環(huán)形混凝土電桿具有造價(jià)低、使用維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在電力行業(yè)中得以大量使用。在混凝土電桿的生產(chǎn)過(guò)程中，通常采用蒸汽養(yǎng)護(hù)（簡(jiǎn)稱蒸養(yǎng)）工藝以加快水泥的水化速率，提高混凝土的早期強(qiáng)度，但是，相關(guān)資料顯示，蒸養(yǎng)會(huì)造成混凝土耐久性能降低，對(duì)實(shí)際工程造成危害，同時(shí)還耗費(fèi)大量的能源。隨著我國(guó)低碳節(jié)能經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的提出，國(guó)家及生產(chǎn)企業(yè)對(duì)混凝土制品的生產(chǎn)提出了更高的要求，生產(chǎn)企業(yè)亟需從節(jié)能減排、改善性能、經(jīng)濟(jì)可靠等角度出發(fā)實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新，因此，探索混凝土電桿生產(chǎn)的免蒸養(yǎng)工藝，并且進(jìn)一步提升電桿的各項(xiàng)性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

楊牧等在混凝土中加入活性摻合料以改善混凝土耐久性并通過(guò)熱處理等技術(shù)激發(fā)膠凝材料的活性，提高了混凝土的早期強(qiáng)度，但是仍需蒸汽養(yǎng)護(hù)，并未實(shí)現(xiàn)常溫下生產(chǎn)的要求。王成啟等研究原材料優(yōu)選和超早強(qiáng)混凝土配制技術(shù)，充分利用環(huán)境溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度發(fā)展的作用，開(kāi)發(fā)出免蒸養(yǎng)高耐久性預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土（PHC）管樁工藝技術(shù)，并在工程中應(yīng)用。周華新等采用聚羧酸外加劑的接枝共聚技術(shù)，開(kāi)發(fā)出超早強(qiáng)型的聚羧酸外加劑，在低溫（10～20℃）條件下實(shí)現(xiàn)管片混凝土的免蒸養(yǎng)。Ramezanianpour等著重研究了蒸養(yǎng)溫度以及礦物摻加劑對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)奶岣邷囟瓤梢源龠M(jìn)水化過(guò)程的進(jìn)行，加快水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠以及Ca(OH)2晶體的形成，提高混凝土的早期強(qiáng)度，無(wú)機(jī)添加劑也同樣能夠促進(jìn)水泥礦物水化。綜上所述，通過(guò)一定的技術(shù)手段可以使自然養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的早期強(qiáng)度達(dá)到與蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土相近的強(qiáng)度，同時(shí)可以簡(jiǎn)化施工環(huán)節(jié)、節(jié)約成本，提高混凝土構(gòu)件產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量，對(duì)節(jié)能減排和保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

本文中在原有混凝土電桿生產(chǎn)配比基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)加入適宜摻量的礦渣微粉和早強(qiáng)劑制備早強(qiáng)免蒸養(yǎng)混凝土，同時(shí)對(duì)比現(xiàn)有電桿生產(chǎn)用混凝土與免蒸養(yǎng)混凝土的力學(xué)及耐久性能，并分析2種養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。

一、實(shí)驗(yàn)

1. 膠結(jié)料：濟(jì)南山水集團(tuán)生產(chǎn)的P•O52.5R水泥，比表面積為315m3/kg，28d抗壓強(qiáng)度為57.2Mpa，抗折強(qiáng)度為11.3Mpa；礦渣微粉（簡(jiǎn)稱礦粉）為S95級(jí)，比表面積為400m2/kg。水泥與礦粉的化學(xué)組成和粒度分析分別如表1、圖1所示。

表1 水泥與礦渣微粉的化學(xué)組成



圖1 水泥和礦渣微粉的粒度分布

骨料：細(xì)集料為符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684-2011要求，細(xì)度模數(shù)為2.73，含泥量1.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的中砂；粗集料選用最大粒徑為25mm連續(xù)級(jí)配的石灰石質(zhì)碎石。

外加劑：聚羧酸高效減水劑，減水率為30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），硝酸鈣作為早強(qiáng)劑。

2. 配合比及養(yǎng)護(hù)制度

目前國(guó)內(nèi)環(huán)形混凝土電桿生產(chǎn)基本采用蒸汽養(yǎng)護(hù)模式，即靜停1h，升溫速率小于25℃/h，（85±5）℃溫度下保溫3～4h，降溫1h，以加速混凝土的硬化，提高混凝土的早期強(qiáng)度，使成型電桿在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到脫模強(qiáng)度，加快模具周轉(zhuǎn)，提高電桿生產(chǎn)效率。蒸汽養(yǎng)護(hù)后混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上。以下采用目前企業(yè)生產(chǎn)用的混凝土配合比與實(shí)驗(yàn)室研制的早強(qiáng)免蒸養(yǎng)混凝土的配合比進(jìn)行比較。

通過(guò)前期試驗(yàn)，當(dāng)免蒸養(yǎng)混凝土中礦粉摻量為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下同），硝酸鈣摻量為膠凝材料質(zhì)量的2%時(shí)性能最佳，物料配合比如表2所示。考慮試驗(yàn)用蒸汽箱情況，蒸養(yǎng)混凝土入模后在（20±3）℃溫度下預(yù)養(yǎng)3h，再進(jìn)行85℃蒸汽養(yǎng)護(hù)21h。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備的升溫速率很快，所以不考慮升溫時(shí)間。免蒸養(yǎng)混凝土模擬不同的環(huán)境條件，在不同的養(yǎng)護(hù)制度下養(yǎng)護(hù)成型。由表2可知，現(xiàn)有企業(yè)生產(chǎn)用配合比中水泥用量較多，未加入早強(qiáng)劑，而免蒸養(yǎng)混凝土用20%的礦粉替代部分水泥，減少了水泥用量。

表2 混凝土配合比

3. 實(shí)驗(yàn)方法

為了比較養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土力學(xué)與耐久性能的影響，拌合成型的試件養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后分別進(jìn)行力學(xué)和耐久性能測(cè)試。

混凝土力學(xué)性能按GB50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試件的長(zhǎng)度、寬度和高度均為100mm。蒸養(yǎng)混凝土測(cè)定1d抗壓強(qiáng)度，免蒸養(yǎng)混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)測(cè)定2、3d抗壓強(qiáng)度，其余養(yǎng)護(hù)溫度測(cè)定3d抗壓強(qiáng)度。

抗凍融試驗(yàn)和抗氯離子滲透試驗(yàn)按GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。抗凍融試驗(yàn)采用快速凍融法，試件的長(zhǎng)度、寬度和高度分別為100、100、400mm，每25次凍融循環(huán)測(cè)定一次質(zhì)量損失率和動(dòng)彈性模量系數(shù)。抗氯離子滲透試驗(yàn)采用電通量法，試件為直徑為（100±1)mm、高度為（50±2）mm的圓柱體，計(jì)算6h通過(guò)試件的電通量。

采用FEI Quanta FEG 250型掃描電子顯微鐿（SEM）觀察不同養(yǎng)護(hù)制度下水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)取對(duì)應(yīng)試樣，采用Pore Master 60GT型全自動(dòng)壓汞儀進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析，孔徑分析范圍為0.35nm～950um，將得到的數(shù)據(jù)作圖，分析無(wú)害孔、少害孔、有害孔及多害孔的生成情況，從孔徑分布和孔隙率的角度分析影響混凝土強(qiáng)度和耐久性的因素。

二、結(jié)果與討論

1. 力學(xué)性能

在水泥中摻入礦粉和早強(qiáng)劑硝酸鈣，目的是提高免蒸養(yǎng)混凝土的早期強(qiáng)度。礦粉具有較強(qiáng)的火山灰效應(yīng)，其組分中的活性SiO2、Al2O3等物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成相應(yīng)的水化產(chǎn)物，促進(jìn)水泥的二次水化；其次，礦粉的微集料效應(yīng)可以改善孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)度。另外，硝酸鈣作為早強(qiáng)劑，會(huì)使液相中Ca2+含量急劇增加，Ca(OH)2很快達(dá)到飽和而迅速結(jié)晶，減小了水泥漿體的PH值，從而加速熟料中硅酸三鈣（C3S）的水化，提高水泥的早期強(qiáng)度。

以下將對(duì)比免蒸養(yǎng)混凝土與蒸養(yǎng)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展，評(píng)價(jià)免蒸養(yǎng)混凝土的力學(xué)性能。試驗(yàn)設(shè)設(shè)置了蒸汽養(yǎng)護(hù)1d強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)2、3d，其他養(yǎng)護(hù)制度下的3d強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同養(yǎng)護(hù)制度下免蒸養(yǎng)混凝土與蒸養(yǎng)混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表中數(shù)據(jù)可知，免蒸養(yǎng)試件的抗壓強(qiáng)度需3d才能達(dá)到或者超過(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)1d的強(qiáng)度，且隨著免蒸養(yǎng)溫度的升高，混凝土的強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)。混凝土電桿設(shè)計(jì)配合比為C50混凝土，蒸汽養(yǎng)護(hù)4～6h后達(dá)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上即可，所以免蒸養(yǎng)混凝土的強(qiáng)度在自然條件下3d內(nèi)達(dá)到電桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上即可以進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以看出，免蒸養(yǎng)混凝土可在空氣溫度15℃以上進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，雖然強(qiáng)度的發(fā)展速度不及蒸汽養(yǎng)護(hù)，但可節(jié)省大量的能源并提高其后期耐久性能。在蒸養(yǎng)條件下，雖然溫度升高能夠使得水化程度增大，但是高溫會(huì)使其水化產(chǎn)物生長(zhǎng)粗化，同時(shí)使水分遷移及蒸發(fā)速率加快，引起孔結(jié)構(gòu)劣化，從而降低混凝土的后期力學(xué)強(qiáng)度及耐久性能。

2. 耐久性能

2.1 抗凍融性能

在某此寒冷地區(qū)，混凝土電桿位于地表以下的部分處于凍融交替及離子滲透的復(fù)雜環(huán)境，為了進(jìn)一步分析目前生產(chǎn)用混凝土與免蒸養(yǎng)混凝土在力學(xué)性能相近時(shí)耐久性能的差別，設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比。免蒸養(yǎng)試驗(yàn)組在30℃自然養(yǎng)護(hù)至24d時(shí)取出浸泡到水中至28d，蒸養(yǎng)實(shí)驗(yàn)組在85℃蒸汽養(yǎng)護(hù)1d后進(jìn)行30℃自然養(yǎng)護(hù)，至24d時(shí)再取出浸泡到水中至28d，分別進(jìn)行抗凍融試驗(yàn)。圖2所示為不同混凝土試驗(yàn)組的抗凍融性能的試驗(yàn)結(jié)果。

由圖中可以看出，經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，免蒸養(yǎng)試驗(yàn)組與蒸汽養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)組的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率分別為25.75%、28.08%，質(zhì)量損失率分別為1.56%、3.73%。2個(gè)試驗(yàn)組相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率均小于60%，質(zhì)量損失率均小于5%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而且免蒸養(yǎng)試驗(yàn)組的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率與質(zhì)量損失率均小于蒸汽養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)組的，其抗凍融性能更好。其主要原因在于：蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，水泥水化速率急劇加快，生成大量的水化產(chǎn)物，但是擴(kuò)散速率相對(duì)較慢，導(dǎo)致水化產(chǎn)物分布不均；同時(shí)溫度升高導(dǎo)致內(nèi)部水分蒸發(fā)產(chǎn)生氣孔，使混凝土中的孔隙和微觀裂縫增加，造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷。在凍融環(huán)境下，混凝土內(nèi)部水分在固液兩相之間發(fā)生體積變化，所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力促使混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步損傷。免蒸養(yǎng)混凝土水化較為穩(wěn)定，因高溫而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷相對(duì)較少，同時(shí)礦粉和硝酸鈣的加入促進(jìn)了水泥的進(jìn)一步的水化，使得微觀結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，在凍融環(huán)境下具有更好耐久性。

圖2 不同混凝土試驗(yàn)組的抗凍融性能

2.2 抗氯離子滲透性能

將免蒸養(yǎng)混凝土試驗(yàn)組在30℃自然養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28d，蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土試驗(yàn)組在85℃蒸汽養(yǎng)護(hù)1d后在30℃自然養(yǎng)護(hù)至28d，分別進(jìn)行電通量試驗(yàn)。在6h內(nèi)，免蒸養(yǎng)、蒸養(yǎng)混凝土試驗(yàn)組電通量平均值分別為2792、3678C。

2個(gè)試驗(yàn)組的氯離子滲透性都處于中等范圍內(nèi)，但是免蒸養(yǎng)混凝土試驗(yàn)組的電通量相比于蒸汽養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)組的降低了24.10%，說(shuō)明免蒸養(yǎng)混凝土的抗氯離子滲透性能更好。混凝土的抗氯離子滲透性能主要與孔結(jié)構(gòu)相關(guān)，在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的孔結(jié)構(gòu)粗化，為離子滲透提供了良好的通道，對(duì)內(nèi)部鋼筋造成了不利的影響，相比之下，免蒸養(yǎng)混凝土硬化漿體的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)特征得到優(yōu)化，孔隙率減小，漿體密實(shí)程度增大，有效地提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

三、微觀結(jié)構(gòu)分析

1. 微觀結(jié)構(gòu)

采用SEM觀察水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，分析水泥水化產(chǎn)物的形貌、數(shù)量及其分布狀態(tài)。圖3為不同養(yǎng)護(hù)制度（30℃養(yǎng)護(hù)3d及85℃蒸汽養(yǎng)護(hù)1d）的混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)制度的混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡圖像

從圖中可以看出，兩者生成物基本相同，大多數(shù)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的C-S-H凝膠、六方板狀的Ca(OH)2晶體和針棒狀的鈣礬石（Aft）晶體，但是在水化產(chǎn)物數(shù)量和形貌上存在明顯的差異。免蒸養(yǎng)混凝土中的C-S-H凝膠與粗細(xì)集料結(jié)合緊密，并存在明顯結(jié)晶良好的Ca(OH)2晶體，各種水化產(chǎn)物的尺寸較小，整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定、密實(shí)，無(wú)明顯的孔缺陷。而在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土試塊，其內(nèi)部水化產(chǎn)物量較免蒸養(yǎng)情況下更多但形貌較差，其中Ca(OH)2晶體最為明顯，六方板狀結(jié)構(gòu)顯著減少。其主要原因是，在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，水泥水化速率明顯加快，產(chǎn)物量隨之增多，但是水化產(chǎn)物生成速率與擴(kuò)散速率之間的不協(xié)調(diào)使得水泥水化產(chǎn)物富集與空缺以及水分蒸發(fā)導(dǎo)致的氣泡定向遷移等，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)粗化，存在潛在的結(jié)構(gòu)缺陷。從力學(xué)和耐久性能上分析，較多的水化產(chǎn)物形成的膠凝結(jié)構(gòu)使蒸養(yǎng)混凝土早期的力學(xué)強(qiáng)度提高，但是其內(nèi)部的固有缺陷導(dǎo)致其后期強(qiáng)度發(fā)展乏力，耐久性不如免蒸養(yǎng)混凝土。因?yàn)槊庹麴B(yǎng)混凝土是在合適的溫度養(yǎng)護(hù)，并且添加礦粉和硝酸鈣，所以其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為理想。

2. 孔結(jié)構(gòu)分析

膠凝材料的密實(shí)程度對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性有著很大的影響，因此以孔徑分布以及孔隙率作為依據(jù)來(lái)評(píng)定膠凝材料的密實(shí)程度，進(jìn)而分析混凝土宏觀抗壓強(qiáng)度和耐久性。不同的養(yǎng)護(hù)制度會(huì)對(duì)膠凝材料中各種組分的反應(yīng)產(chǎn)生不同的影響，從而使混凝土內(nèi)部的孔徑分布和孔隙率有著明顯的差異。文獻(xiàn)中把混凝土孔徑分為4類，即無(wú)害孔（<20nm)、少害孔(20～50nm)、有害孔(>50～200nm)和多害孔(>200nm)。本文中使用壓汞法對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析，混凝土孔徑分布及總孔隙率如圖4所示。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的孔徑分布及總孔隙率

由圖可知，免蒸養(yǎng)混凝土的孔結(jié)構(gòu)較蒸養(yǎng)混凝土的更為合理，無(wú)害孔和少害孔的總量都明顯多于蒸養(yǎng)混凝土，而且有害孔及多害孔均少于蒸養(yǎng)混凝土。比較兩者的總孔隙率，蒸養(yǎng)混凝土總孔隙率（10.83%）與免蒸養(yǎng)混凝土的總孔隙率（11.21%）相近，但是蒸養(yǎng)混凝土平均孔徑增大，對(duì)混凝土耐久性有極大影響的有害孔和多害孔數(shù)量明顯增加，導(dǎo)致蒸養(yǎng)混凝土的耐久性不及免蒸養(yǎng)混凝土。

四、結(jié)論

本文中對(duì)比分析現(xiàn)有生產(chǎn)用蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土和新開(kāi)發(fā)的早強(qiáng)免蒸養(yǎng)混凝土的性能，得到以下結(jié)論：

1）適量摻加的礦粉和早強(qiáng)劑的復(fù)合技術(shù)可以生產(chǎn)出滿足混凝土電桿早期強(qiáng)度要求的免蒸養(yǎng)混凝土。

2）免蒸養(yǎng)混凝土在常溫下的強(qiáng)度發(fā)展雖然與蒸養(yǎng)混凝土存在一定的差距，但是其耐久性更好，與相同強(qiáng)度蒸養(yǎng)混凝土相比，其動(dòng)彈性模量損失減小2.33%，質(zhì)量損失率減小2.17%，抗氯離子滲透能力提高24.10%。

3）與蒸汽養(yǎng)護(hù)相比較，免蒸養(yǎng)混凝土中水化產(chǎn)物形貌及分布狀態(tài)優(yōu)于蒸養(yǎng)混凝土，其產(chǎn)物結(jié)晶更完整，缺陷更少；內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，無(wú)害孔及少害孔增加，微觀結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。