靜養(yǎng)與蒸養(yǎng)溫度對PHC 管樁混凝土體積形變影響研究

肖英男 王 磊

（1 廣東宏基管樁有限公司；2 中山市宏基混凝土有限公司）

1 前言

預應力高強度混凝土管樁簡稱PHC 管樁。為加快管樁的生產速度，加快模具周轉速率、節(jié)省生產車間場地，國內PHC 管樁的生產普遍采用二級蒸汽養(yǎng)護工藝。即常壓蒸汽養(yǎng)護（本文簡稱蒸汽養(yǎng)護）和高壓蒸汽養(yǎng)護，蒸汽養(yǎng)護過程分為靜養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫四個階段。蒸汽養(yǎng)護在提高水泥水化硬化速度的同時，對混凝土體積也產生了一定的影響。

2 蒸養(yǎng)混凝土的體積形變機理分析

混凝土的體積變形一直伴隨混凝土整個過程，包括攪拌，澆筑成型，硬化服役，混凝土澆筑成型后的體積形變才對混凝土構件產生影響。蒸汽養(yǎng)護PHC 管樁混凝土經歷了溫度變化和水泥水化凝結，水泥水化的化學減縮、水密度體積受溫度而改變、空氣氣泡受溫度等條件的尺寸大小改變、鈣礬石生成與相變密度改變，引起混凝土的體積變形。當然也包括砂石等材料的熱脹冷縮，其未發(fā)生材料本質的改變或引起體積形變量較小而不做討論。

2.1 水泥水化的化學減縮

水泥水化是指水泥的主要礦物質與水所起的化合作用，即水泥礦物質從無水狀態(tài)轉變到含結合水狀態(tài)的反應。水泥水化減縮是指膠凝物質水化硬化時總體積減少的現(xiàn)象，其原因是水化前后反應物和生成物的平均密度不同所致。對于大部分普通水泥，每100 克水泥的減縮總量為7～9 毫升，減縮作用反映著水化過程，它和結合水量之間有直線關系，可以通過各齡期減縮量的測定來研究水化速度。減縮是不可逆的，脫水并不會使體積恢復。凝膠膜是水泥熟料顆粒表面的膠體表層，依靠表面張力的作用保持著。水和水泥顆粒反應生成膠狀水化物包圍在水泥顆粒周圍，水只能透過這層膜與內部固體顆粒繼續(xù)反應，這將妨礙水和無水礦物的接觸，阻滯進一步的水化作用。水泥熟料礦物溶解和溫度有關，溫度上升溶解速度加快，溶液中的Ca2+的溶解度隨著溫度上升而降低，這將增加了C-S-H(Ⅰ)生成量與Ca(OH)2析晶體。所以說，水泥水化將使得混凝土的體積收縮，溫度升高加速了這一過程。隨著時間的延長水泥有較大的水化程度或水化深度，混凝土體積收縮也將加大。

2.2 混凝土中水隨溫度密度體積變化

水為混凝土中不可缺少的組分，其可以結合水、凝膠水、毛細孔水、自由水形式存在。水分子締合結構的大小受溫度與壓力的影響，水分子締合結構決定水的密度。依據《1990 國際溫標純水密度表》繪制標準大氣壓下純水密度隨溫度變化曲線及130 公斤水體積曲線圖1。

2.3 混凝土中氣泡隨溫度等因素體積的變化

圖1 1990 國際溫標純水密度及130 公斤水體積

混凝土中的氣泡按照邊界情況可以分為液相包裹氣泡、固液相包裹氣泡和固相包裹氣泡三種，其體積受到溫度、壓力、水泥水化作用變化機理有所不同，隨著混凝土的水化進行逐步成為固相包裹的孔液相氣泡或進一步成為固相氣泡趨勢?；炷劣不缙跉馀葜饕砸合喟凸桃合喟鼮橹鳎桃合喟鼩馀莸墓滔嗫梢詾橥还腆w顆粒表面孔隙或相鄰多個固體顆粒的空隙。氣泡中為空氣和飽和水蒸汽的混合物，邊界有液相時，其內的壓力和液相的表面張力及液固相遷移速率相關。液相表面張力受減水劑，溶解鹽影響。固液包裹氣泡存在毛細現(xiàn)象，這與液相表面張力、液固浸潤及其動力學相關。固體粉粒間和固體粉粒表面的孔隙空氣橋有被液體橋取代的趨勢。液相及固液包裹氣泡中的壓力上升與減小導致空氣融入與析出液相。固液相包裹和固相包裹氣泡內部壓力的升降會產生固體側壁的應力。

液相包裹氣泡，其邊界為水，受內部壓強和液體表面張力的作用，近乎為球形，這樣可以簡化拉普拉斯方程▽p=γ/（R1+R2）。球形氣泡，大小用半徑r 表示。這時，相界的球形表面是彈性外殼。氣泡由于被水所包裹，其中充滿飽和的水蒸汽與空氣混合物，其壓力等于空氣分壓和水蒸汽分壓的總和。必須使其內部壓力和以下3 種壓力達到平衡：

⑴對液體的外部壓力；

⑵決定于液體表面張力壓力；

⑶氣泡上面液柱的靜水壓力。

在上述情況下，相界面上的力平衡如所示：

P氣=P液+P+2σ/r×10-6式中，

P氣——氣相壓力；

P液——液相壓力（對液體的外部壓力）；

P——氣泡上液柱的靜水壓力；

σ——水的表面張力系數，隨溫度的升高而減??；

r——球型氣泡半徑。

固液包裹氣泡主要有兩種，一是粉體顆粒表面的孔隙作為固體邊界，二是顆粒間的空隙，這些氣泡的固體邊界距離較小，毛細管作用明顯。液相潤濕粉體顆粒作用影響毛細管內氣泡壓力，潤濕角越小，壓力越大。固液包裹氣泡也符合上式。

固相包裹氣泡是由液相包裹氣泡或固液相包裹氣泡隨著混凝土中水泥水化產物消耗水，凝膠封堵而形成，其內部含有一定量的水汽。固液包裹氣泡內部水蒸汽壓力較大時會有毛細凝結現(xiàn)象。由于孔小，此液態(tài)吸附膜是彎月形液面，與此彎月形液面成平衡的蒸氣壓力P 的大小服從Kelvin 公式：

RTln(P/P0)=-2σVLCOSθ/r式中，

P——彎月形液面蒸氣壓；

P0——平液面的飽和蒸氣壓；

σ——液態(tài)吸附質表面張力；

VL——液態(tài)吸附質的摩爾體積；

θ——液態(tài)吸附質與孔壁接觸角，潤濕有關；

r——彎月形液面曲率半徑。

氣泡內的壓力也適用查理定律，理想氣體的狀態(tài)方程：PV=nRT。氣泡內的水蒸氣會隨著溫度和壓力上升而提高，運用查理定律解釋氣泡的壓力和體積是要考慮水蒸氣的影響。

水的表面張力對于氣泡體積與內部壓力有較大的關系，表面張力增加，氣泡內的壓力增加，體積減小。水的表面張力幾個影響因素是溫度上升水的表面張力下降，溶解無機鹽增加水表面張力，減水劑高分子降低水表面張力。

混凝土中氣泡按照形狀可以分為，球形、橢球形、水滴形、內凹形等，其邊界的曲率半徑隨著形狀變化，表面邊界為液相時候，受水的表面張力影響，將有發(fā)展為球形趨勢。

混凝土中的氣泡在高壓力下，空氣在水中的溶解度增加，氣泡會溶解。相比小氣泡，大氣泡內部的壓力更小，氣泡內空氣的擴散速度也更小，因此應該是有更長的壽命。但是大氣泡的邊界情況也更為復雜，表層更為不均勻，尤其有粉體顆粒的嵌入或是局部曲率半徑的減小，這樣容易有空氣溢出，大氣泡分解為多個小氣泡。由于小氣泡的壓力比大氣泡高，這樣形成的多個小氣泡的總體積小于大氣泡的體積。

所以說，混凝土中的氣泡，由水泥水化產生的鹽增加水的表面張力，水在粉體等表面的潤濕過程，大氣泡的分解等因素，總的趨勢是體積減小，進而導致混凝土的體積減小。當體系溫度上升氣泡內部的壓力上升，水的表面張力下降，其體積增加，混凝土的體積也隨溫度的增加而增加。

2.4 混凝土中鈣礬石生成與相變

延遲生成鈣礬石的產生主要是因為反應初期生成的鈣礬石(AFt)在高溫或其它條件下轉變?yōu)閱瘟螓}(AFm)，硫酸根、鈣離子、Al3+，被C-S-H 凝膠吸附，在混凝土使用過程中，這些離子或單硫鹽又被釋放出來，硫酸根重新與C3A 反應生成鈣礬石或AFm 吸水直接發(fā)生晶型轉變而形成AFt。在硬化混凝土中生成鈣礬石會造成混凝土開裂。一般認為，當混凝土經過70℃以上的溫度養(yǎng)護后，就會產生延遲生成鈣礬石[1-2]。鈣礬石的晶型轉變，密度變化，也是蒸汽養(yǎng)護中混凝土體積形變的一個因素。

3 試驗方案

3.1 原材料

水泥為華潤水泥P·Ⅱ42.5R、磨細砂比表面積400kg/m3，硅含量90%、減水劑為萘系減水劑、大石為1～2 石子，壓碎指標8.0%、小石為0～5 石子，壓碎指標13.0%、砂為河砂與機制砂復配，混合后細度模數為2.5、水為自來水。

3.2 儀器

混凝土攪拌機、混凝土振動臺、混凝土貫入阻力儀、蒸汽養(yǎng)護箱及自制體積形變檢測裝置如圖2，在蒸養(yǎng)箱出水口處安裝水泵，水泵水管與模具進水口相連，出水口也與蒸養(yǎng)箱相連。利用循環(huán)水模擬常壓養(yǎng)護，用形變測量傳感器（數顯千分表）在養(yǎng)護時間之內全程進行監(jiān)控（通過電腦軟件控制，每兩分鐘測一次數據）。

圖2 體積形變試驗裝置圖

3.3 配方及養(yǎng)護制度

混凝土在常溫常壓下靜養(yǎng)，使試樣到達一定的貫入阻力（試驗選取0、2.0MPa、3.5MPa），升溫1 個小時到達一定的溫度（試驗選取60℃、80℃、95℃），溫度恒溫5個小時，自然冷卻至常溫。

表1 混凝土配方(kg/m3)

4 試驗結果及分析討論

為測量方便起見，體積變化的量通常采用線性單位而不是體積單位。本文長度的變化表示為長度千分之幾的系數，簡化為10-3，適用于任何長度單位（一般標記為m/m）。在本文中，減縮為負值，膨脹為正值。

4.1 靜養(yǎng)的體積形變

PHC 管樁混凝土水灰比為0.3，坍落度3～7cm，按照新拌混凝土工作性能，PHC 管樁混凝土為塑性混凝土，初凝前逐漸失去可塑性，一般收縮，大氣壓力推動測試端部圓形鐵片跟隨混凝土的塑性變形，真實的測量混凝土體積形變。成型以及試驗儀器的安裝需要大約15min，本試驗對體積形變的測量存在15min 的真空期。圖3 可以看出，混凝土在初凝前，體積收縮，不加摻和料配方的混凝土體積收縮為0.19×10-3m/m，摻磨細砂配方的混凝土體積收縮為0.42×10-3m/m，混凝土在初凝凝前期收縮值很大，已經不可以忽視。初凝前期，水泥水化進行較慢剛剛進入加速期，消耗了部分水，水泥水化的化學減縮量不大；溫度不是影響混凝土收縮的因素；試驗塑性混凝土含氣在3%以下，其在混凝土失去可塑性的時候，自由水被消耗，氣泡邊界條件被改變，低壓的氣泡變?yōu)楦邏簹馀荩潴w積減小較多；鈣礬石優(yōu)先形成包裹水泥礦物C3A 顆粒表面，其反應應為膨脹，或者說在攪拌混凝土，制作測試試件前已經反應大部分，不是此階段混凝土體積收縮的因素。圖3 中還可以看出摻磨細砂混凝土的體積收縮量和速度大于不加摻和料配方的混凝土，這和水泥顆粒周邊水量有關，水較多，水泥顆粒的礦物溶解速度較快，水泥顆粒3um 以下水化迅速反映，水泥顆粒表面孔隙較難形成氣泡或是迅速轉為高壓氣泡，磨細砂表面孔隙形成氣泡量大于水泥顆粒表面且相對壓力低。氣泡體積的減小是這時期混凝土減縮的主要因素。PHC 管樁的生產過程中，混凝土攪拌到離心成型完畢超過40 分鐘，混凝土在離心后持續(xù)體積收縮才對結構有影響，制定PHC 管樁生產工藝制度不容忽視。徑向形變，混凝土離開管模，留下空隙，縱向變形被鋼筋束縛。

圖3 初凝前時間與PHC 混凝土體積形變圖

4.2 升溫的體積形變

PHC 管樁混凝土溫度升高過程中，體積膨脹，如圖4，沒有經過靜養(yǎng)的混凝土，即成型混凝土貫入阻力為0MPa，混凝土在溫升過程中，體積急劇膨脹，無摻和料配方混凝土膨脹值達到了2.52×10-3m/m，摻磨細砂配方混凝土膨脹值達到了1.39×10-3m/m，摻磨細砂混凝土較多的低壓氣泡存在，膨脹值相對低，這說明磨細砂摻和料能夠在一定程度上抵御混凝土溫升而產生的膨脹?；炷劣休^長時間的靜養(yǎng)，貫入阻力強度3.5MPa，混凝土前期有一定的收縮能夠抵消部分溫度上升帶來的膨脹，不加摻和料配方混凝土膨脹值達到了1.08×10-3m/m，摻磨細砂配方混凝土膨脹值達到了1.08×10-3m/m。在1 小時的溫升時間內磨細砂摻和料不僅能夠抵御混凝土溫升而產生的膨脹，1 小時溫升時間后進入恒溫期內，磨細砂摻和料混凝土還在繼續(xù)延緩膨脹，這說明有延緩作用。錢荷雯[2]等人試驗研究表明蒸養(yǎng)過程中的游離水、空氣及其他組分體積膨脹對蒸養(yǎng)后水泥石強度存在顯著不利影響。混凝土溫度上升，水泥水化反應加速，化學減縮加快；30℃到95℃，130kg 自由水體積帶來的體積膨脹有0.46%；氣泡內部壓力上升，體積增大，綜合表現(xiàn)混凝土升溫期間體積增大。

圖4 恒溫95℃升溫階段時間與PHC 混凝土體積形變圖

4.3 恒溫的體積形變

PHC 管樁混凝土恒溫過程中，體積變化和靜養(yǎng)歷程有關。如圖5，沒有經過靜養(yǎng)的混凝土，即成型混凝土貫入阻力為0MPa，混凝土在恒溫過程中，體積急劇減小，減小達到值達到了0.60×10-3m/m，這是水泥水化的化學收縮，在達到一定強度后即70 分鐘后體積穩(wěn)定，殘留值也達到0.79×10-3m/m；混凝土預養(yǎng)時間延長，即混凝土由塑性達到初凝狀態(tài)，恒溫體積形變受到混凝土強度影響，有初始強度的平緩。T.K.Erdem 等人認為蒸養(yǎng)混凝土的預養(yǎng)（靜養(yǎng)）時間長短應為混凝土初凝所需的時間，從而使混凝土不產生過大的腫脹變形，并且有利于蒸養(yǎng)混凝土的后期強度發(fā)展[3]。彭波給出的結論，靜養(yǎng)時間的延長會增強混凝土在蒸養(yǎng)過程中抵抗腫脹變形的能力，因此對混凝土孔結構具有改善的作用[4]。對比圖6，同為預養(yǎng)混凝土貫入阻力3.5MPa，摻磨細砂混凝土與不摻，恒溫體積變形量大0.35×10-3m/m，說明摻合料增加混凝土溫升變形。劉友華認為在低水膠比下，摻入適量的粉煤灰、礦渣能進一步降低漿體及砂漿蒸養(yǎng)腫脹變形，但當粉煤灰摻量超過20%，礦渣摻量超過30%時不能有效降低蒸養(yǎng)腫脹變形量[5]。抵御混凝土溫升變形，摻和料存在一個最佳摻量及適用區(qū)間。圖5、圖6 中可以看出恒溫時間在超過120 分鐘后，混凝土體積幾乎穩(wěn)定。

圖5 恒溫時間與PHC 混凝土體積形變圖

圖6 中，混凝土在達到初凝狀態(tài)升溫，混凝土恒溫體積形變受恒溫溫度影響較大，恒溫溫度低，混凝土體積變形量小，60℃恒溫溫度和95℃，體積變形量差0.6×10-3m/m。恒溫溫度是影響混凝土體積形變的重要因素。

圖6 恒溫時間與PHC 混凝土體積形變圖

4.4 降溫的體積形變

圖7 降溫階段時間與PHC 混凝土體積形變圖

圖8 時間與PHC 混凝土體積形變圖

蒸養(yǎng)混凝土在降溫階段的變形是混凝土構件開裂的主要階段，圖7、圖8 中顯示降溫過程混凝土體積形變變化時間較長，600 分鐘后混凝土體積還在逐漸減小，仍能檢測到體積形變。經過蒸汽養(yǎng)護的混凝土體積變形為膨脹。

圖9 中顯示，蒸汽養(yǎng)護的PHC 混凝土在降溫過程中，蒸養(yǎng)恒溫溫度60℃體積在降溫1 小時內收縮，而80℃和95℃體積有一小階段體積膨脹，其膨脹值為0.01-0.02×10-3m/m，這應是鈣礬石相變過程，不加摻和料混凝土變形為0.04×10-3m/m，如此微小的膨脹可以定論PHC 混凝土蒸養(yǎng)過程可以忽略鈣礬石延遲生成產生膨脹帶來的破壞作用。摻和料可以減弱蒸養(yǎng)混凝土鈣礬石延遲生成帶來的膨脹。

圖9 降溫1 小時內時間與PHC 混凝土體積形變圖

圖10 中曲線是蒸養(yǎng)全過程中，PHC 管樁混凝土體積形變隨時間的變化，混凝土在早期收縮值0.3×10-3m/m，升溫膨脹到1.0×10-3m/m，混凝土長期殘留膨脹值0.38～0.39×10-3m/m，足以造成束縛較小的大尺寸混凝土構件破壞，而對于PHC 管樁生產，模具的限定作用，混凝土的體積膨脹在混凝土彈性范圍內，混凝土彈性形變或徐變，不產生結構性破壞。

圖10 養(yǎng)護全過程時間與PHC 混凝土體積形變圖

5 結論

⑴PHC管樁混凝土在初凝前，體積收縮，不加摻和料配方的混凝土體積收縮為0.19×10-3m/m；摻磨細砂的混凝土體積收縮為0.42×10-3m/m。混凝土在初凝前期收縮值很大，已經不可以忽視。預養(yǎng)強度與恒溫溫度是PHC 管樁混凝土蒸養(yǎng)體積形變的重要影響因素，預養(yǎng)強度提高，體積變形量小，恒溫溫度高體積變形量大，恒溫時間僅是在恒溫早期對混凝土膨脹有一定作用，超過恒溫體積穩(wěn)定最短時間后恒溫時間無影響。有一定預養(yǎng)強度條件下，磨細砂摻和料影響混凝土體積變形，60℃時增大，95℃時減小。綜合考慮PHC 管樁生產帶模具養(yǎng)護，模具能夠抵御混凝土升溫養(yǎng)護變形，混凝土產生彈性形變，制定養(yǎng)護工藝時候，反而預養(yǎng)時間不易過長，尤其是用磨細砂做摻和料，養(yǎng)護溫度也可以適當提高。

⑵60～70℃鈣礬石的相變在本次試驗研究過程中被驗證，其在相變溫度降溫時候引起混凝土體積膨脹，相對膨脹率不加摻和料配方0.04×10-3m/m，加磨細砂摻和料0.01～0.02×10-3m/m，其膨脹對混凝土體積影響微乎其微，磨細砂摻和料能降低鈣礬石延遲生成引起的膨脹。PHC 管樁生產過程中，蒸汽養(yǎng)護溫度超過70℃，鈣礬石延遲生成不會造成危害。

⑶PHC 管樁混凝土中氣泡的體積減小是早期收縮的主要因素，也是蒸汽養(yǎng)護過程中體積膨脹的主要因素，其受溫度因素影響明顯。PHC 管樁混凝土不易含氣量過大。

⑷以混凝土中砂漿貫入阻力強度評價混凝土蒸汽養(yǎng)護靜停比靜停時間更為準確，以靜停時間來控制混凝土蒸養(yǎng)制度的工藝中要注意混凝土凝結時間穩(wěn)定。

⑸在PHC 管樁混凝土蒸養(yǎng)過程中，體積形變在靜停期間是收縮的，管樁混凝土離開管模，留下空隙給混凝土水化產物鈣相析出，混凝土在升溫與降溫過程中相對原體積又是膨脹的，會引起管樁外表面的白霜現(xiàn)象和掛凸起斑點，造成管樁外表面顏色不一和不光滑。管樁生產過程中輔材脫模劑對混凝土有緩凝作用，混凝土靜停收縮與升溫膨脹，導致脫模劑積聚與滲入混凝土中，而引起混凝土的凝結差異，造成管樁混凝土表面凝結時間長，引起管樁外表面粘皮及粘模具。●