干寒大溫差下早齡期混凝土收縮特性及防裂技術

李福海 ，文 濤 ，唐慧琪 ，李繼蕓 ，李 瑞 ，陳 昭 ，李學友 ，李 超

（1.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；2.中鐵二局集團有限公司中國建筑第四工程有限公司，四川成都 610031）

隨著西部大開發深入有效的推進，高原鐵路的建設步伐不斷加快，然而，高原地區具有大溫差、低氣壓、干燥、紫外線強等特點，極大影響了混凝土的基本性能.因此，保障混凝土的質量與安全是影響高原鐵路正常運行的重要因素.趙文斌等[1]研究發現，在大溫差、干寒、強風地區養護方式對混凝土的抗裂性有較大的影響.陳華鑫等[2]分別采用4 種養護條件，模擬分析了拉薩與西安兩地標準養護和室外養護下混凝土的氣孔結構及抗壓強度，研究發現，混凝土氣孔結構與力學性能劣化主要由干燥和低溫環境造成.胡玉兵等[3]研究發現，高原地區混凝土表層有害孔增加較為明顯，更容易受到有害物質侵蝕破壞.Al-Saleh 等[4]研究發現干燥環境對混凝土收縮影響巨大.Torrenti 等[5]研究指出，混凝土干縮變形與材料的相對濕度成正比.Emborg 等[6]闡述了高性能混凝土因溫度和收縮產生的裂縫問題.因此，為保障混凝土的質量與安全，采用良好的防護技術顯得尤為重要.Teng 等[7]將無機滲透結晶涂層應用在混凝土表面防護以提高混凝土的壽命；Salazar-Hernández 等[8]制備了SiO2-PDMS 復合涂層；Cervantes等[9]摻入200 nm 的硅溶膠制備SiO2-PDMS 復合涂層，用于石材防護，納米二氧化硅的加入能提高復合凝膠的彈性和結構，使涂層更加致密；張戎令等[10]通過橡塑板-土工布組合保溫材料的應用，把橋墩水化熱內外溫差控制在20.0 ℃范圍內，保證了混凝土不會因內外溫差過大而開裂.

綜上所述，學者們針對高原環境下混凝土的強度、孔隙結構及收縮等性能展開了大量的研究，然而，試驗基本是在恒定溫度下進行，缺乏大溫差條件下混凝土性能研究.本文針對高原鐵路面臨的惡劣環境，為降低混凝土開裂破壞的風險，提出一種新型防裂技術，即采用納米保溫保濕涂層對混凝土進行養護.首先，設置納米涂層保溫性能試驗，探究其對混凝土保溫隔熱性能的影響；此外，另設薄膜養護與自然養護2 種養護方式，研究了在干燥（濕度50%）、大溫差（-20.0～15.0 ℃）環境中早齡期混凝土的強度、自由收縮及約束收縮隨齡期的變化規律；最后，以抗壓強度、劈裂抗拉強度、最大自由收縮率與最大約束應力為研究對象，基于綜合型多指標灰色關聯法，分析3 種養護方式下混凝土的抗裂性能.

1 試驗概況

1.1 試驗環境

1.1.1 溫度設計

高原鐵路途經區域溫差巨大，夏季最高氣溫35.0～40.0 ℃，冬季最低氣溫-15.0～20.0 ℃，晝夜溫差可達30.0～35.0 ℃.混凝土在此類大溫差、干寒的地區，長期受到溫度梯度的作用，會使其局部達到疲勞斷裂的溫度應力，從而產生裂縫[11]，影響混凝土結構質量及安全.經統計，高原地區冬季的晝夜溫差最大，故試驗溫度變化區間設定為-20.0～15.0 ℃.

1.1.2 濕度設計

環境相對濕度是影響混凝土干縮的最重要因素之一，在相對濕度較低的區域，混凝土內部水分損失較為嚴重，從而導致混凝土收縮開裂[12]，結合試驗設備及高原環境，將試驗濕度設定為50%.

1.1.3 模擬試驗設計

試驗裝置采用步入式高低溫濕熱試驗箱，可以自動調節裝置內部的溫度、濕度，試驗中濕度保持不變，溫度每天循環一次，如圖1 所示.

圖1 循環溫度機制示意Fig.1 Schematic diagram of circulating temperature mechanism

1.2 養護工藝

試驗選擇自然養護、薄膜養護、涂層養護3 種養護方式，3 種養護方式均需將混凝土成型后放入標準養護箱24 h，然后，拆模并利用不同的方法對混凝土進行處理，具體操作如下：

1）自然養護.將拆模后的混凝土置于自然環境中，不給予任何保護措施.

2）薄膜養護.先在拆模后的混凝土表面灑水濕潤，然后立即使用塑料薄膜完全包裹，保證薄膜緊貼混凝土表面，不漏縫、不透風.此養護方法為施工現場傳統的保濕養護方式.

3）涂層養護.先在拆模后的混凝土表面灑水濕潤，然后使用納米保溫保濕涂料涂刷，防止水分蒸發.

本試驗所采用涂層材料全名為新型納米陶瓷混凝土防護體系，此防護體系分為底涂層、中涂層和面涂層.3 個涂層特點如下：

1）底涂層.將混凝土與涂料結合在一起，其結合機理分為3 個層次，分別為粘接、根須滲入以及化和締結.

2）中涂層.主要作用是隔熱保溫，其作用機理源于航天熱控涂層，涂層中的氣凝膠及復合納米材料可以高效地阻斷熱傳導.

3）面涂層.突出作用是防水自潔和具有高效耐候性.硅改性氟碳材料既具有耐紫外線破壞的特點，又具有良好的防水性能，不霉變，不吸塵，不產生靜電.

1.3 試驗設計

1.3.1 涂層保溫性能試驗

為探究新型納米陶瓷混凝土防護體系的保溫隔熱效果，設計了混凝土試件的涂層保溫性能試驗.試件尺寸采用直徑為150 mm，高為300 mm 的混凝土圓柱體（圓柱體溫度分布較均勻），試驗儀器采用多通路溫度巡檢儀和熱電偶傳感線，如圖2 所示.

圖2 保溫性能試驗試件及儀器照片Fig.2 Thermal insulation performance test specimens and instrument photo

試驗共設置2 組：第1 組為涂層涂刷的試驗組，第2 組為自然養護的對照組.混凝土澆筑分為2 步：先澆筑一半，振搗密實后將溫度傳感器探頭置于混凝土中心及邊緣1 cm 處；再將另一半混凝土澆筑完成，并放入標準養護室內養護1 d.養護完成后拆模，并對試驗組均勻刷涂納米保溫涂層，待涂層干燥后與對照組一同放入高低溫濕熱控制箱進行試驗.具體設計見表1.

表1 涂層保溫性能試驗設計表Tab.1 Test design table of coating thermal insulation performance

1.3.2 基本力學性能試驗

為研究不同養護方式對干寒大溫差下早齡期混凝土基本力學性能的影響，此次試驗設置了3、7、28 d 3 組齡期，混凝土選擇課題組針對高原地區特定環境研制的C35 混凝土，其標養28 d 的抗壓強度與劈裂抗拉強度分別為45.57、2.70 MPa.抗壓及劈裂抗拉強度根據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[13]進行測試，待試件成型后，先標準養護1 d，然后采用3 種不同的養護方式并轉入試驗箱設定的干寒大溫差環境中，每組齡期后測試混凝土抗壓及劈裂抗拉強度.試件尺寸均為100 mm ×100 mm × 100 mm，養護方式如圖3 所示.

圖3 養護方式示意Fig.3 Schematic of curing methods

1.3.3 自由收縮試驗

自由收縮試驗依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[14]的規定，采用非接觸式測試法，試件尺寸為100 mm ×100 mm × 515 mm，試件成型時須仔細插搗密實.每組試件置于標準養護箱內養護1 d，測量混凝土的收縮值，放入試驗箱，采用3 種不同養護方式對混凝土進行養護，并實時監測其收縮值.

1.3.4 約束收縮試驗

鋼環約束收縮試驗以美國ASTMC1581-04 為依據，內鋼環內表面中部粘貼4 個電阻應變片，為防止應變片受潮，采用硅膠將應變片密封.試驗時，將所有應變片與溫度補償片連接至數據采集儀，數據采集儀通過USB 接口與計算機相連，由計算機程序自動完成數據采集和存儲.此試驗全程在試驗箱中進行，且在試驗過程中需實時監測數據變化.出現以下3 種情況可停止試驗：試件出現裂縫，鋼環上2 個應變片的數值驟減不小于30 με時，測試時間達到14 d 時.每組試件置于標準養護箱養護1 d，然后放入試驗箱采用3 種不同養護方式進行干燥大溫差環境下混凝土約束收縮試驗，如圖4所示.

圖4 約束收縮處理方式示意Fig.4 Schematic of restraint shrinkage processing

2 試驗結果及分析

2.1 納米涂層保溫性能

圖5 為納米涂層保溫性能測試結果.由圖5 可知：隨齡期發展，自然養護下混凝土的中心溫度在-9.2～11.5 ℃循環，混凝土外層溫度在-10.7～12.8 ℃循環；涂層養護的混凝土中心溫度在-7.3～10.2 ℃循環，混凝土外層溫度在-9.3～11.5 ℃循環；混凝土內部溫度隨環境溫度變化而變化，最低溫比環境溫度高10.0 ℃左右，最高溫則比環境溫度低3.0～4.0 ℃，在恒溫保持和負溫保持時，混凝土內部溫度持續上升和下降，增幅小于升降溫，上述結果說明，混凝土內部溫度對環境溫度的響應是具有一定滯后性的導熱過程；相比于自然養護，涂層養護下混凝土中心溫差幅度整體降低3.2 ℃，混凝土外層溫差幅度整體降低2.7 ℃；自然養護下混凝土外層到中心的平均溫度梯度為1.5 ℃，涂層養護下混凝土外層到中心的溫度梯度為1.4 ℃，說明涂層養護可降低混凝土內部整體溫差，但是對溫度梯度影響較小，由于涂層保溫性能測試采用小尺寸試件，故其保溫效果有所降低，但仍能起到減小溫差效果.綜上所述，在-20.0～15.0 ℃的循環溫度環境下，對直徑為150 mm，高為300 mm 的圓柱體試件采用保溫保濕涂層，使得混凝土內部平均溫差降低2.95 ℃.

圖5 涂層保溫性能試驗結果Fig.5 Test results of coating thermal insulation performance

2.2 基本力學性能

干寒大溫差環境下，3 種養護方式混凝土的抗壓強度如圖6 所示.由圖可知：對于同種養護方式，3、7、28 d 的抗壓強度均逐漸增長，但是均低于標準養護28 d 的抗壓強度45.57 MPa；3 種養護方式下抗壓強度能達到標準養護28 d 抗壓強度的56.51%、65.37%、67.36%，這說明干寒大溫差的養護環境不利于混凝土強度的發展，其中納米保溫隔熱涂層養護的效果最佳，其次為薄膜養護，自然養護效果最差.

圖6 不同齡期3 種養護方式下混凝土抗壓強度Fig.6 Compressive strength of concrete under three curing methods at different ages

圖7 為干寒大溫差環境下3 種養護方式混凝土的劈裂抗拉強度.對于相同養護齡期，3 種不同養護方式的劈裂抗拉強度都呈現相同的規律，即涂層養護＞薄膜養護＞自然養護.自然養護下劈裂抗拉強度隨齡期的增長率較小，7 d 混凝土劈裂抗拉強度與28 d 基本相同，說明干寒大溫差下自然養護對混凝土劈裂抗拉強度的影響非常明顯.相較于標準養護，自然養護使混凝土直接暴露在干燥、大溫差等惡劣環境中，使得水泥水化減慢，從而造成混凝土劈裂抗拉強度發展較緩甚至不發展[12].3 種養護方式下混凝土28 d 劈裂抗拉強度能達到標準養護下（2.70 MPa）的34.07%、72.2%、77.78%，對于薄膜養護和涂層養護，劈裂抗拉強度在3、7 d 的增長率分別為23.26%、31.87%，在7、28 d 的增長率分別為83.96%、75.00%，兩者強度均有明顯增長.表明了兩者均能在一定程度上保證劈裂抗拉強度的增長，且采用良好的保溫保濕養護方式的必要性.

圖7 不同齡期3 種養護方式下混凝土劈裂抗拉強度Fig.7 Splitting tensile strength of concrete under three curing methods at different ages

2.3 早齡期混凝土自由收縮

在干寒大溫差環境下，通過采用非接觸式自由收縮儀全程不間斷采集3 種不同養護方式下混凝土的自由收縮值，分析得到14 d 內3 種養護方式下混凝土收縮率隨齡期的發展規律，如圖8 所示.其中，正值表現為收縮，負值表現為膨脹.由圖8 可知：3 種養護方式下，混凝土收縮率隨溫度的變化規律大致相同，呈現出溫度降低，收縮率增大；溫度升高，收縮率減小，循環往復.值得注意的是，溫度引起的混凝土變形速度比干燥收縮速度快約1 000 倍[15].因此，在溫度驟升和突降時，混凝土收縮率劇烈變化主要是“熱脹冷縮”效應導致，干燥收縮影響較小，尤其在溫度升高時，冰融化使得持續干燥的混凝土失水難度增大，干燥收縮影響減小[15]；當混凝土處于-20.0 ℃或15.0 ℃時，干燥收縮對收縮率的影響逐漸凸顯.一次溫度循環內混凝土收縮變化幅度巨大，在不均勻溫度場中，骨料與水泥漿體變形不協調會導致界面過渡區形成損傷，隨著溫度循環的次數增大，混凝土損傷不斷積累，破壞的風險提高[16].因此，大溫差對混凝土收縮變形的影響值得重視.

圖8 不同齡期3 種不同養護方式下混凝土收縮率Fig.8 Shrinkage rate of concrete under three curing methods at different ages

2.4 早齡期混凝土約束收縮

2.4.1 約束應力計算方法

在鋼環約束作用下,混凝土收縮對內環產生徑向壓應力，鋼環的反作用力使得混凝土受到拉應力[17]，即約束應力.混凝土約束應力以文獻[18]中的方法計算，如式（1）所示.

式中：σc為混凝土受到的約束應力，Es為鋼環的彈性模量，hs為鋼環厚度，hc為混凝土環厚度，εs為鋼環的壓應變.

2.4.2 約束應力

在干寒大溫差環境下，應變箱采集得到因混凝土收縮而引起的鋼環應變，利用式（1）計算混凝土受到的拉應力，即約束應力.探究干燥大溫差環境下不同養護方式對混凝土約束應力的影響，具體結果如圖9 所示.

圖9 3 種養護方式下約束應力隨齡期的變化曲線Fig.9 Curves of restraint stress with age under three curing methods

由圖9 可知，約束應力隨齡期呈現往復變化，每次循環均在溫度最低時混凝土受到最大約束應力.1 d 內混凝土受到溫度變化的影響，約束應力變化巨大，變化速率則受到養護方式的影響.自然養護下約束應力變化速率最大；薄膜養護與涂層養護下約束應力在前兩天變化較為接近，而第3 d 后薄膜養護下約束應力變化速率增大并超過涂層養護.自然養護下約束應力的平均峰值為1.12 MPa，薄膜養護為0.83 MPa，涂層養護為0.72 MPa.這說明干寒大溫差環境對混凝土受到的約束應力影響非常顯著，采用良好的保溫保濕養護方式可以有效改善混凝土的收縮變形，從而降低干寒大溫差下約束應力的變化幅度.

每次溫度循環混凝土的最大約束應力均不相同，為研究大溫差環境下不同養護方式對混凝土最大約束應力的影響，提取出圖9 中的最大約束應力值，按照不同養護方式，繪制出最大約束應力隨齡期發展的曲線圖，如圖10 所示.由圖10 可知，3 種養護方式下混凝土14 d 內最大約束應力基本表現為自然養護最大、薄膜養護次之、涂層養護最小，而干寒大溫差環境中3 種養護方式下混凝土各齡期劈裂抗拉強度由大到小依次為涂層養護、薄膜養護、自然養護.當約束應力大于混凝土劈裂抗拉強度，混凝土收縮開裂[19-20].此外，在大表面溫差作用下混凝土中不同組分之間熱變形性能存在一定的差異性，可能導致其表面出現裂縫損傷[21].因此，采用具有保溫保濕效果的涂層養護混凝土抗裂性能最優，薄膜養護次之，自然養護下最差.同時，自然養護與薄膜養護下混凝土約束應力隨齡期發展而逐漸增長，而涂層養護則沒有明顯的增長趨勢，整體發展較為平緩.14 d時三者的最大約束應力分別為1.17 MPa（自然養護）、0.87 MPa（薄膜養護）、0.76 MPa（涂層養護）.薄膜養護下混凝土的最大約束應力較自然養護降低25.6%.干燥環境中混凝土表面水分蒸發速度快，會造成混凝土內部的濕度降低，毛細孔壓力增加，收縮增大，自然養護使得混凝土受到更大的約束應力[22].涂層養護下混凝土的最大約束應力較薄膜養護降低12.6%，主要是因為涂層養護一定程度地降低了混凝土內部的溫度差值，從而降低了約束應力，使混凝土具有更好的抗裂性能.

圖10 3 種養護方式下最大約束應力隨齡期的變化曲線Fig.10 Curves of maximum restraint stress with age under three curing methods

3 基于綜合型多指標的混凝土抗裂性能灰色關聯分析

3.1 混凝土性能匯總

本文選取3 種養護方式下，混凝土7 d 的劈裂抗拉強度、抗壓強度、最大自由收縮率、最大約束應力指標形成了3 組樣本4 個指標參數的標準矩陣，數據樣本如表2 所示.

表2 混凝土各項性能測試結果匯總Tab.2 Summary of concrete performance test results

3.2 確定指標權重

為量化分析混凝土各性能指標對其抗裂性能的影響，本文采用層次分析法，將決定混凝土抗裂性的各項指標按重要程度定量表示，然后建立指標的判斷矩陣X，并計算各指標權重α.參照文獻[23]的計算方法：首先，按表3 選取指標的判斷矩陣X中的元素，如式（2），表中，Xai與Xjb分別為第i行與第j列所代表的性能指標；然后，計算得各指標權重α=(0.169 7，0.072 5，0.285 4，0.472 3)；最后，對判斷矩陣取值的合理性進行檢驗，隨機一致性比率CR=0.018 9＜0.100 0，判斷矩陣滿足一致性要求，即判斷矩陣取值合理.

表3 矩陣判斷各元素選取標準[24]Tab.3 Judgement matrix criteria for selecting each element

3.3 計算灰色關聯

根據混凝土各項性能測試結果，構建3 × 4 的樣本矩陣，然后進行初始化處理，得到初始矩陣為

若養護方式更優，則混凝土的抗壓與劈裂抗拉強度更高，最大自由收縮率與最大約束應力越低.因此，選取參考序列為[1.318 7 1.093 0 0.933 4 0.681 1]，確定關聯系數矩陣為

根據層次分析法確定各指標權重，計算得到灰色關聯度向量H=(0.546 6，0.692 4，0.914 9).從計算結果可以看出，涂層養護的灰色關聯度高達0.914 9，較自然養護提高了67.4%，較薄膜養護提高了32.1%.因此，采用涂層養護可以有效提高混凝土抗裂性能.

4 結論

1）納米涂層對混凝土具有良好的保溫隔熱效果，相比于自然暴露，納米涂層可以有效降低混凝土中心與外層溫差幅度.

2）干寒大溫差對早齡期混凝土強度發展的負面影響巨大.自然養護28 d 后混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度較標準養護28 d 后降低較為明顯，薄膜養護與涂層養護雖然減少了混凝土內部水分的散失，但強度仍然顯著降低.

3）干寒大溫差對混凝土收縮開裂影響顯著，一方面，在溫度循環作用下混凝土不斷產生“熱脹冷縮”效應，從而增大了混凝土開裂損傷的風險；另一方面，干燥環境會加速混凝土的干燥收縮，良好的養護方式，可以降低混凝土收縮開裂的風險.

4）約束收縮試驗與基本力學試驗相結合，可以有效評判混凝土的抗裂性能.當約束應力大于混凝土劈裂抗拉強度，混凝土出現開裂損傷.

5）采用綜合型多指標的灰色關聯法，計算出3 種養護方式與抗裂性能的灰色關聯度.計算結果表明，涂層養護下混凝土抗裂性能最優、薄膜養護次之、自然養護最差.