胶孔的影响
相对于压汞法,氮吸附法所能分析的孔径更小,能分析部分压汞法无法分析的凝胶孔.对不同养护条件下的28 d水泥净浆进行氮吸附法孔结构分析,得到各自的孔体积与平均直径见图5.从图5可知,各养护条件下的水泥净浆在1.7~300 nm之间(氮吸附法的分析范围)孔累计体积差别不大,均在0.063~0.067 cm3/g之间,但各组的平均孔径呈现出了一定的差异性.浸水养护至7 d转入低压环境的水泥净浆的平均直径明显大于7 d浸水养护后转常压养护的水泥净浆,N-721-30和N-721-60对比O-721-60孔径分别增大98.4%和67.8%; 而后者与浸水养护至14 d后才转入设计养护的水泥净浆相似,孔径在8.186~9.617 nm之间.
图5 不同养护条件下硬化水泥净浆孔体积与平均直径(氮吸附法)
Fig.5 Pore volume and average diameter of hardened cement paste cured in different conditions(NAP)
截取孔径在1.7(测量下限)-100 nm内的分析结果,见图6.其中,孔径在10 nm以内的凝胶孔是水化产物C-S-H本体的一部分,认为是无害孔,对混凝土强度无不良影响[12-13].随着水化的进行,硬化水泥净浆中毛细孔的体积减小,C-S-H凝胶体积增加,作为其本体组成部分的凝胶孔也相应增加[12].
图6 不同养护条件下硬化水泥净浆的孔径分布(氮吸附法)
Fig.6 Pore diameter distribution of hardened cement paste cured in different conditions(NAP)
从图6(a)中可以清晰地看到,7 d浸水养护后进行21 d低压养护的水泥净浆凝胶孔发育水平低于7 d浸水后进行21 d常压养护的水泥净浆.另外通过对比图6(a)与图6(b)可见,经过14 d的浸水养护的水泥净浆即使后期处于低压低湿(RH 30%)环境中,其凝胶孔发育也能大致达到常压下7 d浸水并21 d 中湿(RH 60%)养护后的水平.因此,在高原低气压环境下施工时,可通过延长混凝土的洒水保湿养护时间,从而使其性能与平原常压环境下施工的混凝土相当.须指出的是,受到测量范围的限制,氮吸附法不能分析层间孔和1.7 nm以下的微孔,即无法覆盖所有凝胶孔,故仅为定性分析提供参考.
由于低压低湿环境加速了水分散失,一定程度上减少了原本可参与后期水化的自由水,致使水化产物有所减少,在试验中反映为毛细孔体积增大(见文章2.2)而作为水化产物本体一部分的凝胶孔体积减小.
2.4 养护气压与湿度对混凝土抗压强度的影响
水泥的水化程度与硬化水泥净浆的孔结构特征都将影响混凝土的宏观性能.不同养护条件下,混凝土28 d抗压强度见图7.
图7 不同养护条件下混凝土的抗压强度
Fig.7 Compressive strength of concrete cured in different conditions
从图7可见,浸水养护7 d后就转入低压养护的混凝土强度发展不如浸水养护7 d后转常压养护的混凝土,N-721-30和N-721-60对比O-721-60强度分别降低11.4%和6.7%; 也不如浸水养护14 d后才转设计养护的混凝土,后者与O-721-60强度基本一致.这也在宏观力学上验证了化学结合水试验与孔结构试验的结果:同水灰比下,化学结合水含量越多,水泥水化越充分,混凝土强度越高; 凝胶孔比例越大,毛细孔比例越小,水化程度越高,同时其孔级配也对混凝土强度更有利[12-13].对于经过了14 d浸水养护的混凝土,其内部的水泥已经具备了较高的水化程度,故受后续低压低湿环境的影响较之仅经过7 d养护的混凝土要小.另外,混凝土试验中水灰比为0.45,是陈红伟[14]给出的高原地区C30混凝土推荐水灰比,而图7中各组混凝土的强度也都达到了30 MPa以上.