蒸養(yǎng)混凝土抗凍性及柵欄板預(yù)制工藝研究

李杰，李沛，張鵬，米勝東

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

混凝土柵欄板是水工結(jié)構(gòu)常用構(gòu)件之一，但柵欄板傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝存在制備周期長、場地限制大、安全隱患多、質(zhì)量控制難等缺點，同時柵欄板經(jīng)常會出現(xiàn)蜂窩、麻面、氣泡、表皮脫落等質(zhì)量缺陷，嚴重時甚至?xí)绊懫鋸姸群湍途眯?。而蒸養(yǎng)工藝可快速提升混凝土的早期強度、加快模具周轉(zhuǎn)、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率[1]，但國內(nèi)外的研究表明，蒸養(yǎng)工藝對混凝土的抗凍性具有負面影響，與標準養(yǎng)護混凝土相比，蒸養(yǎng)混凝土的抗凍性顯著降低，主要原因是蒸汽壓力會使引氣劑引入混凝土內(nèi)部氣泡的表面能提高，進而影響這些微小封閉氣泡的穩(wěn)定性。此外，蒸養(yǎng)工藝中的靜停時間過短、升溫速度過快、恒溫溫度過高、恒溫時間過長也會使混凝土內(nèi)部有害孔隙的數(shù)量增多，一定程度上影響混凝土的強度和耐久性[2-10]?；谏鲜霰尘?，本研究通過采用合理的混凝土配合比、蒸養(yǎng)制度以及自行研發(fā)的預(yù)制工藝，旨在制備出外觀質(zhì)量優(yōu)良、力學(xué)性能和抗凍性能滿足C40F350要求的混凝土柵欄板，且顯著縮短其生產(chǎn)時間，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時極大地提高生產(chǎn)效率。

1 原材料

水泥：P·O 42.5水泥；摻合料：包括F類II級粉煤灰和S95?；郀t礦渣粉；河砂：II區(qū)中砂；碎石：公稱粒級為5～25 mm，連續(xù)級配；減水劑：聚羧酸高性能減水劑；引氣劑：松香熱聚物引氣劑；拌合水：自來水。

2 試驗

2.1 配合比

根據(jù)混凝土柵欄板常用設(shè)計要求，即強度和抗凍等級為C40F350、含氣量為3%～5%，通過混凝土配合比計算并結(jié)合以往經(jīng)驗，確定本研究的基準配合比如表1所示。由于水膠比和含氣量對混凝土的強度和抗凍性影響較大，有必要通過改變水膠比和引氣劑用量，研究其對混凝土強度和抗凍性能的影響，進而確定合理的水膠比和引氣劑用量，試驗配合比如表2所示。

表1 混凝土基準配合比Table 1 Base mix ratio of concrete kg/m3

表2 混凝土試驗配合比Table 2 Trial mix ratio of concrete kg/m3

2.2 蒸養(yǎng)制度

根據(jù)以往蒸養(yǎng)混凝土的制作經(jīng)驗，制定了本研究的蒸養(yǎng)制度，如表3所示。

表3 蒸養(yǎng)制度Table 3 Steam curing system

2.3 試驗方法

本研究中混凝土配合比設(shè)計參考標準規(guī)范JGJ 55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》和JTS 202—2011《水運工程混凝土施工規(guī)范》進行；混凝土拌合及成型參考標準規(guī)范JTS/T 236—2019《水運工程混凝土試驗檢測技術(shù)規(guī)范》進行，采用機械攪拌和振動臺振搗成型后在表3所示的蒸養(yǎng)制度下進行蒸養(yǎng)，脫模后轉(zhuǎn)入溫度為（20±2）℃、相對濕度不低于95%的標準養(yǎng)護條件養(yǎng)護至28 d?；炷亮⒎襟w抗壓強度試驗參考標準規(guī)范JTS/T 236—2019《水運工程混凝土試驗檢測技術(shù)規(guī)范》進行，采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，強度換算系數(shù)取0.95；混凝土抗凍性試驗參考標準規(guī)范《水運工程混凝土試驗檢測技術(shù)規(guī)范》中的快凍法進行，采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的試件，每經(jīng)歷50次凍融循環(huán)后，對試件分別進行質(zhì)量損失率和相對動彈模量測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 蒸養(yǎng)混凝土性能研究

3.1.1基準配合比及蒸養(yǎng)制度驗證

表4為混凝土基準配合比及蒸養(yǎng)制度的驗證結(jié)果。由表4可看出，采用基準配合比，經(jīng)機械攪拌后的混凝土拌合物含氣量滿足3%～5%的要求；利用振動臺振動成型和蒸養(yǎng)制度制備的混凝土試件力學(xué)性能和抗凍性能滿足C40F350的要求，因此該基準配合比和蒸養(yǎng)制度可用于后續(xù)的試驗研究。此外，在試驗中發(fā)現(xiàn)坍落度為（100±20）mm的混凝土拌合物較適合振動臺成型，因此后續(xù)試驗中將通過調(diào)整減水劑用量將混凝土坍落度控制在（100±20）mm范圍內(nèi)。

表4 混凝土基準配合比及蒸養(yǎng)制度驗證結(jié)果Table 4 Verification result of base mix ratio of concrete and steam curing system

3.1.2水膠比及引氣劑用量對混凝土性能的影響

本研究基準配合比的水膠比為0.35、含氣量為5.0%。在不摻引氣劑和其他材料用量不變的前提下，單獨改變用水量，使水膠比分別為0.29、0.31、0.33，研究水膠比對混凝土性能的影響，以確定合理的水膠比。表5為不同水膠比的混凝土性能試驗結(jié)果。由表5可看出，水膠比越大，強度越低，抗凍性越差；3個不同水膠比的混凝土強度均滿足C40的要求；水膠比為0.33時，抗凍性不滿足F350的設(shè)計要求；水膠比為0.29和0.31時，抗凍性滿足F350的設(shè)計要求，但是水膠比為0.31時，抗凍試件在經(jīng)歷350次凍融循環(huán)后出現(xiàn)了局部表皮脫落嚴重的現(xiàn)象。因此，為保證蒸養(yǎng)工藝下即使不摻加引氣劑混凝土的抗凍性仍滿足設(shè)計要求，水膠比宜小于0.31。

表5 不同水膠比的混凝土性能試驗結(jié)果Table 5 Results of performance tests of concrete with different water-binder ratios

在其他材料用量不變的前提下，單獨改變引氣劑用量，使含氣量分別控制在3%、4%和5%左右，研究引氣劑用量對混凝土性能的影響。表6為不同引氣劑用量的混凝土性能試驗結(jié)果。由表6可看出，在含氣量為3%～5%的范圍內(nèi)，隨著含氣量的增大，混凝土強度逐漸降低，但均滿足C40的要求，且混凝土在經(jīng)過350次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率和相對動彈模量均逐漸增大，抗凍性均滿足F350的設(shè)計要求。因此，將含氣量控制在3%～5%范圍內(nèi)是合理的。

表6 不同引氣劑用量的混凝土性能試驗結(jié)果Table 6 Results of performance tests of concrete with different dosages of air entraining admixture

綜上，在混凝土配合比合理的前提下，采用蒸養(yǎng)制度，混凝土力學(xué)性能和抗凍性能滿足C40F350的要求。水膠比越大，強度越低，抗凍性越差。為保證蒸養(yǎng)工藝下即使不摻加引氣劑混凝土的抗凍性仍滿足設(shè)計要求，水膠比宜小于0.31。含氣量越大，混凝土抗凍性越好，但28 d抗壓強度越小，為保證混凝土抗凍性和強度均滿足設(shè)計要求，將含氣量控制在3%～5%范圍內(nèi)比較合理。最終采用試驗編號為Y-2混凝土配合比用于生產(chǎn)柵欄板，如果要進一步提高混凝土的強度和抗凍性，可將水膠比降低至0.31以下。

3.2 柵欄板預(yù)制工藝研究

3.2.1柵欄板預(yù)制工藝

在蒸養(yǎng)混凝土抗凍性研究的基礎(chǔ)上，針對柵欄板的模具工藝、成型工藝、脫模工藝進行了優(yōu)化，研究出一套適合柵欄板蒸養(yǎng)預(yù)制的新工藝。

模具工藝方面，傳統(tǒng)模具分為芯模、側(cè)模，存在安裝效率低、模具數(shù)量多易混淆等問題。本研究結(jié)合預(yù)制車間的生產(chǎn)條件，自行設(shè)計了平放一體式模具（如圖1（a）所示）并驗證了其可行性。平放一體式模具可較好地解決傳統(tǒng)模具安裝時存在的問題，并且通過在模具加工期間對4個邊角線采取特殊處理可解決混凝土漏漿現(xiàn)象。

圖1 柵欄板預(yù)制工藝Fig.1 Prefabrication technology of concrete grating

成型工藝方面，傳統(tǒng)振搗工藝采用人工手持振搗棒進行振搗，振搗施工期間易出現(xiàn)局部振搗不勻、漏振、過振、振搗碰觸鋼筋等問題，嚴重時可引起柵欄板的質(zhì)量問題；本研究采用高頻振動裝置對柵欄板構(gòu)件進行振搗（如圖1（b）所示），振動成型的柵欄板混凝土密實度高、表面光潔度好、混凝土內(nèi)部大氣泡少，有利于提高混凝土的強度和耐久性。傳統(tǒng)抹面工藝均為人工操作，大致可分為混凝土澆筑后的早期粗抹、中期抹面及后期細抹3個階段，但是由于抹面工人操作能力參差不齊，易導(dǎo)致柵欄板外觀質(zhì)量控制難度大。本研究使用反面澆筑一次成型的生產(chǎn)工藝，該工藝避免了人工抹面，生產(chǎn)的柵欄板表面外觀質(zhì)量良好，大大減少了混凝土的外觀質(zhì)量缺陷。

脫模工藝方面，傳統(tǒng)柵欄板的脫模工藝為使用千斤頂人工脫模，由于千斤頂性能差異以及人為因素，可能會造成柵欄板的格柵出現(xiàn)不同程度的損傷，為后期修補造成不便。本研究通過模具和振動臺的自重，采用振動式脫模方式（如圖1（c）所示），即固定好振動臺和模具，行車吊起混凝土柵欄板，開啟振動臺約1 min即可完成脫模，采取該脫模工藝制備的柵欄板均無邊角磕碰等質(zhì)量問題，同時極大地縮短了脫模時間。

3.2.2生產(chǎn)效率分析

表7為傳統(tǒng)工藝和蒸養(yǎng)預(yù)制工藝下單塊柵欄板的生產(chǎn)時間。

表7 傳統(tǒng)工藝和蒸養(yǎng)預(yù)制工藝下單塊柵欄板的生產(chǎn)時間Table 7 Production time of a single concrete grating using traditional technology and using steam curing prefabrication technology

由表7可看出，蒸養(yǎng)預(yù)制工藝的養(yǎng)護時間明顯比傳統(tǒng)工藝的養(yǎng)護時間短，充分利用了蒸養(yǎng)工藝可快速提高混凝土強度和加快模具周轉(zhuǎn)的優(yōu)勢，最終使得蒸養(yǎng)預(yù)制工藝下單塊柵欄板生產(chǎn)時間約為傳統(tǒng)工藝下單塊柵欄板生產(chǎn)時間的1/3，即生產(chǎn)時間的大幅縮短對提高生產(chǎn)效率的影響顯著。此外，不良天氣、場地限制等外界因素會延長傳統(tǒng)工藝下柵欄板生產(chǎn)的總時間，而蒸養(yǎng)預(yù)制工藝下流水線作業(yè)會縮短柵欄板生產(chǎn)的總時間，如果考慮上述兩方面因素，蒸養(yǎng)預(yù)制工藝的生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)工藝的生產(chǎn)效率會更高。

4 結(jié)語

1）水膠比和含氣量均對混凝土的性能具有顯著影響。水膠比越大，強度越低，抗凍性越差，為保證蒸養(yǎng)工藝下即便不摻加引氣劑混凝土的抗凍性仍滿足設(shè)計要求，水膠比宜小于0.31；含氣量越大，混凝土抗凍性越好，但28 d抗壓強度越小，為保證混凝土強度和抗凍性均滿足設(shè)計要求，將含氣量控制在3%～5%范圍內(nèi)比較合理。在采用合理的混凝土配合比和蒸養(yǎng)制度的前提下，混凝土的力學(xué)性能和抗凍性能滿足C40F350的要求。

2）采用自行研究的預(yù)制工藝，包括模具工藝、成型工藝、脫模工藝，一方面可解決混凝土漏漿、邊角磕碰等常見問題，保證混凝土密實度高、外觀質(zhì)量好、內(nèi)部大氣泡少，有利于提高混凝土的強度和耐久性；另一方面也可以大大提高柵欄板的生產(chǎn)效率，蒸養(yǎng)預(yù)制工藝下單塊柵欄板生產(chǎn)時間可降至傳統(tǒng)工藝下單塊柵欄板生產(chǎn)時間的1/3，流水作業(yè)條件下的生產(chǎn)效率會更高。