蒸養(yǎng)管片混凝土物理力學性能的影響因素研究

朱瑤宏，占 文，秦明強，李進輝

(1.寧波軌道交通工程建設指揮部，浙江寧波 315012;2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北武漢 430040;3.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北武漢 430040)

寧波軌道交通1號線一期工程使用通用管片作為盾構區(qū)間襯砌。管片采用自防水混凝土進行結構自防水，混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級≥P10，盾構區(qū)間主體結構設計使用壽命為100年。管片采用真空吸盤脫模，脫模強度≥15mPa，不得使用早強混凝土，為保障管片脫模強度達到要求，管片初凝后進行蒸汽養(yǎng)護。

本文利用寧波軌道交通工程某管片廠設計配合比，研究了蒸養(yǎng)主要控制參數(shù)、養(yǎng)護制度、水泥品種、膠材用量及水膠比等因素對管片混凝土物理力學性能的影響。

1 原材料和試驗配合比

1.1 原材料

水泥分別使用余姚舜江P.O42.5、P.Ⅱ42.5、P.O52.5水泥;粉煤灰為北侖電廠Ⅱ級粉煤灰;細集料為閩江砂，細度模數(shù)2.6;粗集料為5～25m碎石;外加劑為中交武港院聚羧酸高性能管片專用外加劑。

1.2 設計試驗配合比

設計試驗配合比如表1所示。其標養(yǎng)下的抗壓強度、工作性能、抗?jié)B性能如表2所示。

由表2可知，上述設計配合比混凝土在標養(yǎng)條件下的工作性能、28 d力學性能、抗?jié)B性均滿足C50預制管片的配制要求。可采用該配合比進行蒸汽養(yǎng)護試驗。

表1 設計試驗配合比 kg/m3

表2 標準養(yǎng)護條件下設計試驗配合比混凝土的性能

2 試驗方案

管片生產過程中通常采用蒸汽養(yǎng)護提高管片混凝土早期強度。蒸汽養(yǎng)護分為靜停、升溫、恒溫和降溫4個階段，主要涉及靜養(yǎng)時間、升溫速率、恒溫時間和恒溫溫度4個關鍵蒸養(yǎng)參數(shù)。

由于上述4個關鍵參數(shù)對管片混凝土的物理力學性能存在交互影響。每個因素又分為3種工況，所以采用四因素三水平正交試驗，以10 h脫模強度和28 d抗壓強度為考核指標，研究蒸養(yǎng)參數(shù)對管片混凝土物理力學性能的影響。

在優(yōu)選的蒸養(yǎng)制度基礎上研究養(yǎng)護制度對管片混凝土力學性能的影響，建立合理的管片養(yǎng)護制度，進而在該蒸養(yǎng)制度條件下保持混凝土坍落度為3～5 cm。以10 h脫模強度、同養(yǎng)28 d抗壓強度、標養(yǎng)28 d抗壓強度為考核指標，研究水泥品種、膠材用量及水膠比等因素對管片混凝土力學性能的影響。

3 結果與討論

3.1 蒸養(yǎng)參數(shù)的影響

10 h脫模強度正交試驗結果見表3，標養(yǎng)28 d抗壓強度正交試驗結果見表4。

表3 脫模強度正交試驗結果

由表3可知，采用合適的蒸汽養(yǎng)護制度，該配合比混凝土的10 h脫模強度可以滿足＞15mPa的要求。此外，影響脫模強度的蒸汽養(yǎng)護關鍵參數(shù)的主次順序為:恒溫溫度＞恒溫時間＞靜養(yǎng)時間＞升溫速率。

表4 標養(yǎng)28 d抗壓強度正交試驗結果

由表4可知，該配合比混凝土標養(yǎng)28 d抗壓強度均滿足＞50mPa的要求，采用一定的蒸汽養(yǎng)護制度可以達到60mPa以上。影響標養(yǎng)28 d抗壓強度的蒸汽養(yǎng)護關鍵參數(shù)的主次順序為:升溫速率＞恒溫溫度＞恒溫時間＞靜養(yǎng)時間。

根據(jù)表3和表4的試驗結果，綜合考慮脫模強度和28 d抗壓強度，得出該配比管片混凝土的最佳蒸汽養(yǎng)護制度:靜養(yǎng)3 h+10℃/h升溫速率+恒溫5h+恒溫60℃。

實際生產過程中，一次蒸養(yǎng)周期不得＞12 h。最佳蒸汽養(yǎng)護制度條件下蒸養(yǎng)周期過長，對模具周轉不利，因而根據(jù)前面試驗結果和管片模具周轉的要求，對蒸養(yǎng)參數(shù)進行了適當?shù)母倪M。設計蒸養(yǎng)試件所采用的養(yǎng)護工藝為:試塊成型后先靜養(yǎng)3 h，然后以15℃/h的升溫速度升溫至55℃，恒溫3 h后以15℃/h的降溫速率降至室溫。

3.2 養(yǎng)護制度的影響

養(yǎng)護制度試驗分別采用三種養(yǎng)護制度對比:①標準養(yǎng)護:試件成型1 d后脫模移入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護(溫度(20±3)℃，RH＞90%);②自然養(yǎng)護:試件成型1 d脫模后進行自然養(yǎng)護(室外大氣環(huán)境中露天養(yǎng)護，(20±5)℃，RH65%);③同條件養(yǎng)護:試件成型后進行蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)結束后脫模，經過7 d水養(yǎng)，自然養(yǎng)護至28 d。試驗結果見表5。

表5 養(yǎng)護制度對管片混凝土物理力學性能的影響 MPa

由表5可知，蒸養(yǎng)混凝土早期抗壓強度(7 d)明顯高于自然養(yǎng)護和標準養(yǎng)護，但是其28 d的抗壓強度卻要低于后兩者，這說明蒸養(yǎng)會對高強管片混凝土后期強度產生不利的影響。

蒸養(yǎng)在加快水泥熟料水化速度的同時，還會提高礦物摻合料的二次水化反應速度，進而形成以低堿性水化硅酸鈣為主體的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣，這些水化產物相互交叉延伸，逐漸交織成具有相當強度的空間網(wǎng)絡結構，進而把骨料與未水化的粒子緊緊粘在一起，形成具有局部較高密實程度的水泥石，從而使得混凝土具有較高的早期強度［1-4］，但是這種快速的水化反應速度會導致水化物分布不均勻，結晶程度低，晶體顆粒粗大，從而造成混凝土整體密實程度變差，不利于其后期強度的發(fā)展。

標準養(yǎng)護過程是在高濕度條件下進行的，因而外界環(huán)境中有充足的水分能夠使混凝土的水化反應持續(xù)進行，使得其內部水化產物無論是結晶狀態(tài)，還是分布均優(yōu)于蒸養(yǎng)和自然養(yǎng)護，因此該養(yǎng)護條件有利于混凝土后期強度的發(fā)展［5］。

3.3 水泥品種的影響

不同品種水泥對比試驗結果見圖1。

圖1 不同水泥品種管片混凝土的物理力學性能

由圖1可知，使用不同品種水泥按該配合比配制出的混凝土在合適的蒸養(yǎng)制度下脫模強度和28 d同養(yǎng)、標養(yǎng)抗壓強度均達到C50管片混凝土配制要求。相比于P.O42.5水泥，采用P.Ⅱ42.5水泥和P.O52.5水泥混凝土脫模強度和28 d抗壓強度均有提高?？紤]到水化熱、耐久性和經濟性因素，P.O42.5水泥在合適蒸養(yǎng)制度下已可滿足脫模強度和28 d強度的要求，故推薦使用P.O42.5水泥。

3.4 膠材用量的影響

使用P.O42.5水泥，膠材組成為80%水泥+20%粉煤灰，水膠比不變，膠材用量選擇試驗結果見圖2。

圖2 不同膠材用量管片混凝土的物理力學性能

由圖2可知，10 h脫模強度、同養(yǎng)28 d抗壓強度和標養(yǎng)28 d抗壓強度均隨著膠材用量的增加而增加，各膠材用量配合比的管片混凝土標養(yǎng)28 d抗壓強度均大于同養(yǎng)28 d抗壓強度。其中膠材用量為410 kg/m3時，脫模強度稍低，同養(yǎng)28 d抗壓強度剛好可滿足C50管片混凝土配制要求;膠材用量達到420 kg/m3以上之后，脫模強度及同養(yǎng)28 d抗壓強度均可滿足C50管片混凝土配制要求:脫模強度可達18 MPa以上，同養(yǎng)28 d抗壓強度也達58 MPa，存在一定的富余;膠材用量達到430 kg/m3時，同養(yǎng)28 d抗壓強度達到63 MPa以上，考慮到強度過高有開裂風險，且過高的膠材用量不經濟，因此較優(yōu)的膠材用量為420 kg/m3。

3.5 水膠比的影響

膠材用量420 kg/m3基礎上，水膠比選擇試驗結果見圖3。

由圖3可知，水膠比為0.34時脫模強度為14.6 MPa，達不到管片配制要求;水膠比為0.32時脫模強度為17.5mPa，同養(yǎng)28 d強度及標養(yǎng)28 d強度分別為61.7 MPa和65.7 MPa，可滿足配制要求。隨水膠比減小，強度有增大的趨勢，而過小水膠比會影響混凝土的工作性能，增大混凝土的收縮。因此管片混凝土較優(yōu)的水膠比為0.32。

圖3 不同水膠比混凝土的物理力學性能

4 結論

1)蒸養(yǎng)參數(shù)對混凝土脫模強度的影響順序為:恒溫溫度＞恒溫時間＞靜養(yǎng)時間＞升溫速率;對28 d抗壓強度的影響順序為:升溫速率＞恒溫溫度＞恒溫時間＞靜養(yǎng)時間。設計蒸養(yǎng)制度時，應在滿足脫模強度、28 d抗壓強度的范圍內，依據(jù)管片模具周轉時間選擇合適的蒸養(yǎng)參數(shù)。

2)蒸汽養(yǎng)護能顯著提高混凝土早期強度，尤其是脫模強度，但對后期強度有不利影響。

3)膠材組成為80%水泥+20%粉煤灰時，使用P.O42.5、P.Ⅱ42.5及P.O52.5均可達到管片脫模強度和28 d強度要求，綜合考慮水化熱及經濟性因素，建議優(yōu)選P.O42.5水泥。

4)使用P.O42.5水泥，膠材用量為420 kg/m3即可滿足C50管片混凝土抗壓強度要求。在此基礎上優(yōu)選的水膠比為0.32。

5)本試驗是在10 h脫模強度和28 d抗壓強度基礎上優(yōu)選水泥品種、膠凝材料用量和水膠比，管片生產用配合比還需結合管片外觀質量、體積穩(wěn)定性、抗裂及耐久性能綜合考慮。

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