智慧梁場(chǎng)蒸汽養(yǎng)護(hù)下混凝土力學(xué)性能演化研究

摘要：文章對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，以探究智慧梁場(chǎng)蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)其早期力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：蒸汽養(yǎng)護(hù)期間混凝土力學(xué)強(qiáng)度發(fā)展可分為三個(gè)階段，第一、二階段（0～30 h）是混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵養(yǎng)護(hù)時(shí)期；蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土力學(xué)強(qiáng)度增長(zhǎng)率高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，其動(dòng)彈性模量主要形成于前期，呈線性快速增長(zhǎng)特征，可以加速生成水泥水化產(chǎn)物，從而提高混凝土的早期強(qiáng)度，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土動(dòng)彈性模量的增速相對(duì)較慢；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更加致密。研究結(jié)果可為蒸汽養(yǎng)護(hù)在工程中的應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；智慧梁場(chǎng)；蒸汽養(yǎng)護(hù)；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：U445.8

0 引言

預(yù)制混凝土橋梁構(gòu)件在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中占有重要地位，其質(zhì)量直接關(guān)系到橋梁的安全與耐久性［1］。蒸汽養(yǎng)護(hù)作為預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)提高構(gòu)件的早期強(qiáng)度、縮短生產(chǎn)周期具有顯著效果［2］。然而，在蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，加速了水泥水化過(guò)程，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而影響其長(zhǎng)期力學(xué)性能。因此，蒸汽養(yǎng)護(hù)常用于橋梁和隧道等預(yù)制混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)［3］。

已有研究結(jié)果表明，蒸汽養(yǎng)護(hù)會(huì)影響混凝土表面孔隙的脆性和水化反應(yīng)，使得蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的力學(xué)性能和耐久性變差［4］。高溫養(yǎng)護(hù)條件下短齡期混凝土水化產(chǎn)物擴(kuò)散時(shí)間不足，孔隙結(jié)構(gòu)較大，往往導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。C-S-H凝膠是混凝土的主要水化產(chǎn)物，也是混凝土強(qiáng)度的主要來(lái)源［5］。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件相比，蒸汽養(yǎng)護(hù)下生成的C-S-H凝膠具有更高的聚合度以及更少且致密的層間孔隙，但生成的水合產(chǎn)物體積減少［6］。一般來(lái)說(shuō)，蒸汽養(yǎng)護(hù)可以促進(jìn)混凝土早期力學(xué)性能的快速增長(zhǎng)，但高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)會(huì)使水化產(chǎn)物沉積在未水化顆粒表面，形成致密外殼，阻礙游離水與未水化水泥顆粒之間的接觸，影響后期水化程度，導(dǎo)致后期強(qiáng)度降低。

目前有關(guān)蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土力學(xué)性能的研究主要集中在蒸汽養(yǎng)護(hù)末期，對(duì)蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土早期力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的研究較少。本文通過(guò)分析不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的力學(xué)強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量和微觀結(jié)構(gòu)特征，研究蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土早期力學(xué)性能的影響，以期為優(yōu)化蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝、提高預(yù)制混凝土構(gòu)件的質(zhì)量提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)原材料及配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)原材料來(lái)自廣西某高速公路智慧梁場(chǎng)，水泥采用廣西右江水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)度為2.0%，水泥的物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。細(xì)集料為機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.64，含泥量0.5；粗集料分別為粒徑5～10 mm、10～20 mm的礫石。所用聚羧酸高效減水劑的減水率為30%。試驗(yàn)制備的混凝土配合比如表2所示，其28 d抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為55 MPa。采用現(xiàn)場(chǎng)攪拌的方式制備混凝土，在預(yù)制T梁的同時(shí)制備抗壓、劈裂與抗折強(qiáng)度測(cè)試試件，抗壓、劈裂強(qiáng)度測(cè)試試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，抗折強(qiáng)度測(cè)試試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm。

為了探究養(yǎng)護(hù)方法對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)兩種養(yǎng)護(hù)方法。結(jié)合智慧梁場(chǎng)預(yù)制T梁養(yǎng)護(hù)工藝，在澆筑12 h后進(jìn)行拆卸，取出試樣并放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室和智慧梁場(chǎng)蒸汽養(yǎng)護(hù)室中分別進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)方案如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室溫度為20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度＞95%。已有研究表明50 ℃更適合作為蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度，不僅對(duì)水泥水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)影響較小，而且適合施工現(xiàn)場(chǎng)。因此，本試驗(yàn)中智慧梁場(chǎng)蒸汽養(yǎng)護(hù)室溫度為50 ℃，升溫速率為10 ℃/h，試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室和智慧梁場(chǎng)蒸汽養(yǎng)護(hù)室中分別養(yǎng)護(hù)6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土力學(xué)強(qiáng)度分析

圖2為蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期間混凝土抗壓、劈裂和抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律。試件脫模后，其抗壓、劈裂和抗折強(qiáng)度分別為8.5 MPa、2.1 MPa和1.0 MPa。根據(jù)抗壓、劈裂和抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可知，在蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，混凝土力學(xué)強(qiáng)度的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段。第一階段：蒸養(yǎng)初期混凝土力學(xué)強(qiáng)度快速增長(zhǎng)階段（即0～12 h），蒸汽養(yǎng)護(hù)下力學(xué)強(qiáng)度可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%以上；第二階段：混凝土力學(xué)強(qiáng)度穩(wěn)步增長(zhǎng)階段（即12～30 h），該階段混凝土力學(xué)強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，蒸汽養(yǎng)護(hù)下力學(xué)強(qiáng)度可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上；第三階段：混凝土力學(xué)強(qiáng)度增速衰減階段（即30～48 h），混凝土力學(xué)強(qiáng)度仍能持續(xù)增長(zhǎng)，但混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率開(kāi)始降低。從蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程下混凝土力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律來(lái)看，前30 h是混凝土力學(xué)強(qiáng)度增長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，在此期間水泥水化反應(yīng)迅速進(jìn)行，混凝土力學(xué)強(qiáng)度在第一階段和第二階段迅速增長(zhǎng)。此后，智慧梁場(chǎng)預(yù)制T梁混凝土構(gòu)件可滿足預(yù)應(yīng)力施加的要求。相較而言，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，混凝土力學(xué)強(qiáng)度發(fā)展大致可分為兩個(gè)階段。第一階段：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)前期（即0～24 h），這是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土力學(xué)強(qiáng)度增長(zhǎng)最快的時(shí)期，然而其增長(zhǎng)率明顯低于蒸汽養(yǎng)護(hù)環(huán)境下第一階段；第二階段：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后期（即24～48 h），也是混凝土力學(xué)強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)階段，在這一階段的混凝土力學(xué)強(qiáng)度繼續(xù)增加，但增長(zhǎng)率明顯低于第一階段。因此，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件而言，前48 h是混凝土力學(xué)強(qiáng)度增長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期。[FL）]

2.2 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土動(dòng)彈性模量分析

混凝土的動(dòng)彈性模量是混凝土抵抗力變形能力的重要指標(biāo)，蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期間混凝土動(dòng)彈性模量結(jié)果如圖3所示。在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土動(dòng)彈性模量的變化可分為兩個(gè)階段。在第一階段（0～12 h），混凝土動(dòng)彈性模量呈線性快速增長(zhǎng)特征，達(dá)到最終動(dòng)彈性模量的82%，這表明蒸養(yǎng)條件下混凝土動(dòng)彈性模量主要形成于養(yǎng)護(hù)第一階段。在第二階段，混凝土動(dòng)彈性模量的增長(zhǎng)速率明顯放緩。相較于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)而言，混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下動(dòng)彈性模量持續(xù)增長(zhǎng)且變化相對(duì)平緩。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中混凝土動(dòng)彈性模量比蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中混凝土動(dòng)彈性模量增長(zhǎng)緩慢。但在養(yǎng)護(hù)后期（30～48 h），標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中混凝土動(dòng)彈性模量的增長(zhǎng)速率明顯高于蒸汽養(yǎng)護(hù)下混凝土。究其原因是蒸汽養(yǎng)護(hù)條件促進(jìn)了混凝土中水泥水化反應(yīng)，從而加速了動(dòng)彈性模量增長(zhǎng)。然而，由于水泥快速水化，混凝土中一些微小氣泡在蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中沒(méi)有及時(shí)排出而硬化。因此，混凝土內(nèi)部微孔率增加，后期動(dòng)彈性模量增長(zhǎng)較緩慢。說(shuō)明蒸汽養(yǎng)護(hù)可能影響混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其后期強(qiáng)度和耐久性。

2.3 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于不同養(yǎng)護(hù)條件，混凝土的宏觀力學(xué)性能通常受水泥水化程度及其產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)影響。圖4（a）（b）分別為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)12 h后混凝土微觀結(jié)構(gòu)，其中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下水泥水化產(chǎn)物覆蓋面積較小且水泥水化不充分，導(dǎo)致試件早期強(qiáng)度較低；蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下水泥水化程度更高，但微觀結(jié)構(gòu)受高溫影響而出現(xiàn)一些微裂紋。因此，如若蒸汽養(yǎng)護(hù)條件不適當(dāng)，不僅影響水泥的早期水化產(chǎn)物，還會(huì)影響水泥的微觀結(jié)構(gòu)，溫度越高對(duì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響就越顯著。圖4（c）（d）所示為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)24 h后，試樣充分水化，水化產(chǎn)物顯著增加，兩者均產(chǎn)生大量鈣礬石（AFt），混凝土強(qiáng)度顯著提高。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件相比，50 ℃下蒸汽養(yǎng)護(hù)條件產(chǎn)生的AFt更為充分，這表明蒸汽養(yǎng)護(hù)促進(jìn)了水泥水化過(guò)程，蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度顯著高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土。從圖4（e）（f）可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)條件48 h后，產(chǎn)物AFt減少，但C-S-H顯著增加，這是因?yàn)樵诟邷貭顟B(tài)下AFt不穩(wěn)定，產(chǎn)生了更穩(wěn)定的C-S-H。通過(guò)比較不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下混凝土的微觀結(jié)構(gòu)可以看出，盡管標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下水化產(chǎn)物數(shù)量明顯較少，但水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更致密，這也是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后期混凝土動(dòng)彈性模量增長(zhǎng)率高于蒸汽養(yǎng)護(hù)的主要原因。

3 結(jié)語(yǔ)

文章研究了蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土早期力學(xué)性能的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的早期強(qiáng)度增速明顯高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)階段。第一（0～12 h）、第二（12～30 h）階段是混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵養(yǎng)護(hù)時(shí)期，可分別達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%和80%。實(shí)際工程中應(yīng)注重蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土前30 h性能。

（2）蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的動(dòng)彈性模量主要形成于前期（0～12 h），呈線性快速增長(zhǎng)特征，達(dá)到動(dòng)彈性模量的82%，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土動(dòng)彈性模量的增速相對(duì)較慢。

（3）蒸汽養(yǎng)護(hù)期間會(huì)加速生成AFt和C-S-H凝膠，這些水化產(chǎn)物可有效提高混凝土的早期強(qiáng)度。然而，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更致密。

參考文獻(xiàn)

［1］譚東航.高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土T梁工廠化預(yù)制技術(shù)研究［J］. 西部交通科技，2023（5）：149-151.

［2］王鵬剛，付 華，郭騰飛，等.蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土變形行為及開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2022，36（24）：86-93.

［3］陳一榮，唐紅艷，韋遠(yuǎn)露，等.基于BIM的智慧梁場(chǎng)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.西部交通科技，2023（8）：86-88.

［4］閻培渝，黎夢(mèng)圓，周予啟.高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土試件強(qiáng)度損失的原因分析［J］.電子顯微學(xué)報(bào)，2019，38（1）：82-86.

［5］凌 敏.隧道中混凝土硫酸鹽侵蝕機(jī)理及對(duì)策分析［J］.西部交通科技，2020（12）：127-129.

［6］Gallucci E.，Zhang X.，Scrivener K.L.Effect of temperature on the microstructure of calcium silicate hydrate（C-S-H）［J］.Cement and Concrete Research，2013（53）：185-195.

收稿日期：2024-03-08

作者簡(jiǎn)介：黃航韜（1988—），工程師，主要從事公路建設(shè)管理工作。