蒸汽养生机制砂混凝土长期力学性能动态变化分析

■程 健

（福建建灿科技有限责任公司，南平 353100）

随着近几十年国家工业与民用建筑建设的迅猛发展，河砂作为重要原材料被大量开采后已近枯竭，并对河流及其周边的生态环境造成一定程度的破坏，为了加强环境和自然资源的保护及可持续发展，国家及各地方政府也已严令限采和禁采河砂。经研究发现，机制砂在经专业设备处理后可根据工程所用混凝土的相关级配要求进行调控，可以满足不同工程的混凝土砂料需求，使用机制砂替代河砂作为混凝土细骨料已逐渐成为主流趋势[1]。 同时，伴随着装配式建筑结构的快速发展，为达到预制混凝土构件的高标准、高效率、高质量的要求，越来越多的预制混凝土构件采用全程智能控制的蒸汽养生来缩短混凝土养护龄期，保证养护质量，提高生产效率[2-3]。

目前关于机制砂混凝土的力学性能和蒸汽养生混凝土技术已有较多研究，并取得了一定的成果。机制砂由于颗粒形状较为粗糙，且所含石粉会增加固体表面积与水体积的比例，因此在相同配合比下，机制砂混凝土的流动性较河砂混凝土差[4-5]，但由于机制砂拥有较多的棱角和尖锐部位，颗粒之间会产生填充和咬合效应，其力学性能会优于河砂混凝土[6-7]。 Lawrence 等[8]在研究蒸养混凝土制品的过程中，首次提到了蒸汽养生的方法。 蒸汽养生是一种常用的加速混凝土养护方法，可通过升温促进混凝土中水泥的水化速度，显著提高混凝土的早期强度，但对后期强度的发展可能存在不利的影响[9-11]。然而，关于蒸汽养生条件下机制砂混凝土力学性能，尤其是其长期力学性能的变化研究甚少。 基于此，本项目拟对蒸汽养生机制砂混凝土的长期力学性能进行较为系统的研究，以期为后续进一步推广应用提供参考。

1 原材料与配合比

1.1 原材料

原材料：（1）细骨料：所使用的机制砂为福建当地自产的机制砂， 细度模数为2.97，MB 值为0.95，泥块含量为0.3%，石粉含量为6.5%；河砂选用普通中砂，细度模数为2.52；（2）粗骨料：采用福州市闽侯县竹岐石料厂生产的粒径为5～20 mm 的级配碎石；（3）水泥：采用福建永富水泥集团公司生产的PO.52.5硅酸盐水泥；（4）粉煤灰：某材料有限公司生产的I 级粉煤灰；（5）矿粉：采用福州某材料有限公司生产的S95 矿粉；（6）减水剂：福州创先工程材料有限公司提供的CX-8 聚羧酸减水剂。

1.2 配合比

为探究蒸汽养生条件下不同机制砂掺量（0%、25%、50%、75%、100%） 对机制砂混凝土长龄期（28、56、90、180、360 d）基本力学性能的影响，通过控制砂总质量不变，调整机制砂与河砂掺配比例进行C60 混凝土配合比设计，见表1。

表1 机制砂混凝土配合比 （单位:kg/m3）

2 机制砂混凝土试样成型与试验设计

2.1 试样的制备

按照配合比在称量好各种原材料质量后，首先将胶凝材料和细骨料倒入混凝土搅拌机中进行干拌，然后加入粗骨料，最后将减水剂与水混合均匀后加入搅拌机拌合。 搅拌均匀后，将新拌混凝土倒入混凝土多类型基本力学性能测试试模中，并进行插捣密实。 为防止试样水分蒸发流失，试模表面及时覆盖塑料薄膜。 待试件在标准养护室养护24 h后脱模，再分别放入标准养护室和蒸养篷布内进行密闭蒸汽养生。 试样制备情况见图1。

图1 机制砂混凝土试样制作与养护

2.2 试样的养护

本研究通过文献调查得出[12-14]，蒸汽养生混凝土的恒温温度范围通常为50℃～65℃，升降温速率在5℃/h～15℃/h，恒温时间为12～24 h。 综合考虑前期预试验结果以及蒸汽养生机制砂混凝土的实际工程应用情况后，选择机制砂混凝土蒸汽养生恒温温度为60℃，升降温速率为10℃/h，恒温时间为18 h，蒸汽养生制度见图2。待试样完成蒸汽养护后，再次放入标准养护室养护至龄期为360 d。

图2 蒸汽养生制度

2.3 机制砂混凝土基本力学性能试验

在机制砂混凝土蒸汽养生和标准养生的龄期达到28、56、90、180 和360 d 时，参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行不同机制砂掺量的机制砂混凝土基本力学性能测试，见图3。

图3 机制砂混凝土力学性能测试

3 结果与分析

3.1 抗压强度

不同机制砂掺量对混凝土抗压强度影响试验结果见图4、表2。 由图4、表2 可知，蒸汽养生机制砂混凝土各龄期的抗压强度均随着混凝土中机制砂掺量的增加而提高，并且在28～90 d 呈逐渐增长趋势，在90～180 d 略有降低，降幅低于小于3.60%，而在180 d 以后基本趋于稳定；标准养生的机制砂混凝土28 d 的强度略低于蒸汽养生，在90 d 后基本趋于稳定，并且蒸汽养生与标准养生机制砂混凝土360 d 的强度偏差仅为1.7%。 蒸汽养生机制砂混凝土JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 组360 d 龄期的抗压强度相较于28 d 龄期分别提高了6.95%、16.14%、11.22%、10.19%、13.45%；在28 d 和180 d龄期时，JZS100、JZS75、JZS50、JZS25 组的抗压强度较HS 组分别提高了27.53%、10.76%、9.97%、5.54%和18.66%、10.84%、7.68%、1.78%。 此外JZS100 组在90 d 时抗压强度最大为87.9 MPa，而HS 组则为75.6 MPa。

图4 不同龄期机制砂混凝土抗压强度

表2 不同龄期机制砂混凝土抗压强度 （单位：MPa）

上述变化原因主要在于机制砂颗粒粗糙的表面结构能使其与水泥石之间的结合更为牢固，且石粉能够进一步填充混凝土内部的孔隙，增强了微观结构内部的密实性，从而提高了机制砂混凝土的抗压强度。

3.2 弹性模量

不同机制砂掺量对混凝土弹性模量的影响试验结果见图5、表3。 由图5、表3 可知，蒸汽养生机制砂混凝土各龄期的弹性模量均随着混凝土中机制砂掺量的增加而提高，并且弹性模量在28～90 d 呈增幅逐渐减小的增长，且在90～180 d 呈现的降低现象，降幅小于2.43%，但仍均大于28 d 龄期的弹性模量，在龄期达到360 d 以后才基本趋于稳定；标准养生的机制砂混凝土28 d 的弹性模量略低于蒸汽养生，但其随时间呈缓慢增长趋势，在180 d 后达到最大值且逐渐趋于稳定，此时蒸汽养生与标准养生机制砂混凝土弹性模量偏差仅为1.9%。

图5 不同龄期机制砂混凝土弹性模量

表3 不同龄期机制砂混凝土弹性模量（单位：GPa）

蒸汽养生机制砂混凝土JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 组360 d 龄期的弹性模量相较于28 d 龄期分别提高了3.20%、4.51%、4.31%、2.89%、3.92%；在28 d 和360 d 龄期时，JZS100、JZS75、JZS50、JZS25组的弹性模量较HS 组分别提高了7.35%、3.19%、2.45%、1.72%和6.60%、3.77%、2.83%、0.71%。 此外JZS100 组在90 d 时抗压强度最大为46.2 GPa，而HS 组则为44.0 GPa；其变化原因主要在于机制砂颗粒粗糙的表面结构及石粉具备细微填充特性，较河砂混凝土结构内部骨料与胶凝材料粘结咬合紧密，提高其弹性模量。 但是较高温度的蒸汽养生在加快水化反应的同时，也生成了少量的钙矾石，在中期约90～180 d 时少量膨胀性的钙矾石可能会因析出结晶而对内部产生细小的微裂纹，从而使弹性模量略有降低。

3.3 抗折强度

不同机制砂掺量对混凝土抗折强度影响试验结果见图6、表4。 由图6、表4 可知，蒸汽养生机制砂混凝土各龄期的抗折强度均随着混凝土中机制砂掺量的增加而提高，并且在28～90 d 呈逐渐增长趋势但增幅减小，在90～180 d 略有降低，降幅小于5.41%，而在180 d 以后基本趋于稳定；标准养生的机制砂混凝土抗折强度均略高于蒸汽养生机制砂混凝土，但最大增幅小于5.9%，且其抗折强度在56 d后基本趋于稳定。 蒸汽养生机制砂混凝土JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 组360 d 龄期的抗折强度相较于28 d 龄期分别提高了4.88%、12.33%、9.72%、6.76%、4.62%；JZS100、JZS75、JZS50、JZS25 组在28 d龄期时抗折强度最低，分别为8.2、7.3、7.2 和6.9 MPa，其相较于HS 组仍分别提高了26.15%、12.31%、10.77%、6.15%；在趋于稳定的180 d 龄期时，抗折强度分别为8.6、8.2、8.0 和7.5 MPa，其相较于HS 组分别提高了22.86%、17.14%、14.29%、7.14%。 主要原因在于机制砂颗粒粗糙的表面物理特性以及合理的石粉含量，能有效提高混凝土结构内部的密实性，增大骨料与胶凝材料的粘结面积，从而提高了机制砂混凝土的抗折强度。

图6 不同龄期机制砂混凝土抗折强度

表4 不同龄期机制砂混凝土抗折强度（单位：MPa）

4 结论

（1）设计了不同机制砂掺量（0%、25%、50%、75%和100%）的混凝土配合比，制定了机制砂混凝土恒温温度为60℃，升降温速率为10℃/h，恒温时间为18 h 的蒸汽养生制度，进行了不同龄期蒸汽养生和标准养生机制砂混凝土长期力学性能试验，结果表明，所有测试组均满足C60 混凝土基本力学性能指标要求，并且蒸汽养生和标准养生机制砂混凝土长期力学性能指标偏差较小。 （2）蒸汽养生机制砂与河砂混凝土的长期力学性能均能逐渐提高。 其中JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 组360 d 相较于28 d 龄期的抗压强度提高了6.95%～16.14%；弹性模量提高了2.89%～4.51%； 抗折强度提高了4.62%～12.33%。（3）蒸汽养生机制砂混凝土各龄期的力学性能指标均随着混凝土中机制砂掺量的增加而显著提高，并且在28～90 d 呈逐渐增长趋势，在90～180 d 略有降低，降幅低于小于5.5%，并且其抗压、抗折强度在180 d 以后基本趋于稳定，弹性模量则在360 d以后基本趋于稳定。 其中JZS100 相较HS 组在180 d龄期时，抗压强度和抗折强度组分别提高了18.66%和22.86%，在360 d 龄期时弹性模量提高6.60%。