养护条件对预制盾构管片混凝土力学性能及微观形貌的影响

刘玉辉，武保华，贾宾

（中交一航局城市交通工程有限公司，天津 300452）

0 引言

随着我国经济快速增长，国内轨道交通建设也迎来了高峰期，在地铁隧道工程中预制混凝土衬砌管片被大量使用。盾构管片是地下隧道盾构工程施工中的主要装配构件，预制衬砌管片组合形成隧道内环形衬砌，混凝土预制管片的质量安全深刻影响着隧道工程安全性、可靠性[1-3]。管片的养护是管片预制生产过程中不可或缺的一道工序，会影响管片后期强度的增长和结构耐久性，进而影响整个工程质量。目前管片养护方式基本采用蒸汽养护加浸水养护、喷淋养护或喷涂养护剂的方式。在南方地区，以蒸汽养护加水养护居多。北方地区由于冬季施工时，无法进行水养护，大部分采用蒸汽养护加喷涂养护剂的方法[4]。混凝土盾构管片养护工艺普遍采用水池养护和自然养护相结合的方法，由于管片重、体积大、养护周期长，因此需要建造多个水池进行水养，场地占用大、成本高。此外，在传统水养护过程中，还存在着用水量大、成本高、工序复杂、人员溺水风险、废水排放不达标等问题。

混凝土是一种多组分、多尺度、多相的复合材料，其中水泥浆体和骨料界面过渡区是随着时间不断变化着的，而这种变化又受多种因素影响，不仅与混凝土材料构成有关，还与养护环境条件有关[5-9]。黄煜镔等[10]研究发现对于高强混凝土，养护条件和养护龄期是影响混凝土后期力学性能的重要因素，自然养护试件脆性明显高于标准养护下的试件。Conroy-Jones等[11]对不同养护条件下多个强度等级混凝土进行实验研究，研究结果表明：浸水养护试件抗压强度是暴露空气试件的1.25倍，劈裂强度是1.28倍。林鹏等[12]研究发现低湿度养护对混凝土7 d抗压强度影响并不大，但是会大幅降低28 d抗压强度，而且掺合料比例增加，混凝土受湿度影响的程度也增加。Hashoit等[13]对内养生混凝土抗压强度的影响进行研究发现，无额外引水混凝土吸水较少，释水后所留孔隙较少，一定程度上可以增加混凝土抗压强度，额外引水量较多时，混凝土吸水较多，释水后孔隙相对较大，混凝土抗压强度反而有所减少，但是适量的额外引水量可以保证混凝土的水化程度，有利于内养生混凝土强度的提高。

本文提出用喷雾代替浸水的方式养护预制盾构混凝土管片，通过测试两种养护方式下混凝土的抗压、抗折强度及微观形貌，研究养护方式对混凝土力学性能的影响，并从微观角度分析原因，为改进盾构管片混凝土养护方式，并改善生产工艺提供借鉴，具有重要的理论意义和工程价值。

1 试验测试

1.1 原材料

试验所用原材料包括：水泥型号为P.O 42.5级振兴牌普通硅酸盐水泥，相关性能参数见表1；二级粉煤灰为天津军电电力公司生产的粉煤灰，密度2.6 g/cm3，依据GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准检验，符合F类Ⅱ级标准要求；粗骨料为河北遵化产公称粒级为5~20 mm的碎石，细骨料为细度模数为2.6的河砂；水为自来水；减水剂为北京方兴化学建材有限公司生产的高性能减水剂。

表1 P.O 42.5级普通硅酸盐水泥的性能Table 1 Properties of P.O 42.5 grade ordinary silicate cement

1.2 试样制备

表2给出了基本混凝土配合比配方及组分。按照表2的配合比，通过快速和慢速搅拌、水泥砂浆压实、振实成型后，预制管片材料混凝土试块养护采用预制管片养护实际流程，先将成型拆模的试块在室温下静置5 h，然后统一送至蒸汽养护室进行蒸汽养护6 h，蒸汽养护过程主要分为升温段1 h、恒温段2 h、降温段3 h三个阶段，蒸汽养护结束后进行二次养护，分别进行浸水养护和喷雾养护。喷雾养护是在蒸养结束后将试件放入喷雾养护室（温度（20±2）℃，湿度≥95%），在喷雾养护室养护至相应试验龄期（分别是1 d、3 d、5 d、7 d、14 d、21 d、28 d）。浸水养护是在蒸养结束后将试块放入水养护池，使水面完全浸没试块，在养护池养护至相应试验龄期。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete kg/m3

1.3 测试仪器及方法

按GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[14]进行混凝土抗压强度和抗折强度试验。抗压强度试验混凝土试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，抗折强度试验试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm。待测试件分别采用喷雾和浸水两种方式养护至1 d、3 d、5 d、7 d、14 d、21 d、28 d龄期后用压力试验机进行试验。每种工况下设置3组、9个试件（每组3个），测取每组3个试件强度的算术平均值为该组的代表值。试验过程中，合理调整球座，使待测试件整体受压均匀，进行抗压试验时加载应使用非浇筑面，压力试验机加载速度为0.5~0.8 MPa/s。

根据本试验试块大小的限制，将养护至7 d和28 d龄期的试件切割成8 mm×8 mm×3 mm薄片，利用JSM-6510LV高低真空扫描电子显微镜对于试件薄片进行微观形貌观察。

2 试验结果分析

2.1 抗压强度结果分析

表3为不同养护方式下（喷雾养护SC和浸水养护WC），1 d、3 d、5 d、7 d、14 d、21 d、28 d龄期时各组混凝土试件抗压强度的试验结果及平均值。

表3 不同养护方式下抗压强度试验结果Table 3 Compressive strength test results under different curing conditions

由表3数据可知，在养护初期（1 d龄期），两种养护方式下的抗压强度结果接近，表明两种养护方式对混凝土水化过程的影响尚未显现；在3~7 d龄期时，浸水养护下混凝土的抗压强度高于喷雾养护，且在7 d龄期时，喷雾和浸水养护方式下试件的抗压强度分别达到对应28 d龄期强度的84.1%和90.7%，表明在此龄期阶段，浸水养护下混凝土水化反应更快，强度增长也较快；在14~28 d龄期时，两种养护方式下混凝土抗压强度的差距逐渐缩小，在28 d龄期时，两种养护方式下混凝土抗压强度接近，且均超过50 MPa，满足C50混凝土强度等级要求。因此，采用新型喷雾养护方式对C50等级预制管片用混凝土进行养护时，在28 d龄期时混凝土的抗压强度结果与传统浸水养护条件下的结果接近，且能够达到强度等级要求；但在养护前期（7 d之前），新型喷雾养护方式下混凝土抗压强度的增长较慢。

2.2 抗折强度结果分析

表4为喷雾养护（SC）与浸水养护（WC）条件下不同龄期各组混凝土试块抗折强度的试验结果及平均值。由表4数据可知，两种养护方式下，混凝土抗折强度均在1~7 d龄期阶段显著增大，7 d之后趋于稳定。对比同龄期两种养护方式下的试验结果可以发现，在养护前期（7 d以前）浸水养护条件下混凝土抗折强度比喷雾养护的结果大，且这种差距在养护后期逐渐缩小，这与2.1节中关于抗压强度的分析结果一致，均是由于浸水养护条件下混凝土水化反应较快所致。另外，在整个养护周期内，喷雾养护条件下混凝土的抗折强度比浸水养护条件下的试验结果小，计算喷雾养护和浸水养护下稳定阶段（7 d、14 d和28 d）混凝土抗折强度的平均值分别为5.4 MPa和5.8 MPa，即喷雾养护条件下混凝土的抗折强度比浸水养护低6.9%，这说明虽然喷雾养护会降低混凝土抗折强度，但达到规定的养护龄期后，混凝土抗折强度的降低幅度较小，仍能满足工程要求。

表4 不同养护方式下抗折强度试验结果Table 4 Flexural strength test results under different curing conditions

3 微观形貌分析

为从微观角度探求两种养护方式对混凝土力学性能影响的原因，分别对喷雾养护和浸水养护条件下龄期为7 d和28 d的混凝土试件进行真空扫描电镜试验，获得的混凝土微观形貌图片如图1和图2所示。

图1 喷雾养护方式下7 d、28 d龄期试件电镜扫描照片Fig.1 Electron microscope scans of specimens at 7 d and 28 d of age under spray curing

图2 浸水养护方式下7 d、28 d龄期试件电镜扫描照片Fig.2 Electron microscope scans of specimens at 7 d and 28 d of age under immersion curing

图1（a）和（b）分别为喷雾养护条件下7 d和28 d龄期混凝土的微观形貌图。分析图1（a）可以看出，喷雾养护7 d龄期时，在过渡区骨料与胶凝体有明显区分，可清晰分辨出界面，且混凝土内部因水化干缩产生较多微裂缝[15-16]，并存在未水化的球状粉煤灰颗粒，说明浆体内部部分矿物掺合料没有完全参与反应。分析图1（b）可以发现，到28 d龄期时，混凝土内部微裂缝和孔洞被后期水化过程中产生的C-S-H凝胶以及六角状单硫型水化硫铝酸钙（AFM）填充，水化产物钙矾石（AFT）、AFM、片状氢氧化钙和C-S-H凝胶相互搭接交错分布，形成较为致密的结构，界面过渡区结合紧密，骨料与胶凝体没有明显区分，说明水泥基材料水化程度较好。因此，喷雾养护28 d龄期时，混凝土水化反应较为充分，这从微观角度解释了2.1节和2.2节中喷雾养护28 d龄期时混凝土抗压强度和抗折强度能够达到要求的原因。

图2（a）和（b）分别为浸水养护条件下7 d和28 d龄期混凝土的微观形貌图。对比图2（a）与图1（a）可以发现，在浸水养护7 d龄期时，混凝土内部也存在微裂缝，在过渡区骨料与胶凝体之间也有明显区分，可清晰分辨出界面，但在部分微裂缝中明显看出AFT和网状C-S-H凝胶的生长，说明浸水养护水泥基材料发育致密，水化程度较同龄期喷雾养护更为充分。这也是在短龄期养护时，浸水养护试件的力学性能优于喷雾护试的原因。由图2（b）可以看出，浸水养护28 d龄期时，在过渡区聚集较多的片状氢氧化钙，且被团絮状C-S-H凝胶包裹，形成致密结构，表明混凝土水化更加充分。

4 结语

本文提出用喷雾代替浸水的方式养护预制盾构混凝土管片，以实现降低成本和减少环境污染的目的。为评价新型喷雾养护方式的有效性，对新型喷雾和传统浸水养护方式下不同龄期混凝土的力学性能及微观形貌开展试验研究，得到如下结论：

1）在28 d龄期时，新型喷雾养护方式下混凝土的抗压强度和抗折强度均与传统浸水养护方式下的结果接近，且均能达到相应强度等级混凝土的要求；

2）在养护前期，浸水养护条件下混凝土的力学性能优于喷雾养护；但在养护后期，两种养护方式下混凝土的力学性能逐渐接近；

3）在7 d龄期时，喷雾养护条件下混凝土水化程度比浸水养护低，这也是导致喷雾养护下混凝土早期力学性能较差的原因；但是，在喷雾养护28 d龄期后，混凝土水化反应也较为充分，形成致密的水化产物，保证了混凝土的力学性能。