蒸养制度对预制桥面板混凝土强度与抗渗性的影响

黄 安，李北星，杨建波，王丽静

(1.武汉理工大学,硅酸盐建筑材料国家重点试验室，武汉 430070；2.湖北长江路桥股份有限公司，武汉 430077)

0 引 言

随着我国桥梁建设的发展，以预制拼装为核心的桥梁工业化建造技术将成为解决现有桥梁建设中施工质量难以保证、施工速度慢等问题的有效方式。钢-混组合桥梁是一种易于实现快速拼装的高性能桥梁结构形式。湖北省江北东高速公路沿线项目设计有4座钢混组合梁桥，全长9.9 km，钢梁分为40 m跨和30 m跨两种，主梁采用 “开口钢板梁+混凝土桥面板”的钢混组合梁，先简支后桥面连续。桥面板为C55强度等级的变截面钢筋混凝土桥面板，按设计要求，桥面板纵、横桥向分块预制，且预制桥面板需存放6个月以上，以减小混凝土收缩徐变对结构的不利影响。桥面板单块截面尺寸有3 000 mm×6 125 mm、2 000 mm×6 125 mm两种。由于预制桥面板数量多达一万多块，受工期影响，须采用蒸养混凝土技术进行工厂化预制以缩短生产周期。

我国公路工程结构中的预应力T梁、小箱梁和桥面板等混凝土结构构件虽然采用工厂化预制方式生产，但主要采用常温养护，冬季施工可能会采用蒸汽进行补热养护，但补热养护的蒸养温度很低，一般为15～25 ℃。与低温蒸汽补热养护不同的是，我国装配式建筑中的预制混凝土楼板与墙板、铁路工程中的轨枕、轨道板和预应力简支梁等预制构件采用的蒸养温度一般在45～65 ℃。蒸养预制构件生产与应用实践表明，较高的蒸养温度虽然可以加速混凝土的早期强度增长[1-4]，满足预制构件快速生产的要求，但由于蒸汽的湿热作用，在促进水泥水化和微结构形成的同时，也会导致其水化产物分布不均匀、孔结构粗化，从而造成混凝土结构损伤，最终影响蒸养混凝土的后期强度和耐久性能[5-9]。因此，寻求有利于蒸养混凝土结构形成和性能发展的蒸养制度，将蒸养热损伤效应对混凝土性能的影响降到最低或可接受范围之内[10-11]，已成为蒸养预制构件制备的重中之重。本文主要针对蒸养温度、蒸养时间、蒸养后的补充养护等因素对混凝土强度和抗渗性的影响方面开展试验研究，并且辅以SEM和XRD等测试技术分析蒸养混凝土微观结构和物相组成，以期为C55混凝土预制桥面板蒸养制度的确定提供依据，确保预制桥面板混凝土具有较高的后期强度增进和抗渗耐久性。

1 实 验

1.1 原材料及配合比

水泥：华新堡垒牌P·O 52.5普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1。

粉煤灰：F类Ⅰ级粉煤灰，表观密度为2.38 g/cm3，细度(45 μm方孔筛筛余)为8.1%，SO3含量为0.58%(本节出现含量均为质量分数)，烧失量为3.35%，需水量比为88%。

矿粉：S95级磨细矿粉，流动度比为98%，比表面积为418 m2/kg，表观密度为2.90 g/cm3，28 d胶砂活性指数为99%，烧失量为1.92%，SO3含量为1.39%。

碎石：5～20 mm二级配石灰岩碎石，5～10 mm和10～20 mm级配质量比为2 ∶8，压碎值为14.4%，针片状颗粒含量为3.9%，含泥量为1.0%。

河砂：2区中砂，细度模数为2.5，含泥量为0.8%，泥块含量为0.1%。

外加剂：聚羧酸高性能减水剂，固含量为21%，减水率为27%。

本试验混凝土配合比为预制桥面板工厂实际生产用配合比，见表2。

表1 水泥基本物理性能

表2 混凝土配合比

1.2 试验方法

蒸汽养护：包括静养、升温、恒温和降温四个阶段。试验设定的蒸汽养护制度为：试件成型后立即带模放入蒸汽养护箱中，在20 ℃下静养4 h，然后升温3 h至55 ℃并恒温6 h，最后降温3 h至室温，一个蒸养周期共需16 h。蒸养过程中，试件暴露面用潮湿土工布覆盖以改善蒸养对混凝土表层的热伤损。试件蒸养结束后，立即脱模并测定脱模抗压强度。

为了优化蒸养参数，分别对蒸养温度(45 ℃、55 ℃、65 ℃和75 ℃)、恒温时间(4 h、6 h、8 h)进行调整，以考察其对混凝土脱模强度和后期性能的影响。设计要求脱模强度达到28 d强度的75%(41.3 MPa)。另外，为进一步考察蒸养后补充养护方式对混凝土后期性能增进的影响，按表3所示4种养护方式继续养护至28 d龄期。

抗压强度试验：试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，强度换算系数为0.95，测试脱模强度及28 d强度。

氯离子扩散系数试验：依据GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》规定的方法测试，试件为φ100 mm×50 mm的圆柱体，龄期为56 d。

胶凝材料浆体水化产物的物相组成采用Bruker AXS公司生产的D8 Advance X射线衍射仪(XRD)测定，微观形貌采用日本电子株式会社(JEOL)生产的JSM-7500F型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察。胶凝材料组成与混凝土配合比中的相同，净浆试样按标准稠度用水量成型；砂浆试样的胶砂比为1 ∶2.5，水胶比为0.30，减水剂掺量为0.8%(质量分数)。试样尺寸为40 mm×40 mm×40 mm，养护制度与混凝土的相同。养护达1 d、3 d和28 d龄期时，使用无水乙醇终止水化，按测试要求制样。

表3 蒸养后补充养护方式

2 结果与讨论

2.1 蒸养温度的影响

图1为蒸养温度对混凝土性能的影响结果。试验过程中，恒温时间为6 h，蒸养后试件的补充养护方式为标准养护。

由图1(a)可知，随着蒸养温度的升高，混凝土脱模强度快速上升，而28 d强度则缓慢下降。蒸养温度为45 ℃、55 ℃、65 ℃、75 ℃时，混凝土的脱模强度分别是蒸养温度20 ℃时的192.5%、233.0%、241.5%、250.0%，28 d强度分别是蒸养温度20 ℃时的99.6%、98.4%、89.6%、88.6%。其中，蒸养温度45 ℃时的脱模强度为40.8 MPa，略低于75%设计强度(41.3 MPa)要求；蒸养温度为65 ℃和75 ℃时的28 d强度达不到C55混凝土试配强度(64.9 MPa)要求。蒸养温度为55 ℃的28 d强度为68.1 MPa，超过C55混凝土试配强度要求。由图1(b)可知，混凝土的56 d氯离子扩散系数随着蒸养温度的升高而增加。蒸养温度为45 ℃、55 ℃、65 ℃、75 ℃时，混凝土的氯离子扩散系数较蒸养温度20 ℃时分别增加11.7%、20.2%、24.4%、27.0%。

图1 蒸养温度对混凝土性能的影响

蒸养温度的提高造成混凝土后期强度和抗氯离子渗透性能降低的主要原因是[10]：(1)蒸养温度的升高增加了混凝土毛细孔内部的水由液体向气体转变的趋势，产生的膨胀作用破坏混凝土内部孔结构；(2)因为蒸养温度的升高会使水化产物分布不均，粗化混凝土的孔结构，尤其是表层混凝土结构受蒸汽热的损伤影响更大而产生了更多孔径较大的孔隙，由此对蒸养混凝土后期强度发展造成不利影响，这些孔同时为氯离子的侵入提供迁移通道，从而降低混凝土的抗氯离子侵蚀性能。

2.2 蒸养时间的影响

图2为蒸养时间即恒温时间对混凝土性能的影响结果，其中蒸养时间0 h代表混凝土试件未采用蒸汽养护，而是采用在20 ℃标准养护箱中进行湿养护，相应的脱模强度为20 ℃养护24 h的抗压强度。对于混凝土试件，其蒸养温度为55 ℃，蒸养后试件的补充养护方式为标准养护。

图2 蒸养时间对混凝土性能的影响

由图2(a)可知，随着蒸养时间的延长，混凝土的脱模强度快速提高，而28 d强度小幅下降。当蒸养时间为4 h时，混凝土的脱模强度为39.5 MPa，不能达到75%设计强度要求；当蒸养时间为6 h和8 h时，混凝土的脱模强度分别为49.4 MPa和50.1 MPa，均大于75%设计要求的41.3 MPa，28 d强度较非蒸养混凝土仅分别降低1.6%、4.2%，且均满足C55混凝土试配强度要求。由图2(b)可知，随着蒸养时间的增加，混凝土氯离子扩散系数增大，即抗氯离子渗透性能下降。与非蒸养混凝土相比，蒸养了4 h、6 h、8 h混凝土的56 d氯离子扩散系数分别增加了18.2%、21.1%、25%。蒸养时间的延长，会使得早期水化产物数量增多，所以脱模强度提高。但是由于水化产物聚集程度高，分布不均匀，阻碍了水泥和矿物掺合料的进一步水化，导致后期强度和抗渗性发展受阻[12]。

2.3 蒸养后补充养护方式的影响

图3为混凝土蒸养结束后采用不同养护方式进行补充养护的混凝土后期性能试验结果。混凝土蒸汽养护的温度为55 ℃，蒸养时间为6 h。测得混凝土蒸养结束后的脱模强度为49.4 MPa。

由图3(a)可知，蒸养后的四种补充养护方式中，标准、浸水、覆盖等采用湿润养护方式的混凝土试样28 d强度显著高于自然养护(相当于暴露于室外不进行养护)的混凝土，提高幅度分别为19.2%、16.5%、20.3%。另外，混凝土蒸养后采用标准、浸水、覆盖等方式进行补充湿润养护的28 d强度较脱模强度的增长率可达34.2%、31.2%和35.4%，而自然养护方式增长率只有12.6%。由图3(b)明显可以看出，自然养护的混凝土氯离子扩散系数最高，较标准、浸水、覆盖三种湿润养护分别增大45.9%、35.1%、48.3%。总体来看，混凝土蒸养后采用湿润养护有利于后期强度的增进和抗氯离子渗透性的改善，其中三种湿润养护方式中又以覆盖土工布洒水养护的混凝土其28 d强度最高，56 d氯离子扩散系数最低，说明这种补充养护方式可以为混凝土中胶凝材料的后续水化提供足够的水分，生成更多的水化产物，使得混凝土结构更加密实。

图3 蒸养后补充养护方式对混凝土性能的影响

2.4 蒸养温度对胶砂微结构的影响

图4～图6为经不同蒸养温度养护的胶砂试样水化3 d的SEM照片。从图4可以看出，20 ℃标养的试样中存在大量结晶良好的六方状Ca(OH)2结晶，粉煤灰颗粒表面光滑，没有水化痕迹，说明粉煤灰在20 ℃时早期活性较低。从图5可以看出，蒸养温度为55 ℃的试样中Ca(OH)2多呈结晶粗大的叠片状，周围分布一些C-S-H凝胶，且粉煤灰颗粒表面能看到被刻蚀的痕迹，说明粉煤灰经蒸养后活性得以增强，开始了二次水化反应，试样内部的水化产物量明显多于标养试样。由图6可知，蒸养温度为75 ℃的试样中同样存在大量叠片状Ca(OH)2晶体，粉煤灰颗粒表面被严重刻蚀，其表面及周边覆盖了大量凝胶产物，相互交叉连接成网状结构。从图4(a)、图5(a)和图6(a)不同蒸养温度试样微结构可知，随着蒸养温度的上升，水泥水化速度加快，粉煤灰和矿粉的活性被逐渐激发，二次水化反应产物加快形成，试样的水化产物随之增多，浆体结构越来越密实，因此混凝土脱模强度随着蒸养温度的升高而增大。

图4 20 ℃标准养护的胶砂试样水化3 d的SEM照片

图5 蒸养温度为55 ℃的胶砂试样水化3 d的SEM照片

图6 蒸养温度为75 ℃的胶砂试样水化3 d的SEM照片

2.5 蒸养后不同补充养护方式对胶砂微结构的影响

图7、图8分别是蒸养后采取室外自然养护和覆盖洒水养护的净浆试样28 d SEM照片。由图7可知，蒸养后采用自然养护的试样中，粉煤灰颗粒表面较为光滑，仅有轻微的水化反应痕迹，周边还存在一些叠片状Ca(OH)2晶体。由图8可知，蒸养后采用覆盖洒水补充养护的试样中，未发现明显的Ca(OH)2晶体，粉煤灰颗粒表面被刻蚀痕迹明显，尺寸较小，与周边凝胶产物融为一体。这说明试样蒸养后仍需要足够的水分来促进后续胶凝材料的水化。室外自然养护试样由于缺水，粉煤灰和矿粉的后期反应程度低，内部不够密实，从而混凝土28 d强度增进率低。而覆盖洒水补充养护的试样，矿物掺合料的反应程度高，结构更为致密，所以采取此种养护的混凝土后期强度和抗渗性较好。

图7 蒸养后自然养护28 d试样SEM照片

图8 蒸养后补充覆盖养护28 d试样SEM照片

2.6 标准养护与蒸汽养护下水化产物XRD分析

图9为20 ℃标准养护净浆试样和蒸养温度55 ℃、蒸养时间6 h的净浆试样1 d和28 d 龄期的XRD谱，蒸养后试样的补充养护方式为覆盖洒水养护。

图9 标准养护和蒸汽养护的胶凝材料浆体XRD谱

由图9可知，标准养护与蒸汽养护试样中的水化产物主要物相种类相同，包括C-S-H凝胶、Ca(OH)2和AFt晶体，蒸汽养护并未改变混凝土水化产物的物相组成。由图9(a)可知，与标准养护试样相比，蒸汽养护试样1 d龄期的AFt衍射峰较强，而Ca(OH)2衍射峰较弱。一般情况下，蒸汽养护试样中Ca(OH)2衍射峰应较标准养护试样强，但由于蒸汽养护在促进水泥水化的同时，也促进了粉煤灰和矿粉的二次水化反应，消耗了更多Ca(OH)2，而标准养护试样中粉煤灰和矿粉早期未能参与水化，导致蒸汽养护试样1 d龄期Ca(OH)2衍射峰反而不如标准养护试样强。从图9(b)可以看出，蒸汽养护试样28 d龄期的Ca(OH)2衍射峰强度显著低于标准养护试样，说明蒸汽养护试样经后续的补充湿润养护，粉煤灰和矿粉发生了持续水化，二者的水化程度较标准养护试样中的高得多，消耗了更多的Ca(OH)2，而大块Ca(OH)2晶体在浆体中含量的减少，有利于改善界面过渡区结构，由此提高水泥浆与集料的界面粘结性能。

3 结 论

(1)过高的蒸养温度和过长的蒸养时间，影响蒸养混凝土后期强度的增进，降低了混凝土的抗渗性；过低的蒸养温度和过短的蒸养时间，混凝土的脱模抗压强度较低。综合来看，C55混凝土预制桥面板采用55 ℃的蒸养温度、6 h蒸养时间的蒸养制度较为合理，该制度下其脱模强度为49.4 MPa，较20 ℃标准养护提高133.0%，28 d强度仅下降1.6%，而56 d氯离子扩散系数仅增加了21.1%。

(2)混凝土蒸养后进一步采用湿润养护有助于其后期强度的增进和抗渗性的提高，而湿润养护中又以补充覆盖洒水养护的混凝土性能最好，其28 d强度较采用自然养护时提高了20.3%，56 d氯离子扩散系数降低了48.3%。

(3)早期适度的湿热养护作用加速了水泥的水化，激发了矿粉、粉煤灰的活性，生成了较多胶凝性水化产物，促进了浆体微结构的形成，蒸养后补充覆盖洒水养护给未水化水泥和矿物掺合料的继续水化提供了水化用水，矿物掺合料的持续水化消耗了更多Ca(OH)2，改善了混凝土微结构和界面过渡区结构。