养护湿度对混凝土微观结构和细观结构的影响

Effect of Plateau Curing Humidity on Mechanical Properties and Microstructure of Concrete

摘要

本研究系统探讨了养护湿度对混凝土微观结构和细观结构的影响机制。通过开展混凝土气孔结构分析试验、扫描电镜试验及显微硬度试验，对不同养护湿度条件下的混凝土进行多尺度对比分析，同时辅以混凝土抗渗试验与混凝土抗压强度试验，深入探究微观结构对宏观力学性能的影响规律。试验结果表明，随着养护湿度的降低，混凝土气孔结构参数呈显著下降趋势，与标准养护环境相比，室外自然养护条件下气孔结构参数劣化显著。扫描电镜的测试结果显示，标准养护湿度下的界面过渡区结构密实，微裂缝数量较少，室外养护环境下的界面过渡区存在较多微裂缝和缺陷，结构疏松程度显著增加。显微硬度测试进一步证明，标准养护环境下界面过渡区显微硬度值高于室外养护环境。宏观性能试验数据表明，养护湿度对混凝土力学性能具有决定性影响，在抗渗试验中，标准养护试块可承受1.2 MPa水压而不渗水，而室外养护试块仅能承受0.4 MPa水压（即发生渗水）。同时标准养护湿度中试块抗压强度达到36.2 MPa，而室外养护湿度的试块抗压强度仅为24.5 MPa。综上所述，养护湿度的变化不仅显著影响混凝土微观和细观结构特征，同时也显著影响了其宏观力学性能。

Abstract

This study systematically discussed the influence mechanism of curing humidity on the microstructure and microstructure of concrete. A multi-scale comparative analysis was conducted on concrete under different curing humidity conditions. The tests included pore structure analysis, scanning electron microscopy (SEM), microhardness measurement, impermeability, and compressive strength tests, aiming to investigate the influence of microstructure on macro-mechanical properties. The test results showed that with the decrease of curing humidity, the pore structure parameters of concrete showed a significant downward trend. Compared with the standard curing environment, the pore structure parameters of concrete under outdoor natural curing condition deteriorated significantly. The test results of SEM showed that the structure of the interface transition zone under standard curing humidity was dense, and the number of micro cracks was less. There were more micro cracks and defects in the interface transition zone under outdoor curing environment, and the degree of structural porosity was significantly increased. The microhardness test further proved that the microhardness value of the interface transition zone in the standard curing environment was higher than that in the outdoor curing environment. The macro performance test data showed that the curing humidity had a decisive effect on the mechanical properties of concrete. In the impermeability test, the test block under the standard curing humidity had excellent impermeability, reaching 1.2 MPa water pressure without water seepage, while the test block under the outdoor environment reached 0.4 MPa water pressure. At the same time, the compressive strength of the test block in the standard curing humidity was 36.2 MPa, while the compressive strength of the test block in the outdoor curing humidity was only 24.5 MPa. To sum up,the change of curing humidity not only significantly affected the micro and structural characteristics of concrete, but also showed obvious response differences in the macro mechanical properties.

Graphical abstract

关键词

养护湿度 / 显微硬度 / 扫描电镜 / 界面过渡区 / 抗渗性

Key words

Curing humidity / Microhardness / Scanning electron microscope / Interface transition zone / Impermeability

青藏高原作为中国境内面积最大、全球海拔最高的地区，素有“世界屋脊”之美誉^[1,2]，其平均海拔逾4 000 m^[3]，依据大气垂直递减规律，海拔每升高100 m，环境温度约下降0.6 ℃，气压降低1.0 kPa^[4]，由此形成显著区别于平原地区的低温低压气候特征。此外该区域受强烈太阳辐射作用，水分蒸发速率极高，昼夜温差显著。在这种正负温频繁交替的极端环境下，混凝土材料的服役性能面临严峻挑战：一方面，频繁的温度波动显著影响水泥水化进程及其内部微观结构的正常发育；另一方面，温度应力循环加速了混凝土性能的劣化过程，致使材料内部结构产生早期损伤，进而导致其力学性能衰退与耐久性降低。

在高原地区极端复杂的环境条件下，混凝土材料内部结构劣化问题日益凸显^[5,6]。现有研究已从多维度对混凝土内部结构劣化机制展开探索：林剑^[7]等采用计算机断层扫描技术（CT）和压汞法（MIP），系统对比分析了不同养护温度下混凝土的孔结构特征，发现适度高温养护可加速水泥水化进程，细化孔结构并优化微观构造，进而提高抗压强度；但当养护温度超过250 ℃时，其抗压强度出现下降趋势。Disheng^[8]等针对高温养护制度对超高性能混凝土（UHPC）水化进程及微观结构的影响研究表明，热固化过程中产生的大量钙硅酸盐（C-S-H）凝胶能够有效填充孔隙，降低孔隙率并细化孔径分布，使UHPC微观结构更为致密，显著增强其力学强度与耐久性能。佘安明^[9]等通过对比干燥大温差气候条件和标准养护条件下混凝土界面过渡区（ITZ）的结构特征发现，干燥大温差环境致使ITZ宽度增加、显微硬度降低，水化产物结构疏松多孔，骨料－浆体界面黏结性能减弱并伴随微裂缝萌生。董淑慧^[10]等针对早期受冻混凝土的研究则揭示，较低的初始养护温度会导致水泥石结构疏松，进而显著降低混凝土早期抗压强度。然而，既有研究多聚焦单一试验方法或影响因素，缺乏多试验技术的交叉验证，致使研究结论的可靠性与普适性存在一定局限性。

鉴于此，本研究以硬化混凝土气孔分析仪测试、扫描电子显微镜（SEM）观察及显微硬度试验为核心手段，辅以混凝土抗渗性与抗压强度试验，系统探究不同养护湿度条件下混凝土微观与细观结构演变规律，并通过多尺度试验数据的关联性分析，揭示混凝土微细观结构特征对宏观力学性能的影响机制，以期为提升高原地区混凝土耐久性提供科学依据。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

试验所用的水泥是山南华新建材生产的P.MH42.5水泥；细骨料是天然河砂，细度模数为2.80，含泥量为1.15%；粗骨料是5 ~ 30 mm连续级配的碎石，含泥量0.5 %；掺合料是京能I级粉煤灰，细度为5.6%；减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量30%；引气剂是铁科新型材料有限公司生产的高性能引气剂；拌合用水为自来水；C30混凝土配合比见表1。

在高原地区进行原位试验，设计试验方案如下：(1)西藏林芝地区标准养护室，温度为20 ℃±2 ℃，相对湿度为95%以上，大气压强66.4 kPa，记为BY-1；(2)西藏林芝地区干燥养护室，温度为20 ℃±2 ℃，相对湿度为60%，大气压强66.4 kPa，记为GY-1；(3)西藏林芝地区室外养护室，温度为20 ℃±2 ℃，相对湿度为30% ~ 60%，大气压强66.4 kPa，记为WY-1。3种养护试块均在西藏林芝实验室制备成型，温度为20 ℃±2 ℃，湿度为40%±5%，大气压强66.4 kPa。混凝土达到（1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d）龄期后进行混凝土性能的测试。

1.2 试验方法

1.2.1 抗压强度试验

根据《水工混凝土试验规程》（DLT 5150-2017）^[11]的相关试验要求，将上述3种养护环境下的混凝土养护至1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d龄期分别进行抗压强度测试。

1.2.2 混凝土抗渗试验

根据《水工混凝土试验规程》（DLT 5150-2017）^[11]的相关试验要求，混凝土抗渗试验采用全自动抗渗仪进行逐级加压法测试，以6个试块为一组，每8 h增加0.1 MPa，6个试块中超过2个试块表面渗水时，停止试验。

1.2.3 硬化混凝土气孔结构试验

本文采用硬化混凝土气孔结构分析仪进行气孔结构分析。首先将达到28 d龄期的长方体试块制成100 mm×100 mm×20 mm的薄片，用砂纸对试件进行反复打磨，然后去除混凝土表面以及孔隙中的粉末，用黑色墨水对试样表面进行染色，最后涂荧光增白剂用来填充孔隙，清除表面粉末后完成制备。气孔结构试验的试样制备如下图2。

1.2.4 扫描电镜试验

本试验通过扫描电镜对界面过渡区进行微观结构的分析。试验采用CX-200Plus型号扫描电镜，将制备好的样品放在试样台上喷金处理，然后放入设备中进行界面过渡区微观结构的观测。

1.2.5 显微硬度试验

试验采用显微硬度计HV-1000对试样进行测试，通过金刚石压头对冷嵌处理后的材料表面施加精确控制的载荷，测量压痕对角线长度，计算得到材料表面硬度值。

2 结果与分析

2.1 混凝土抗压强度分析

图3为不同养护湿度条件下混凝土各龄期抗压强度的变化规律。标准养护环境下BY-1组混凝土抗压强度最优，干燥养护环境下GY-1组抗压强度次之，而室外环境养护下WY-1组混凝土抗压强度最差。混凝土28 d龄期时，BY-1组的抗压强度比GY-1组高12.7%，比WY-1组高32.3%。由于BY-1组的养护环境有利于混凝土稳定进行水化反应，积累较多水化产物，细化了内部孔隙，提高了抗压强度；而WY-1组处于室外环境，其剧烈的干湿循环与温度变化严重抑制了水泥的持续水化，导致水化产物分布不均、结构疏松，孔隙与缺陷较多。

1 d至3 d龄期，3种不同养护环境下的抗压强度相差较小；而3 d至28 d龄期，3种不同养护环境下的抗压强度开始有明显差别，这是因为混凝土具有极低的渗透性，混凝土内部的导湿系数极低^[12]，混凝土内部的水分要很长时间才能够迁移到外界环境，形成水分的交换^[13]。1 d至7 d龄期间，3种养护环境下混凝土抗压强度的增长速率快于7 d至28 d龄期，这表明混凝土内部的水化反应进入加速期，水泥颗粒表面水化产物薄膜破裂，水化反应速度加快，水化产物C-S-H增多，细化了气孔孔径，降低孔隙率，从而提高了抗压强度。7 d至28 d龄期，3种养护条件下的抗压强度增长速率低于1 d和3 d龄期的增长速率，说明混凝土内部水化反应进入减速期，水泥颗粒表面的水化产物层逐渐增厚，新反应表面减少，水化反应速率开始减慢，但水化产物C-S-H仍在不断积累，填充内部结构孔隙，不断细化孔隙，使内部结构更加致密，从而提高抗压强度。因此，维持较高的养护湿度，有利于保障水泥充分水化，促进水化产物积累与孔隙细化，从而提升混凝土的整体强度。

2.2 混凝土抗渗性分析

图5为不同养护环境下混凝土抗渗性的变化规律。从图5可以看出，标准养护环境下的混凝土抗渗性较好，干燥养护环境下混凝土抗渗性次之，室外养护环境下混凝土抗渗性较差。与标准养护环境下混凝土抗渗性相比，干燥养护环境下混凝土抗渗性低0.3 MPa，室外养护环境下混凝土抗渗性低0.6 MPa。

在标准养护环境下，混凝土由于处于适宜的湿度条件中，水泥的水化反应速率较快，生成的水化产物能够有效填充内部的孔隙，细化气孔结构，降低孔隙率。这种填充效果细化了孔隙结构，减少了内部孔隙连通性，从而显著提高了混凝土的抗渗性。在干燥养护环境下，混凝土表面水分的加速蒸发导致内部水分通过连通的孔隙向外部迁移，对混凝土内部产生应力集中现象，导致微裂缝增大。微裂缝的增大会破坏混凝土结构的完整性，降低其抗渗性。在室外养护环境下，混凝土结构受到干湿循环的影响，加剧了内部的应力集中，应力的变化导致内部微裂缝在干湿应力的作用下逐渐扩展，导致微裂缝的宽度和长度增加，随着内部孔隙率的提高和连通孔径的增多，混凝土在抗渗过程中更早地发生破坏，降低了混凝土的抗渗性能。

2.3 混凝土气孔结构分析

表2为不同养护环境下新拌混凝土的初始含气量。在3种不同的养护环境条件下，新拌混凝土的初始含气量无显著差异，同时坍落度也无明显变化。3种养护环境下混凝土硬化至28 d龄期后，其含气量普遍比新拌混凝土低。由于在低压环境下，混凝土含气量随着时间的增长而线性减少，气泡膜强度较低，容易破裂，导致气泡的稳定性降低，进而使硬化混凝土的含气量减少。

表3和图6为不同养护湿度下硬化混凝土气孔特征的变化规律。从表3和图6中可以看出，BY-1组硬化混凝土含气量分别比GY-1组和WY-1组高出0.95%和1.4%，整体呈现下降趋势；3种养护环境下，BY-1组的气泡平均弦长、气泡间距系数、单位体积气泡数量及气泡比表面积参数最优，而WY-1组的气孔特征参数最差。

在低气压环境下，气泡的液体表面张力值增大，气泡膜变薄，膜强度降低，气泡易于破裂，从而气泡弦长增大，大气泡数量增多，大弦长气泡的比例提高，造成气泡间距系数的增长和气泡平均弦长的增大，降低了混凝土的强度。BY-1组混凝土养护湿度高于GY-1组和WY-1组，虽然混凝土的渗透性极低，但外界湿度与混凝土内部湿度形成压力差，为水泥水化反应提供充足的水分，加速水化产物的生成，填充了混凝土的内部孔隙，提高密实度。相比之下，GY-1组和WY-1组由于养护湿度较低，早期阶段混凝土内部水分向外迁移并用于自身的水化反应，导致内部水分减少，水化产物减少，导致大孔增多和平均孔径变大^[14]。

2.4 混凝土界面过渡区分析

图7为不同养护环境下混凝土界面过渡区的变化规律。从图7中可以看出，随着养护湿度的降低，界面过渡区的劣化趋势愈加明显。BY-1组的界面过渡区较为致密；而WY-1组的界面过渡区较为疏松。在BY-1组的养护环境下，混凝土界面过渡区中浆体与骨料的交界处黏结紧密，界面过渡区宽度小，气孔孔径较小，观察到水化反应产生的针状硅酸钙水化产物。相比之下，在GY-1组的养护环境下，界面过渡区中浆体与骨料的交界处黏结较为疏松，界面过渡区宽度较大，且有明显的界面裂缝，气孔孔径较大，有较多不规则的小孔隙和缺陷。WY-1组的养护环境下，界面过渡区中浆体与骨料界面处黏结最疏松，界面过渡区宽度最大，且有大量微裂缝，以及较多的大孔隙和缺陷，进一步降低了混凝土的强度。

混凝土早期水化阶段，水泥颗粒与水反应生成的水化产物，如硅酸盐水化物（C-S-H）和氢氧化钙（CH）等，可以有效填充内部孔隙，从而增强结构的密实度，提高混凝土的整体强度。在干燥环境条件下，混凝土内部的自由水会通过毛细孔向表面迁移并蒸发至空气中，该过程不仅阻碍了水泥颗粒的进一步水化，还影响了界面过渡区晶体的生长和发育。由于水化产物的数量和致密性降低，界面过渡区的孔隙填充作用减弱，导致孔隙率增加。

同时，在干燥环境下，水泥浆体与骨料组成的界面过渡区发生干燥收缩现象，导致混凝土内部产生应力。当应力持续积累并超过混凝土的抗拉强度时，在界面过渡区产生微裂缝。随着时间的推移，微裂缝可能逐渐扩展并相互连通，形成更大的裂缝网络，从而显著提高了界面过渡区的孔隙率，进一步削弱了混凝土的整体结构性能。因此，控制早期养护湿度，对于维持水泥的水化进程和界面过渡区的结构完整性至关重要。

2.5 显微硬度分析

图8展示了混凝土界面过渡区显微硬度的变化规律。从图8中可以看出，骨料的显微硬度普遍大于浆体的显微硬度，这与骨料的矿物组成和颗粒结构有关，通常骨料的显微硬度值较高，表明其结构更为致密。在标准养护环境下，由于适宜的温度和湿度条件促进了水泥的水化反应，提高了水化程度，水化产物中硅酸盐水化物（C-S-H）和氢氧化钙（CH）填充了混凝土内部的孔隙和缺陷，细化了孔径，降低了孔隙率，从而提高了显微硬度值。在干燥养护环境下，由于较低的湿度减缓了水泥的水化反应，降低了水化程度，水化产物减少导致孔隙填充不足，孔隙率增加，从而降低了显微硬度值。在室外养护环境下，混凝土的显微硬度值最低。由于室外环境的低气压和大温差导致界面过渡区局部形成干湿循环，加速了界面劣化和降低了界面完整性。另外大温差减弱了水泥水化反应，使得水化产物无法有效填充孔隙，导致孔隙率显著提高，内部结构劣化，从而降低了显微硬度。

混凝土界面过渡区的显微硬度受养护湿度的影响显著。适宜的温度和湿度有助于水泥水化反应的进行，提高水化程度，水化产物对内部的孔隙和缺陷进行填充，细化了孔径，降低了孔隙率，显微硬度也随之提高。相反，室外养护环境中的低气压和大温差导致界面劣化，水泥水化反应减弱，水化产物无法填充孔隙，导致孔隙率大大提高，内部结构劣化，从而降低显微硬度。

3 结论

（1）随着养护湿度（标准→干燥→室外）的降低，混凝土硬化后的含气量依次递减，气孔结构参数同步发生系统性劣化，表现为气泡间距系数、气泡平均弦长显著增大，气泡比表面积和单位体积气泡个数明显减小，其中室外养护条件下各项参数劣化最为严重。标准养护环境下，混凝土气孔结构呈现出较小的气泡间距系数与气泡平均弦长，同时具备较大的气泡比表面积；干燥养护环境下，混凝土的气泡间距系数和气泡平均弦长增大，而气泡比表面积减小，导致气孔结构性能下降。由此可见，养护湿度的降低是导致混凝土气孔结构性能衰退的关键因素。

（2）扫描电子显微镜观测结果表明，混凝土界面过渡区的微观结构与养护湿度密切相关：标准养护环境中，界面过渡区结构较致密，界面宽度较窄，孔隙和缺陷数量较少；而室外养护环境中，界面过渡区结构疏松，存在大量孔隙和缺陷，微观形貌显著劣化。显微硬度测试进一步证实，标准养护环境下的显微硬度值明显高于室外养护环境。扫描电镜与显微硬度分析结果相互印证，充分表明养护湿度直接决定了混凝土界面过渡区微观形貌的演变过程。

（3）通过抗压强度和抗渗性的测试间接证明了混凝土微观结构和细观结构的变化。在标准养护环境下，混凝土的抗压强度和抗渗性表现较好，而在室外养护环境下，抗压强度和抗渗性表现最差。这些结果与混凝土气孔结构、界面过渡区以及显微硬度的变化一致，表明湿度的变化不仅影响微细观结构，而且对力学性能和耐久性有较大影响。

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基金资助

国家自然科学基金区域创新联合发展基金(U24A20171)

雅下深厚覆盖层水动力潜蚀渗透变形机理与渗控关键技术研究

林芝市科技计划项目(2023-SYQ-010)

频繁干湿交替诱导薄壁结构水工混凝土缩胀变形机理及减缩抗裂技术研究