環(huán)形混凝土電桿具有造價低、使用維護(hù)簡單等優(yōu)點，在電力行業(yè)中得以大量使用。在混凝土電桿的生產(chǎn)過程中，通常采用蒸汽養(yǎng)護(hù)（簡稱蒸養(yǎng)）工藝以加快水泥的水化速率，提高混凝土的早期強度，但是，相關(guān)資料顯示，蒸養(yǎng)會造成混凝土耐久性能降低，對實際工程造成危害，同時還耗費大量的能源。隨著我國低碳節(jié)能經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的提出，國家及生產(chǎn)企業(yè)對混凝土制品的生產(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性能具有重要的現(xiàn)實意義。

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度，但是仍需蒸汽養(yǎng)護(hù)，并未實現(xiàn)常溫下生產(chǎn)的要求。王成啟等研究原材料優(yōu)選和超早強混凝土配制技術(shù)，充分利用環(huán)境溫度對混凝土強度發(fā)展的作用，開發(fā)出免蒸養(yǎng)高耐久性預(yù)應(yīng)力高強混凝土（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)，開發(fā)出超早強型的聚羧酸外加劑，在低溫（10～20℃）條件下實現(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度，無機添加劑也同樣能夠促進(jìn)水泥礦物水化。綜上所述，通過一定的技術(shù)手段可以使自然養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的早期強度達(dá)到與蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土相近的強度，同時可以簡化施工環(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)，通過加入適宜摻量的礦渣微粉和早強劑制備早強免蒸養(yǎng)混凝土，同時對比現(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、實驗

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抗壓強度為57.2Mpa，抗折強度為11.3Mpa；礦渣微粉（簡稱礦粉）為S95級，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)），硝酸鈣作為早強劑。

2. 配合比及養(yǎng)護(hù)制度

目前國內(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度，使成型電桿在較短時間內(nèi)達(dá)到脫模強度，加快模具周轉(zhuǎn)，提高電桿生產(chǎn)效率。蒸汽養(yǎng)護(hù)后混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度的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驗室研制的早強免蒸養(yǎng)混凝土的配合比進(jìn)行比較。

通過前期試驗，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%時性能最佳，物料配合比如表2所示�？紤]試驗用蒸汽箱情況，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。因為實驗設(shè)備的升溫速率很快，所以不考慮升溫時間。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. 實驗方法

為了比較養(yǎng)護(hù)條件對混凝土力學(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)和耐久性能測試。

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

抗凍融試驗和抗氯離子滲透試驗按GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行�？箖鋈谠囼灢捎每焖賰鋈诜�，試件的長度、寬度和高度分別為100、100、400mm，每25次凍融循環(huán)測定一次質(zhì)量損失率和動彈性模量系數(shù)�？孤入x子滲透試驗采用電通量法，試件為直徑為（100±1)mm、高度為（50±2）mm的圓柱體，計算6h通過試件的電通量。

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)，同時取對應(yīng)試樣，采用Pore Master 60GT型全自動壓汞儀進(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劑硝酸鈣，目的是提高免蒸養(yǎng)混凝土的早期強度。礦粉具有較強的火山灰效應(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)，提高混凝土的密實度。另外，硝酸鈣作為早強劑，會使液相中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，提高水泥的早期強度。

以下將對比免蒸養(yǎng)混凝土與蒸養(yǎng)混凝土的強度發(fā)展，評價免蒸養(yǎng)混凝土的力學(xué)性能。試驗設(shè)設(shè)置了蒸汽養(yǎng)護(hù)1d強度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)2、3d，其他養(yǎng)護(hù)制度下的3d強度進(jìn)行對比，實驗結(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)混凝土的抗壓強度

由表中數(shù)據(jù)可知，免蒸養(yǎng)試件的抗壓強度需3d才能達(dá)到或者超過蒸汽養(yǎng)護(hù)1d的強度，且隨著免蒸養(yǎng)溫度的升高，混凝土的強度呈遞增趨勢�；炷�土電桿設(shè)計配合比為C50混凝土，蒸汽養(yǎng)護(hù)4～6h后達(dá)混凝土設(shè)計強度的80%以上即可，所以免蒸養(yǎng)混凝土的強度在自然條件下3d內(nèi)達(dá)到電桿設(shè)計強度的80%以上即可以進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用。通過數(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，但是高溫會使其水化產(chǎn)物生長粗化，同時使水分遷移及蒸發(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)性能相近時耐久性能的差別，設(shè)置2個試驗組進(jìn)行對比。免蒸養(yǎng)試驗組在30℃自然養(yǎng)護(hù)至24d時取出浸泡到水中至28d，蒸養(yǎng)實驗組在85℃蒸汽養(yǎng)護(hù)1d后進(jìn)行30℃自然養(yǎng)護(hù)，至24d時再取出浸泡到水中至28d，分別進(jìn)行抗凍融試驗。圖2所示為不同混凝土試驗組的抗凍融性能的試驗結(jié)果。

由圖中可以看出，經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，免蒸養(yǎng)試驗組與蒸汽養(yǎng)護(hù)試驗組的相對動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個試驗組相對動彈性模量損失率均小于60%，質(zhì)量損失率均小于5%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，而且免蒸養(yǎng)試驗組的相對動彈性模量損失率與質(zhì)量損失率均小于蒸汽養(yǎng)護(hù)試驗組的，其抗凍融性能更好。其主要原因在于：蒸汽養(yǎng)護(hù)時，水泥水化速率急劇加快，生成大量的水化產(chǎn)物，但是擴(kuò)散速率相對較慢，導(dǎo)致水化產(chǎn)物分布不均；同時溫度升高導(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)缺陷相對較少，同時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，在凍融環(huán)境下具有更好耐久性。

圖2 不同混凝土試驗組的抗凍融性能

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。在6h內(nèi)，免蒸養(yǎng)、蒸養(yǎng)混凝土試驗組電通量平均值分別為2792、3678C。

2個試驗組的氯離子滲透性都處于中等范圍內(nèi)，但是免蒸養(yǎng)混凝土試驗組的電通量相比于蒸汽養(yǎng)護(hù)試驗組的降低了24.10%，說明免蒸養(yǎng)混凝土的抗氯離子滲透性能更好�；炷�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，無明顯的孔缺陷。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)強度提高，但是其內(nèi)部的固有缺陷導(dǎo)致其后期強度發(fā)展乏力，耐久性不如免蒸養(yǎng)混凝土。因為免蒸養(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

膠凝材料的密實程度對混凝土的強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)來評定膠凝材料的密實程度，進(jìn)而分析混凝土宏觀抗壓強度和耐久性。不同的養(yǎng)護(hù)制度會對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

本文中對比分析現(xiàn)有生產(chǎn)用蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土和新開發(fā)的早強免蒸養(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劑的復(fù)合技術(shù)可以生產(chǎn)出滿足混凝土電桿早期強度要求的免蒸養(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，與相同強度蒸養(yǎng)混凝土相比，其動彈性模量損失減小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，無害孔及少害孔增加，微觀結(jié)構(gòu)更為密實。