混凝土是一种由胶凝材料将骨料胶结成整体的工程复合材料，广泛应用于土木工程，是为构筑物提供强度的主要来源。随着我国基础设施建设的迅速发展，混凝土的需求量越来越大，对强度及耐久性能的要求也越来越高。混凝土的强度是如何发展的，是一直增长还是存在衰退期？目前没有一致的观点。很多业内人士在对混凝土试块进行7 天和 28 天强度检测时发现后期强度有倒缩的现象，并对混凝土的耐久性能提出了质疑。 1 原材料性能与试验原理及方法 1.1 试验原材料 本试验所使用的水泥为湖北省葛洲坝钟祥水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥（P·O 42.5），石膏掺量5.5%，粉煤灰掺量6%，石灰石掺量 6%。水泥的主要矿物组成及性能见表 1。
试验用砂为标准砂；减水剂为荆门市汉鼎化工有限公司生产的聚羧酸系减水剂，固含量11%，掺量 2% 时砂浆减水率为 24.5%。 1.2 试验原理及方法 试验不考虑碎石的影响，只研究砂浆的强度增长。为提高试验结果的对比性，试验中保持用水量和标准砂用量的不变，仅对水泥用量进行增减，观察不同水胶比的胶砂强度增长情况。试验对低水胶比的胶砂制作采用减水剂，同时，对不掺减水剂和添加不同掺量减水剂的胶砂强度增长情况进行对比，分析外加剂对强度倒缩的影响，寻求强度倒缩的决定因素及其作用机理。 试验参照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法》进行，试件尺寸为40mm×40mm×160mm 的长方体。试验分两组进行：第一组试验，不掺减水剂。固定用水量为 225mL，标准砂一袋 1350g。计算水胶比分别为 0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60时的水泥用量，制作对应的胶砂试件各 6 组。因水胶比为 0.20 和 0.25 时胶砂状态呈粉状，成型困难，在本组试验中不作考虑。第二组试验，添加不同掺量的减水剂。试验中扣除减水剂的水分含量，保持实际用水量为225mL 不变，标准砂一袋 1350g。计算水胶比分别为 0.20，0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60 时的水泥用量，制作对应的胶砂试件各6 组。试验中减水剂的掺量随水泥用量的增加而增大，以保证有足够的胶砂流动度便于成型即可。 本试验中的胶砂试件数量较大，为保证养护环境的一致性，全数胶砂试件均采用水泥混凝土养护箱进行养护。试件始终置于水面以下，温度设定在20℃。测定7d、14d、21d、28d、56d 及 84d 龄期胶砂的抗折和抗压强度，绘制强度发展曲线。 2 试验结果及分析 2.1 第一组试验 在用水量和标准砂用量不变的基础上，对水胶比为0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60的胶砂进行试验，仅分析唯一变量水泥量不同时的强度情况。观察强度倒缩是否出现及强度的增长情况，相关数据见表2。依据表 2 数据绘制出强度发展曲线，分析强度倒缩的规律，详见图1 和图 2。 从表 2、图 1 和图 2 的试验数据及强度发展趋势可以看出，抗折强度在特定时期存在倒缩的情况，抗压强度一直保持增长，抗压的增长速率在倒缩期有所减缓。图中1-3#、1-4#、1-5#、1-6#、1-7# 曲线均从 21 天开始出现抗折强度的倒缩且倒缩量较大；1-3# 曲线在 56天后再次开始增长，1-4#、1-5#、1-6#、1-7#曲线在 28天后再次开始增长；1-8# 和 1-9# 曲线几乎不存在强度倒缩现象，对应的水胶比为 0.55 和 0.60，水泥用量为409g 和 375g。该批次胶砂试件唯一的变量是水泥的用量，表明强度的倒缩与水泥量的多少有关，当水泥用量高于409g 时存在抗折强度倒缩的风险。得出胶砂混合体单位体积内的水泥量越多出现倒缩的可能性越大，且倒缩期越长，倒缩量越大的结论。 胶砂的强度来源于内部结构中水泥石的生成，胶砂试件养护所需的水和温度在养护箱内得到充足的保证，水泥的水化反应持续进行，水泥石在不断生成。随着水泥水化的进行强度应该保持持续增长，出现抗折强度的倒缩说明胶砂结构内部发生了某种破坏。微观结构上，水泥的硬化是动态发展的过程，随着水化产物的不断产生，微观结构内发生着收缩及膨胀运动。当不利因素微裂缝出现时宏观力学性能下降，强度出现倒缩。 2.2 第二组试验 为弥补第一组试验无法制作 0.20 和0.25 低水胶比胶砂试件的缺陷，本组试验中添加了减水剂，同时观察减水剂对强度发展的影响。添加的减水剂扣除其中的水分含量，保持固定用水量为 225mL 不变。对水胶比为0.20，0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60的胶砂进行试验，分析掺减水剂时水泥用量对强度增长的影响，并对强度倒缩出现的时期进行观察。相关数据见表3，绘制强度发展曲线图 3 和图 4。 从表 3、图 3 和图 4 的试验数据及强度发展趋势可以看出，抗折强度同样有明显的倒缩现象，抗压强度持续增长但增长速率在倒缩期有所减缓。图中2-1# 和2-2# 曲线的水胶比分别为 0.20 和 0.25，曲线从 14 天开始出现抗折强度的倒缩且倒缩量很大；2-3# 和 2-4# 曲线从 21 天开始出现抗折强度的倒缩，与第一组试验的倒缩期相同但倒缩持续时间较长；2-5#、2-6#和 2-7#曲线在 28 天后出现抗折强度倒缩，倒缩开始的时间相对第一组推后；2-8# 和 2-9# 曲线仍然不存在强度倒缩。 该组试验表明，随着水泥用量的降低“特定倒缩期”出现的时间逐渐推后，大剂量的水泥用量（2-1#、2-2#）可使强度倒缩更早的发生，当胶砂混合体单位体积内的水泥量低于某个数值时强度倒缩不再发生（2-8#、2-9#）。试验中减水剂对水泥颗粒起到分散作用，增大了水泥颗粒间的间距，提高了胶砂混合体的均匀性。微观结构中的应力薄弱点减少，抵挡破坏应力增强，起到了适当延缓微裂缝产生的作用，所以出现2-5#、2-6#和 2-7# 的倒缩期推后的情况。当减水剂对水泥颗粒的分散作用增强效应不足以抵抗高水泥量时的微观破坏力，微裂缝的延缓作用不再显现。减水剂对微裂缝发生的推迟效应使强度倒缩期推后，进一步佐证了水泥硬化胶体内的微裂缝是导致强度倒缩的原因。 以上两组试验结果得出：胶砂强度倒缩主要表现为抗折强度的倒缩，是由水泥水化过程中微裂缝的产生所导致的，微裂缝对抗压强度的影响很小；胶砂混合体单位体积内的水泥量大小决定了强度倒缩是否产生及快慢速度。 水泥硬化浆体通过水化反应不断的生成水化产物，水化物不断堆积并填充内部孔隙。当水化产物足够多且局部孔隙被完全填满时，在周边薄弱处产生应力的集中导致微裂缝的出现。对微裂缝产生机理的研究是解决强度倒缩的基础。笔者从探究“特定倒缩期”着手对水泥的化学组成进行分析，发现C3A、C3S 和 C2S 的水化速度及深度是决定微裂缝出现时期的关键因素。 安德勒格（Anderrgg）和呼贝尔（Hubbel）对直径为dm=25～30μm 的硅酸盐水泥熟料及矿物成分在温度20～25℃条件下，用显微镜测量不同龄期水泥水化深度（表 4）的研究表明：C3A水化最快，3 天以后水化深度就无变化；C3S的 7 天水化深度达到水化部分的 97%，7～28 天水化速度非常缓慢，28 天后几乎无变化；C2S水化最慢，对后期强度增长起着重要作用。 水化深度的研究结果与本试验中普通硅酸盐水泥强度倒缩期为 14～28 天相符。该类水泥的强度倒缩由C3S 的水化深度决定，后期 C2S逐步开始水化，其水化产物对微裂缝进行自我修复使强度再次上涨。 肖忠明和郭俊萍对快硬硫铝酸盐水泥抗折强度倒缩机理的研究[2]（表5、表 6）表明：抗折强度从 3 天开始出现倒缩，7 天后再次增长，到 28 天时弥补倒缩量且高于 3 天的强度。此类水泥的强度倒缩由矿物成分 C3A的水化深度决定，微裂缝的自我修复由C3S 的后续水化所实现。 水泥的矿物成分与强度发展有着密切的关系，决定了强度倒缩的发生时期。合理的矿物组成可以让水泥具有微裂缝自我修复的功能，保证强度的持续发展，提高耐久性能。 3 探讨 在胶砂混合体系中，砂的空隙由水泥浆体填充，而水泥硬化浆体的空隙由硬化浆体单位体积内的水泥量决定。当用水量固定不变时，水泥的用量越大硬化浆体的密度越高，水泥颗粒间的间距就越小，水泥水化产物的填充空间就越少。当微观结构的孔隙在水泥水化深度未达到最大前已被填充满时，加之水化产物中的膨胀成分——钙矾石的共同作用下，在微观结构内部的薄弱带发生应力集中出现开裂，形成微裂缝，导致胶砂体系的宏观力学性能下降。当水泥水化深度达到最大后微观结构中的孔隙仍未填满时，微裂缝不易产生，强度倒缩也不会发生。因此，规避强度倒缩的发生应该从减少硬化浆体单位体积内的水泥量着手，在胶凝体系中掺加不同水化期的掺合料（如粉煤灰、矿粉、石粉等）可以减少水泥的用量，同时起到对水泥颗粒的分散作用。 现今，随着技术的进步，各种矿物掺合料及高效减水剂等在混凝土中得到了应用。胶凝材料不再由单一的水泥构成，普通混凝土中的水泥用量不会很高。胶凝体单位体积内的水泥量小，加上减水剂的分散作用，水泥颗粒的间距足够大，不易出现微裂缝，混凝土强度倒缩的可能性很小。混凝土公司在试块检测过程中遇见的强度倒缩现象多数为个例，应该分析试块制作过程中的代表性、均匀性、密实性及是否存在软弱颗粒的情况。 对于强度倒缩，笔者认为不必太过担忧。倒缩期只是特定的较短时段，且倒缩量是有限的。水泥矿物成分的水化过程是接力进行的，具有微裂缝的自我修复能力。混凝土28 天的结构设计强度仅由小部分的水泥矿物提供，约一半以上的水泥矿物仍未水化，后期水化潜力还很大，水化期也很长，足够满足混凝土材料的耐久性要求。 4 结论 通过以上试验、分析及探讨，对于强度倒缩理论的认识，可以得出以下结论： （1）强度倒缩理论存在，混凝土中的水泥是关键因素，主要表现为水泥的抗折强度倒缩，抗压强度倒缩的可能性很小。 （2）水泥硬化胶体微观结构中微裂缝的产生是导致强度倒缩的根源。微裂缝对结构物的抗拉、抗折性能影响较大，对抗压性能影响很小。强度倒缩的时期只是特定的较短时段，且倒缩量是有限的。 （3）水泥的矿物组成决定着微裂缝的出现时段，合理的矿物组成可以对微裂缝进行自我修复，保证后续强度的增长。 （4）减少硬化胶体单位体积内的水泥量，增大水泥颗粒间距，可以防止微裂缝的出现。合理使用矿物掺合料及外加剂可以对水泥颗粒进行分散，能有效规避强度倒缩的发生。 |
