蒸養(yǎng)工藝對路緣石性能的影響

賈義衛(wèi),楊 曉,馮偉風(fēng),王先亮,程 志

(1.山東金鵬交通能源科技有限公司,濟(jì)寧 272413; 2.山東里海工程技術(shù)有限公司,濟(jì)南 250003)

預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中,熱處理會提高水泥水化反應(yīng)速率,提高混凝土早期強(qiáng)度。為了提高混凝土構(gòu)件的脫模效率和生產(chǎn)效率,通常會在養(yǎng)護(hù)前期使用蒸汽養(yǎng)護(hù)[1,2]。蒸汽養(yǎng)護(hù)包括靜停階段、升溫階段、恒溫階段和降溫階段。靜停階段是混凝土提高初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要時(shí)期,升溫階段是影響混凝土結(jié)構(gòu)的形成的關(guān)鍵時(shí)期,恒溫階段是混凝土性能增強(qiáng)的關(guān)鍵時(shí)期[3,4]。目前,相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對混凝土蒸養(yǎng)工藝進(jìn)行了大量研究,認(rèn)為與混凝土的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比,雖然蒸養(yǎng)過程中水化產(chǎn)物并沒有發(fā)生明顯改變,但是其原材料反應(yīng)的相變過程、相變順序和水化進(jìn)程均有明顯的變化,其中涉及到的物理化學(xué)變化更加復(fù)雜,宏觀上表現(xiàn)出在不同階段采用不同的蒸養(yǎng)條件對混凝土力學(xué)性能和耐久性會產(chǎn)生明顯不同的影響[5]。對于不同強(qiáng)度等級、不同水灰比、不同制備條件下成型的混凝土,其蒸養(yǎng)工藝最佳條件也會產(chǎn)生較大差異。干硬性混凝土是采用較低水灰比制備的、需要在一定壓力條件下成型的混凝土。干硬性混凝土的蒸養(yǎng)工藝已有學(xué)者進(jìn)行詳細(xì)的研究[6],但是,在超低水灰比條件下進(jìn)行高強(qiáng)度振動(dòng)壓制干硬性混凝土路緣石的蒸養(yǎng)工藝尚未有相關(guān)研究。水灰比的降低和振動(dòng)成型荷載的進(jìn)一步升高,有利于路緣石結(jié)構(gòu)更加密實(shí),但對路緣石的蒸養(yǎng)工藝要求也所有不同。蒸汽養(yǎng)護(hù)條件設(shè)置不合理會增加混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷,導(dǎo)致混凝土綜合性能出現(xiàn)劣化。因此,有必要通過研究超低水灰比、高振動(dòng)成型荷載條件下對干硬性混凝土路緣石抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響,為干硬性混凝土路緣石生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和性能的提升提供技術(shù)支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

干硬性混凝土路緣石生產(chǎn)用原材料包括水泥、粉煤灰、砂子、碎石、外加劑和水。水泥采用山水集團(tuán)生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥;粉煤灰采用市售二級粉煤灰;骨料中,河砂細(xì)度模數(shù)2.6,含泥量0.1%;石子粒徑為3～5 mm和5～8 mm,3～5 mm碎石針片狀含量為4%,泥塊含量0.2%;5～8 mm碎石針片狀含量3%,泥塊含量0.1%。外加劑包括聚羧酸減水劑、三萜皂甙引氣劑和羥丙基甲基纖維素保水劑,減水劑減水率為29.5%,推薦摻量為2%,三萜皂甙摻量為0.03%;保水劑為十萬粘度羥丙基甲基纖維素,摻量為0.03%。

水泥和粉煤灰化學(xué)組成如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰化學(xué)組成 /%

1.2 路緣石制備

干硬性路緣石混凝土基礎(chǔ)配合比如表2所示。

表2 干硬性混凝土路緣石配合比

按表2中的配合比制備干硬性混凝土,制備時(shí)將減水劑、引氣劑和保水劑倒入水中完全溶解后,再與固體材料混合。制備成干硬性混凝土拌合物后,將拌合物加入路緣石模具內(nèi),采用振動(dòng)壓磚機(jī)壓制成型,脫模后進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。蒸養(yǎng)過程包括靜停、升溫、恒溫和降溫階段,影響因素包括靜停時(shí)間、升溫速率、恒溫時(shí)間、恒溫溫度和蒸養(yǎng)濕度等?；谏鲜鲆蛩?設(shè)置不同蒸養(yǎng)工藝條件養(yǎng)護(hù)混凝土。同時(shí),由于試驗(yàn)包括五個(gè)因素、四個(gè)水平,進(jìn)行全面試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)量較大,因此在試驗(yàn)過程中選取正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。正交設(shè)計(jì)方法能夠依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?對多種因素進(jìn)行綜合考慮,擬定出的試驗(yàn)方案克服了因缺乏經(jīng)驗(yàn)而盲目追求試驗(yàn)次數(shù)的缺陷,試驗(yàn)具有代表性且能夠?qū)Y(jié)果作出評估,結(jié)果可靠。按照試驗(yàn)中因素個(gè)數(shù)及水平個(gè)數(shù),選取L16(45)正交試驗(yàn)表,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示。

蒸養(yǎng)時(shí)間達(dá)到24 h后取出,在室溫下靜置1 h后,測試混凝土的出窯抗壓強(qiáng)度。剩余樣品轉(zhuǎn)移苫蓋后,室溫養(yǎng)護(hù)至28 d齡期,測試混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度。

表3 蒸養(yǎng)工藝參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

路緣石測試性能包括出窯抗壓強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度和吸水率。出窯抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度檢測是將路緣石從蒸養(yǎng)達(dá)到24 h和達(dá)到28 d齡期后取出,在室溫下靜置1 h,然后從面層中心處向下切割100 mm×100 mm×100 mm試樣,按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定測試抗壓強(qiáng)度?；炷谅肪壥实臏y試按JC/T 899—2016《混凝土路緣石》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

正交試驗(yàn)路緣石出窯抗壓強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度和吸水率試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)路緣石性能

從表4中可以看出,不同組合形成的蒸養(yǎng)工藝對混凝土路緣石出窯抗壓強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度和吸水率影響較大。為更好地分析不同的蒸養(yǎng)條件對混凝土路緣石性能的影響,采用極差值分析法來分析不同的蒸養(yǎng)工藝條件對路緣石力學(xué)性能和吸水率的影響,結(jié)果如表5所示。

表5 路緣石抗壓強(qiáng)度和吸水率均值和極差值

從表5中可以看出,各影響因素對路緣石抗壓強(qiáng)度的影響程度重要性不同,對于不同齡期的路緣石抗壓強(qiáng)度主次影響因素也存在較大差異。對于路緣石出窯抗壓強(qiáng)度而言,影響程度從大到小依次為:恒溫溫度>靜停時(shí)間>蒸養(yǎng)濕度>恒溫時(shí)間>升溫速率。對于路緣石28 d抗壓強(qiáng)度而言,影響程度從大到小依次為:蒸養(yǎng)濕度>靜停時(shí)間>恒溫溫度>恒溫時(shí)間>升溫速率。對于路緣石吸水率而言,影響程度從大到小依次為:靜停時(shí)間>蒸養(yǎng)濕度>恒溫時(shí)間>升溫速度>恒溫溫度。

混凝土在高溫蒸養(yǎng)過程中易受到熱脹作用的影響。蒸養(yǎng)之前的靜停時(shí)間越長,其初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越高,抵抗熱脹作用的能力越高,那么蒸養(yǎng)過程中的熱脹作用對混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響就越能夠被消減,同時(shí)對混凝土后期強(qiáng)度的增長和耐久性的提升也具有重要意義。蒸養(yǎng)初期的升溫階段是需要蒸養(yǎng)試塊達(dá)到蒸養(yǎng)溫度的必經(jīng)階段。升溫速率的高低對混凝土試件的性能影響較大。一般而言,隨著升溫速率的提升,水泥水化速度會明顯加快,快速提高混凝土的早期強(qiáng)度,但是當(dāng)升溫速率過快,則會造成混凝土內(nèi)部的水分子和空氣的熱脹作用出現(xiàn)快速增加,從而對混凝土結(jié)構(gòu)造成內(nèi)在破壞壓力,影響混凝土整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而造成混凝土性能劣化。而且,在升溫過程中,升溫速率過快,也會加快混凝土內(nèi)外部水分子通過毛細(xì)孔的遷移速率,從而造成更多的連通孔,對混凝土抗壓強(qiáng)度、吸水率、耐久性等造成不利影響。同時(shí),升溫速率過快會造成內(nèi)外溫差不均衡,外部水化反應(yīng)劇烈,但是由于溫度傳導(dǎo)需要時(shí)間,內(nèi)部反應(yīng)速度較慢,使其內(nèi)外強(qiáng)度發(fā)展不均勻,從而產(chǎn)生不同程度的微裂紋,對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。蒸養(yǎng)升溫之后的恒溫階段是蒸養(yǎng)過程中水化反應(yīng)的重要階段,是混凝土結(jié)構(gòu)體進(jìn)行強(qiáng)度提升和結(jié)構(gòu)加固的重要階段。在該階段,影響蒸養(yǎng)工藝的主要因素包括恒溫的時(shí)間長短和恒溫的溫度高低。根據(jù)現(xiàn)有研究,恒溫溫度越高,越能夠促進(jìn)水泥水化,也有助于加快摻合料粉煤灰活性的激發(fā),提高混凝土路緣石的早期強(qiáng)度;但是當(dāng)恒溫溫度過高時(shí),則會造成蒸養(yǎng)過程中膠凝材料水化反應(yīng)劇烈,內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化加快,影響混凝土構(gòu)件整體的穩(wěn)定性。一般而言,隨著恒溫時(shí)間的延長,混凝土的水化反應(yīng)程度越高,越能夠提高混凝土的早期強(qiáng)度。但是現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),恒溫時(shí)間過長,會造成混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)上下波動(dòng)發(fā)展,反而不會繼續(xù)對混凝土強(qiáng)度的提升產(chǎn)生積極作用。因此,控制恒溫階段的恒溫溫度和恒溫時(shí)間對混凝土性能的優(yōu)化至關(guān)重要。除此之外,影響整個(gè)蒸養(yǎng)過程中的因素主要是蒸養(yǎng)濕度。蒸養(yǎng)濕度主要影響混凝土水化速率和進(jìn)程,蒸養(yǎng)濕度越高,水泥水化過程中自由水含量越充足,水泥中參與水化離子溶出濃度和溶出速率增加,有利于水泥水化反應(yīng)。反之,蒸養(yǎng)濕度越低,反而需要從混凝土表面逐漸吸收水分以達(dá)到內(nèi)外濕度平衡,反而會造成混凝土微裂紋產(chǎn)生,造成混凝土強(qiáng)度下降。

根據(jù)上述蒸養(yǎng)工藝中不同因素的影響規(guī)律,結(jié)合路緣石出窯抗壓強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度和吸水率影響因素影響程度的大小分析,可以看出,無論是出窯抗壓強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度還是抗水滲透能力的提升,都需要保證混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,減少內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生,保證混凝土試件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此,抵抗混凝土蒸養(yǎng)過程中熱脹作用影響的靜停時(shí)間、影響混凝土水化反應(yīng)速度和反應(yīng)穩(wěn)定的蒸養(yǎng)濕度、影響混凝土反應(yīng)速率的蒸養(yǎng)溫度是較為重要的因素。而升溫速率雖然是影響混凝土水化反應(yīng)的重要因素,但是其本身升溫速率從5 ℃/h提高至20 ℃/h,其升溫時(shí)間較短,對于干硬性混凝土這種本身通過高強(qiáng)度壓制而成的混凝土結(jié)構(gòu)本身的影響較小。恒溫時(shí)間的影響較小也說明在試驗(yàn)條件下設(shè)置的養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi),其強(qiáng)度增長已達(dá)到相對穩(wěn)定的趨勢,其本身的長短,對混凝土出窯抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度影響較小,尤其是恒溫階段后期,采取的是被動(dòng)降溫過程,在降溫過程中也能夠進(jìn)行長時(shí)間的水化,整個(gè)蒸養(yǎng)過程的時(shí)間持續(xù)達(dá)24 h,因此可以極大地削弱恒溫時(shí)間的影響。而在靜停時(shí)間、蒸養(yǎng)濕度和蒸養(yǎng)溫度中,對于出窯抗壓強(qiáng)度而言,蒸養(yǎng)溫度的提升能夠最大程度提高混凝土水泥水化反應(yīng)速率,對于其早期強(qiáng)度提升最為有利;而早期混凝土中的含水率相對充足,蒸養(yǎng)濕度影響相對較低,所以影響相對較小。但是對于28 d抗壓強(qiáng)度而言,早期蒸養(yǎng)濕度能夠極大程度地提高干硬性混凝土內(nèi)部的濕度和含水量,在蒸養(yǎng)結(jié)束后的苫蓋室溫養(yǎng)護(hù)過程中能夠進(jìn)一步促進(jìn)水泥水化,提高混凝土抗壓強(qiáng)度。因?yàn)楦捎残曰炷梁蕵O低,僅有0.18,所以濕度對其重要性至關(guān)重要,因此在28 d抗壓強(qiáng)度的影響因素中,蒸養(yǎng)濕度最為重要。對于吸水率而言,在混凝土配合比相同、密實(shí)度相同的情況下,要提高混凝土吸水率,則需要盡可能減少內(nèi)部缺陷,減少內(nèi)外連通孔隙的數(shù)量,因此蒸養(yǎng)前用于抵抗蒸養(yǎng)過程中熱脹影響的靜停時(shí)間最為重要,而蒸養(yǎng)濕度有利于提高后期強(qiáng)度,改善其吸水率,也較為重要。恒溫溫度和升溫速度的影響則相對較小。

通過對不同因素的均值分析,可知路緣石出窯抗壓強(qiáng)度最佳蒸養(yǎng)條件為靜停時(shí)間控制在4.5～6.5 h,升溫速率控制在5～15 ℃/h之間,恒溫時(shí)間9 h,恒溫溫度65 ℃,蒸養(yǎng)濕度85%～95%。路緣石28 d抗壓強(qiáng)度最佳蒸養(yǎng)條件為靜停時(shí)間6.5 h,升溫速率為10 ℃/h,恒溫時(shí)間9～12 h,恒溫溫度55 ℃,蒸養(yǎng)濕度85%～95%。路緣石吸水率最佳蒸養(yǎng)條件為靜停時(shí)間6.5 h,升溫速率為10 ℃/h,恒溫時(shí)間9 h,恒溫溫度55～65 ℃,蒸養(yǎng)濕度85%～95%。

3 結(jié) 語

通過對超低水灰比高成型壓力條件下制備的干硬性混凝土蒸養(yǎng)工藝的研究,基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析了蒸養(yǎng)過程中靜停時(shí)間、升溫速率、恒溫溫度、恒溫時(shí)間以及蒸養(yǎng)濕度對路緣石出窯抗壓強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響。

研究結(jié)果表明,上述因素中,對路緣石出窯抗壓強(qiáng)影響程度從大到小依次為:恒溫溫度>靜停時(shí)間>蒸養(yǎng)濕度>恒溫時(shí)間>升溫速率;對路緣石28 d抗壓強(qiáng)度影響程度從大到小依次為:蒸養(yǎng)濕度>靜停時(shí)間>恒溫溫度>恒溫時(shí)間>升溫速率;對路緣石吸水率程度從大到小依次為:靜停時(shí)間>蒸養(yǎng)濕度>恒溫時(shí)間>升溫速度>恒溫溫度。通過對不同因素的均值分析,路緣石蒸養(yǎng)工藝的條件設(shè)定為靜停時(shí)間為4.5～6.5 h,升溫速率為10 ℃/h,恒溫時(shí)間9 h,恒溫溫度55 ℃,蒸養(yǎng)濕度85%～95%。