蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土力學(xué)和耐久性能的影響研究

李顧媛，鄧兆勛，周官封

(中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450001)

0 引言

建筑工程的迅速發(fā)展尤其是裝配式結(jié)構(gòu)占比的提高,對(duì)混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)提出了高質(zhì)量、高效率的要求,蒸汽養(yǎng)護(hù)作為提高混凝土早期強(qiáng)度的重要措施,對(duì)其的研究及應(yīng)用也掀起了新一輪的熱潮。近期,裝配式建筑在“新冠肺炎”疫情防控阻擊戰(zhàn)中的優(yōu)異表現(xiàn),使裝配式結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在世人的面前,引起強(qiáng)烈的反響。有研究表明,在相同水化程度條件下,蒸養(yǎng)混凝土的抗壓強(qiáng)度低于標(biāo)養(yǎng)混凝土,且蒸養(yǎng)混凝土的抗壓強(qiáng)度隨水化程度的增長率也低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土[1];在電子顯微鏡下,可看出蒸養(yǎng)時(shí),隨升溫速率的增加,混凝土內(nèi)部C-S-H凝膠的晶體無序的堆積量逐步增加,不利于混凝土力學(xué)性能的增長[2];通過混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)及礦物摻合料的使用,輔以合理的蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝,可有效降低蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中的不良影響[3-6]。

目前,為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展,本單位聯(lián)合三家洛陽本地企業(yè)共同投資建設(shè)中電建(洛陽)裝配式建筑科技有限公司產(chǎn)業(yè)基地。為加快裝配式構(gòu)件模具的周轉(zhuǎn)效率和場地的使用效率,盡早滿足預(yù)制構(gòu)件的起吊要求,對(duì)預(yù)制構(gòu)件采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的措施,快速提高混凝土早期強(qiáng)度,以達(dá)到裝配式構(gòu)件的產(chǎn)能需求。為保證混凝土預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量,適應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展潮流,本文研究了蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土力學(xué)性能、抗凍性能和抗?jié)B性能的影響,并提出能夠有效減少蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土性能不利影響的措施。

根據(jù)研究內(nèi)容和目的,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求,本次研究用混凝土配合比的技術(shù)要求如表1所示。

表1 混凝土技術(shù)要求

1 原材料

水泥:選用天瑞水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥(P.O42.5),依據(jù)GB 175—2007通用硅酸鹽水泥進(jìn)行檢測(cè),其密度為3.02 g/cm3,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.2%,堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.57%,其余性能檢測(cè)結(jié)果見表2。經(jīng)檢測(cè),水泥質(zhì)量符合GB 175—2007通用硅酸鹽水泥中的相關(guān)技術(shù)要求。

表2 P.O42.5水泥性能試驗(yàn)結(jié)果

礦渣粉:使用S95礦渣粉,經(jīng)檢測(cè),其質(zhì)量符合GB/T 18046—2017用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉中相關(guān)技術(shù)要求,檢測(cè)結(jié)果見表3。

粉煤灰:使用F類Ⅰ級(jí)粉煤灰,經(jīng)檢測(cè),其質(zhì)量符合GB/T 1596—2017用于水泥和混凝土的粉煤灰中相關(guān)技術(shù)要求,檢測(cè)結(jié)果見表4。

表3 S95礦渣粉性能試驗(yàn)結(jié)果

表4 粉煤灰性能試驗(yàn)結(jié)果

細(xì)骨料:使用天然砂,依據(jù)JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè),其細(xì)度模數(shù)為3.0,緊密堆積密度為1 680 kg/m3,吸水率為1.4%,含泥量為1.2%,砂中無泥塊含量,堅(jiān)固性為3%;經(jīng)過比對(duì),有機(jī)質(zhì)含量淺于標(biāo)準(zhǔn)色;通過砂漿棒快速法檢測(cè),該骨料為非活性骨料。細(xì)骨料篩分試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 細(xì)骨料篩分檢驗(yàn)結(jié)果

粗骨料:使用5 mm～10 mm,10 mm～20 mm兩種粒徑的人工碎石,依據(jù)JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。通過砂漿棒快速法檢測(cè),該骨料為非活性骨料,其余性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表6。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,判定其質(zhì)量符合規(guī)范中相關(guān)技術(shù)要求。5 mm～20 mm連續(xù)級(jí)配的石子比例按照最大容重法并結(jié)合混凝土拌合物的性能確定,經(jīng)試驗(yàn)最終選擇5 mm～10 mm與10 mm～20 mm兩種人工碎石的質(zhì)量比為D10∶D20=40∶60,并將兩種石子按照比例配好備用。

表6 粗骨料品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

外加劑:根據(jù)混凝土技術(shù)要求,外加劑選用高性能減水劑(緩凝型、標(biāo)準(zhǔn)型、早強(qiáng)型)和引氣劑,依據(jù)GB 8076—2008混凝土外加劑對(duì)外加劑進(jìn)行檢測(cè),受檢混凝土性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表7所示。

表7 受檢混凝土性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì),混凝土配合比計(jì)算采用質(zhì)量法,混凝土容重按照2 380 kg/m3計(jì)算。根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí),經(jīng)過計(jì)算,混凝土配制強(qiáng)度為48.2 MPa。結(jié)合規(guī)范、技術(shù)要求和拌和經(jīng)驗(yàn),初步確定水膠質(zhì)量比為0.35,0.40,0.45,基準(zhǔn)砂率為40%,粉煤灰摻量為20%,礦渣粉摻量為10%,外加劑采用高性能(緩凝型)減水劑和引氣劑雙摻的方式,減水劑摻量為1.6%,引氣劑摻量為1/10 000,進(jìn)行試拌的配合比如表8所示。

表8 C40混凝土試拌配合比

按照上述配合比進(jìn)行試拌,分別檢測(cè)混凝土拌合物坍落度、含氣量,然后成型100 mm3抗壓試塊、抗凍試塊、抗?jié)B試塊,檢測(cè)混凝土力學(xué)性能、抗凍性能和耐久性能,試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 混凝土拌合物性能和硬化混凝土性能檢測(cè)結(jié)果表

將所得28 d抗壓強(qiáng)度與其水膠比進(jìn)行回歸分析,結(jié)合混凝土拌合物性能與耐久性能檢測(cè)結(jié)果,得出C40混凝土配合比中,粉煤灰摻量為20%,礦渣粉摻量為10%,高性能(緩凝型)減水劑摻量為1.6%,引氣劑摻量為1/10 000,所得C40混凝土推薦配合比如表10所示。

表10 推薦得出C40混凝土配合比

3 混凝土養(yǎng)護(hù)

3.1 養(yǎng)護(hù)方案

成型混凝土抗壓強(qiáng)度試塊、抗凍試塊和抗?jié)B試塊,采用蒸汽養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和同條件養(yǎng)護(hù)(冬季室外,濕布覆蓋,日平均溫度逐日累計(jì)達(dá)到600 ℃·d)的方式,對(duì)比分析混凝土力學(xué)性能和耐久性能的差異?；炷琳羝B(yǎng)護(hù)溫度采用60 ℃,升溫速率和降溫速率均相同,通過靜停時(shí)間和蒸養(yǎng)恒溫時(shí)間的調(diào)整,研究蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土性能的影響,制定蒸養(yǎng)工藝如表11所示,蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,將試塊轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室,養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期,進(jìn)行性能檢測(cè)。

表11 試驗(yàn)采用的蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝

3.2 混凝土檢測(cè)結(jié)果

按照推薦得出的C40混凝土配合比試拌成型,采用擬定的養(yǎng)護(hù)方案分別進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、同條件養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)完成后檢測(cè)不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度、抗凍性能和抗?jié)B性能,其中,同條件養(yǎng)護(hù)主要檢測(cè)抗壓強(qiáng)度。經(jīng)檢測(cè),不同養(yǎng)護(hù)工藝下,混凝土抗?jié)B等級(jí)均滿足P8的要求,抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,抗凍等級(jí)如圖2所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在上述抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果中,冬季進(jìn)行的同條件養(yǎng)護(hù)試塊,1 d抗壓強(qiáng)度較低,試塊不易脫模,故同條件試塊未進(jìn)行1 d抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。對(duì)得出的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,可看出,混凝土采用蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝時(shí),與同條件養(yǎng)護(hù)方式相比,其強(qiáng)度在各個(gè)時(shí)期都有一定程度的提高,在3 d齡期時(shí),蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度是同條件養(yǎng)護(hù)的2倍～2.5倍,隨著齡期的增長,此種差距逐漸縮小,但28 d齡期時(shí),強(qiáng)度仍為同條件養(yǎng)護(hù)的1.2倍以上。蒸汽養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式相比,其強(qiáng)度在7 d之前,比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度有所提高,尤其在1 d齡期時(shí),蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土的3倍～7倍,由此也可以看出,蒸養(yǎng)工藝對(duì)混凝土早期強(qiáng)度也至關(guān)重要,在3 d齡期時(shí),強(qiáng)度為標(biāo)養(yǎng)混凝土強(qiáng)度的1.3倍～1.5倍,到7 d時(shí),蒸養(yǎng)強(qiáng)度略高于標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度;但7 d之后,兩種養(yǎng)護(hù)方式強(qiáng)度之間的差距會(huì)逐漸減少,14 d的齡期,部分標(biāo)養(yǎng)混凝土強(qiáng)度已稍高于蒸汽養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度,最終28 d齡期時(shí),蒸養(yǎng)混凝土強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的90%左右。經(jīng)過蒸汽養(yǎng)護(hù),混凝土的抗?jié)B性能差異不大,均能達(dá)到抗?jié)B等級(jí)為P8的技術(shù)要求;混凝土的抗凍性能均有所降低,但靜停時(shí)間、蒸養(yǎng)時(shí)間的差異,也導(dǎo)致抗凍性能有較大的差別。

進(jìn)一步對(duì)蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的試驗(yàn)結(jié)果分析,在同一靜停時(shí)間,比較不同的蒸養(yǎng)時(shí)間,隨蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,早期混凝土強(qiáng)度提高明顯,但28 d強(qiáng)度差異不大,且過長的蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間反而會(huì)降低28 d強(qiáng)度;抗凍性能則隨蒸養(yǎng)時(shí)間的增加有所降低,過長的蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間,不利于混凝土耐久性能的形成。在同一蒸養(yǎng)時(shí)間下,比較不同的靜停時(shí)間時(shí),隨靜停時(shí)間的延長,有利于混凝土強(qiáng)度發(fā)展,混凝土強(qiáng)度基本上呈提高趨勢(shì),且早期強(qiáng)度提高明顯;抗凍性能也隨靜停時(shí)間的延長,有所提高,但過長的靜停時(shí)間與采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的目的有沖突,因此,結(jié)合混凝土現(xiàn)場施工蒸汽養(yǎng)護(hù)的要求,合理制定蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝,使混凝土強(qiáng)度和耐久性能發(fā)揮的恰到好處。

4 不同外加劑對(duì)蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土性能的影響

從上述的試驗(yàn)結(jié)果,選擇混凝土性能較優(yōu)異的g-5作為蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝,比較早強(qiáng)型、標(biāo)準(zhǔn)型、緩凝型高性能減水劑分別與引氣劑復(fù)合使用對(duì)蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土性能的影響。試驗(yàn)時(shí)仍使用推薦得出的C40混凝土配合比,通過減水劑摻量的調(diào)整,使三種混凝土的坍落度符合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)檢測(cè),蒸汽養(yǎng)護(hù)下,使用緩凝型、標(biāo)準(zhǔn)型、早強(qiáng)型減水劑的混凝土抗凍等級(jí)分別滿足F150,F175,F200的技術(shù)要求,使用不同類型減水劑的混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果見圖3。

由上述結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,在同一蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝下,早強(qiáng)型減水劑的使用更加有利于混凝土早期強(qiáng)度的提高,使用早強(qiáng)型減水劑的混凝土,在1 d齡期時(shí),其抗壓強(qiáng)度較使用緩凝型減水劑混凝土提高1.4倍左右,較使用標(biāo)準(zhǔn)型減水劑混凝土提高1.2倍左右,隨著齡期的增長,此種趨勢(shì)逐漸縮小,最終28 d齡期時(shí)強(qiáng)度趨于相同;且早強(qiáng)型減水劑的使用,混凝土的抗凍性能表現(xiàn)優(yōu)異。因此,在冬季施工過程中,由于低溫的影響,采用蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí),建議優(yōu)先采用早強(qiáng)型減水劑。

5 結(jié)論

1)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝的混凝土,早期強(qiáng)度有明顯提高,7 d齡期之后混凝土的力學(xué)性能與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土逐漸接近,14 d齡期時(shí),被標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土趕超,28 d齡期時(shí)強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土。蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝使混凝土前期水化作用加速,在一定程度上提高了混凝土的力學(xué)性能[7]。2)采用同一蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝時(shí),早強(qiáng)型減水劑較其他類型的外加劑更有利于混凝土早期強(qiáng)度的提高和耐久性能的形成,且蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝合理的情況下,可有效避免蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土耐久性能的不利影響。3)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝時(shí),隨著靜停時(shí)間的延長,有助于減少蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土性能的影響,分析其原因,隨靜停時(shí)間的增加,混凝土自身形成一定的應(yīng)力,來抵抗蒸養(yǎng)過程中,水化反應(yīng)不均勻產(chǎn)生的溫度應(yīng)力;隨蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加,混凝土早期力學(xué)性能增長較快,但過長的蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間,不利于混凝土最終力學(xué)性能和耐久性能的形成。