蒸养参数对轻质管片混凝土力学性能的影响

2022-08-26梁玉强王义盛

武汉工程大学学报 2022年4期

梁玉强，王义盛

中交隧道工程局有限公司，北京 100024

用于盾构隧道工程的混凝土管片为预制构件，其浇筑和养护环境尤其重要。为了缩短混凝土管片生产周期、提高其早期强度［1］，及改善其体积稳定性和抗裂性能［2］，混凝土管片通常采用蒸汽养护。蒸汽养护主要是利用水蒸气改变养护环境的温度和湿度，通过加速混凝土胶凝材料的水化达到快速养护的目的。然而，相比于标准养护，蒸汽养护在加速混凝土水化的同时也会导致混凝土内部孔隙率增加和孔径粗大［3-5］，从而不利于混凝土的后期力学性能和耐久性能［6］。为了减弱蒸汽养护对混凝土带来的负面影响，国内外学者从蒸养制度的工艺参数出发进行了许多研究：文献［7-8］研究表明，延长静养时间、减缓升温速率、降低恒温温度和适宜恒温时间均有利于改善蒸养混凝土的孔隙结构；Ba 等［9］发现，随蒸养恒温时间延长，混凝土抗压强度呈先增大后降低趋势，恒温14 h 时抗压强度最佳，当恒温时间超过14 h 后，混凝土内部大于500 nm 的大孔明显增多；但Shi等［10］认为延长蒸养恒温时间有利于改善混凝土的界面过渡区结构，进而提升混凝土强度。基于以上研究可知，蒸汽养护制度（蒸养制度）是控制混凝土质量的关键。

混凝土管片作为盾构隧道工程的永久性衬砌构件，其性能的优劣决定了盾构隧道工程的质量和服役寿命［11］。传统混凝土管片主要由高强混凝土（强度大于等于C50）制成，但由于高强混凝土的胶凝材料用量高、水胶比低，使得管片存在自重大且易收缩开裂等问题［12］。针对以上问题，基于轻骨料的轻质和内养护效应，中交隧道工程局有限公司南京和燕路过江通道工程项目部利用高钛重矿渣轻骨料开发出一种表观密度不超过2 100 kg/m3的盾构隧道轻质管片混凝土。本文重点探讨蒸养制度的相关工艺参数（静养时间、恒温温度和恒温时间）对该轻质管片混凝土力学性能的影响，以确定轻质管片混凝土的最佳蒸养制度。

1 试验部分

1.1 原材料

P·O 42.5 水泥，比表面积为355 m2/kg，初凝时间为202 min，终凝时间为250 min，28 d 抗压强度为48.2 MPa；I 级粉煤灰，需水量比为93%，比表面积为340 m2/kg；硅灰，SiO2质量分数为94.5%，比表面积为19 800 m2/kg。各胶凝材料的化学组成见表1；细骨料为河砂，细度模数2.5，含泥量小于0.5%；粗骨料为高钛重矿渣轻骨料，表观密度为1 780 kg/m3，堆积密度为920 kg/m3，筒压强度为8.6 MPa，5~20 mm 连续级配，饱和吸水率为11.3%；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水效率30%；水为自来水。

表1 原材料的化学组成Tab.1 Chemical composition of raw materials %

1.2 试验配合比、拌合物性能及养护制度

C50 轻质管片混凝土的配合比如表2 所示，在制备混凝土拌合物前，首先应对高钛重矿渣轻骨料进行饱水预湿，以期发挥其内养护效应［13］，其拌合物性能见表3。拌合物成型后的养护制度如下：①标准养护：拌合物成型后在标准养护室养护至28 d 龄期，其力学性能见表3；②蒸汽养护：拌合物成型后首先在标准养护环境下进行静养，静养时间［14］分别为2、3、4、5 h，静养期结束后混凝土试件脱模放入蒸汽养护箱进行蒸汽养护，以15 ℃/h的升温速率升至恒温，恒温温度分别设定为40、50、60、70 ℃，恒温时间分别设定为4、8、12、16 h，恒温养护结束后以15 ℃/h 降至室温，然后放入标准养护室养护至28 d 龄期。

表2 轻质管片混凝土配合比Tab.2 Mix proportions of lightweight segment concrete kg/m3

表3 轻质管片混凝土的性能Tab.3 Properties of lightweight segment concrete

由表3 可知，基于高钛重矿渣轻骨料制备的C50 管片混凝土工作性能优异，其表观密度仅为1 980 kg/m3，远低于普通C50 管片混凝土的表观密度（一般在2 450 kg/m3左右），以其制备的混凝土管片整体容重显著降低，可缓解传统混凝土管片由于自重大而带来的不宜运输和拼装难题。

1.3 试验方法

依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》检测不同蒸养制度工艺参数下轻质管片混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量。

2 结果与讨论

2.1 静养时间对轻质管片混凝土力学性能的影响

研究静养时间对轻质管片混凝土力学性能的影响时，蒸汽养护箱的升温速率为15 ℃/h，恒温温度为50 ℃，恒温时间为12 h。静养时间对轻质管片混凝土28 d 龄期抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量的影响如图1 所示。

图1 静养时间对轻质管片混凝土力学性能的影响：（a）抗压强度和抗折强度，（b）劈裂抗拉强度和弹性模量Fig.1 Effect of rest time on mechanical properties of lightweight segment concrete：（a）compressive strength and flexural strength，（b）splitting strength and elasticity modulus

由图1 可知，随静养时间由2 h 延长至5 h，轻质管片混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均明显增大，说明延长静养时间有利于改善轻质管片混凝土混凝土的力学性能。这与文献［3-5］的研究结果相悖。现有研究认为：一方面，蒸汽养护的高温高湿明显加速混凝土水化，使得生成的水化产物颗粒增大，进而导致混凝土的密实度降低；另一方面，蒸汽养护带来的水蒸气会产生热涨力，导致混凝土内部孔径粗化、微裂缝增多、总孔隙率增大。然而随静养时间延长，轻质管片混凝土内部水化较普通混凝土更充分，其抵抗因蒸养升温导致结构破坏的能力增强，有害和多害孔隙的生成量减少，后期力学性能得到改善。静养时间越长，蒸养前的混凝土强度越高，蒸养水汽产生的膨胀破坏力越小，混凝土内部孔径粗化程度越低［15］。基于以上分析，蒸汽养护开始前的静养时间越长越有利于轻质管片混凝土的后期力学性能。综合考虑生产周期，轻质管片混凝土蒸汽养护开始前的静养时间以3~4 h 为宜。

此外，对比表3 可见，静养时间大于4 h 的蒸汽养护轻质管片混凝土28 d 力学性能均优于标准养护试件。而文献［1，4，16］认为，同一配比混凝土标准养护的长龄期力学性能优于蒸汽养护。这可能是由两方面的原因导致的：一是高钛重矿渣轻骨料的内养护效应改善了轻质管片混凝土的界面过渡区结构。预湿轻骨料由于其内养护作用可以密实蒸养混凝土的界面过渡区［17］，且预湿轻骨料可以在蒸养条件下生成密度较大的水化产物和形成更加密实的界面过渡区。二是胶凝材料中的粉煤灰和硅灰延缓了胶凝材料的总体水化进程，减弱了蒸养热膨胀负面效应，改善混凝土的孔隙结构［18］。相比于标准养护混凝土，矿物掺合料能够改善蒸养混凝土早期高温带来的孔隙粗化等问题，提升蒸养混凝土的力学性能，尤其硅灰效果更佳［18-21］。

2.2 恒温温度对轻质管片混凝土力学性能的影响

恒温温度也称蒸养温度，是指蒸养过程中恒温期的环境温度，也是影响混凝土力学性能的重要工艺参数。试验中轻质管片混凝土首先在标准养护环境下静养4 h，然后放入蒸汽养护箱内分别以40、50、60、70 ℃恒温养护12 h，恒温结束后以15 ℃/h 降至室温，再移至标准养护室标准养护至28 d，测试其抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，如图2 所示。

由图2 可知，随着恒温温度由40 ℃升高至70 ℃，轻质管片混凝土的各项力学性能均呈现出先增高后降低的趋势，在60 ℃时达到最高值，尤其是抗压强度的先增高后降低趋势更明显。然而，文献［7，22-24］表明，蒸汽养护条件下提升恒温温度有利于混凝土胶凝材料水化，提高混凝土早期强度，但同时高温养护带来的热损伤（恒温温度越高导致混凝土内部的温度梯度越大，更易形成连通孔隙）会导致混凝土后期强度下降，恒温温度每升高5 ℃，28 d 抗压强度下降1.9 MPa。图2 中的结果说明蒸汽养护条件下轻质管片混凝土力学性能的变化趋势明显不同于普通混凝土，这主要是由于轻质管片混凝土中掺加了硅灰和粉煤灰，在高温蒸汽养护下活性被充分激发，形成聚合度更高的C-S-H 凝胶，进而填充修复热损伤带来的孔径粗化。此外，预湿高钛重矿渣轻骨料在混凝土内部形成的内养护条件也充分保障了混凝土内部的湿度，促进了混凝土胶凝材料的水化，从而提高后期强度［17］。

图2 恒温温度对轻质管片混凝土力学性能的影响：（a）抗压强度和抗折强度，（b）劈裂抗拉强度和弹性模量Fig.2 Effect of constant temperature on mechanical properties of lightweight segment concrete：（a）compressive strength and flexural strength，（b）splitting strength and elasticity modulus

对比图2（a）和图2（b）还可以发现，相较于抗压强度，轻质管片混凝土的抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量在蒸养温度为70 ℃时虽有所降低，但降低幅度明显减小。这可能是由于高钛重矿渣轻骨料表面的多孔结构与水泥石形成牢固的“销钉结构”［25］，使得混凝土抵抗弯拉应力破坏的能力更强。基于以上分析，并综合考虑蒸养能耗和周期，轻质管片混凝土蒸汽养护的恒温温度以50~60℃为宜。

2.3 恒温时间对轻质管片混凝土力学性能的影响

恒温时间是指蒸汽养护过程中以恒温温度养护的时长，是蒸养混凝土强度获得的主要阶段［14］。试验中轻质管片混凝土首先在标准养护环境下静养4 h，然后放入蒸汽养护箱内以50 ℃恒温分别养护4、8、12、16 h，恒温养护结束后以15 ℃/h 降至室温，再移至标准养护室标准养护至28 d，测试其抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，结果如图3 所示。

由图3 可知，随恒温时间由4 h 延长至16 h，轻质管片混凝土的28 d 抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均呈现先增高后降低的趋势，在恒温养护16 h 时各项力学性能指标均达到最大值。现有研究认为，缩短蒸汽养护的恒温时间有利于削弱水泥水化产物的聚集程度，抑制水蒸气由混凝土表面向其内部的迁移，减少连通孔和初始裂纹的产生［1］。延长恒温时间，水泥水化产生的粗短纤维状水化产物增多，早期强度提升，有利于混凝土脱模，但也会在未水化水泥颗粒表面形成密实的屏蔽膜而延缓水泥进一步水化，且恒温时间延长会导致水泥石孔隙结构劣化，连通孔和总孔隙率增大，进而导致蒸养混凝土后期强度降低［1，7］。

图3 恒温时间对轻质管片混凝土力学性能的影响：（a）抗压强度和抗折强度，（b）劈裂抗拉强度和弹性模量Fig.3 Effect of holding time on mechanical properties of lightweight segment concrete：（a）compressive strength and flexural strength，（b）splitting strength and elasticity modulus

然而，本试验中的轻质管片混凝土中掺加了较多硅灰和粉煤灰，这两类矿物掺合料在常温养护下水化缓慢，不利于混凝土强度的提升。而在蒸养环境下，随蒸养恒温时间延长，二者的活性被长时间高温充分激发，进而提升混凝土胶凝材料的总水化程度，生成大量高聚合度的水化产物，密实填充由蒸汽热损伤带来的粗大孔隙。此外，由于轻质管片混凝土中的高钛重矿渣轻骨料为饱和预湿状态，随恒温时间的延长，高钛重矿渣轻骨料释水保障了混凝土内部湿度，进而抑制水蒸气向混凝土内部的扩散，减少连通孔隙的产生。因此，本试验中轻质管片混凝土随蒸养恒温时间由4 h延长至12 h 时，其28 d 各项力学性能提升。但随恒温时间的延长，蒸养热损伤带来的负面效应超越矿物掺合料和高钛重矿渣轻骨料带来的正面效应，轻质管片混凝土28 d 各项力学性能降低，这与Ba 等［9］的研究结论相吻合。基于以上分析，轻质管片混凝土蒸汽养护的恒温时间以10~12 h 为宜。