養(yǎng)護(hù)過(guò)程對(duì)管片混凝土質(zhì)量影響的研究

付 裕

（中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100040）

1 研究意義

盾構(gòu)管片的批量生產(chǎn)需要依靠混凝土本身強(qiáng)度的早期發(fā)展，而混凝土早期強(qiáng)度主要來(lái)自水泥水化產(chǎn)物的強(qiáng)度、骨料強(qiáng)度、水泥-骨料界面強(qiáng)度。對(duì)于普通混凝土來(lái)說(shuō)，水泥-骨料界面強(qiáng)度主宰著混凝土的最終強(qiáng)度，其形成主要在養(yǎng)護(hù)階段[1]。溫度越高和養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度發(fā)展越快，有利于管片早期強(qiáng)度的產(chǎn)生。然而，混凝土早期長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，可能會(huì)形成延遲鈣礬石，導(dǎo)致硬化混凝土膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂和力學(xué)性能的下降[2]。

水養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)是管片蒸汽養(yǎng)護(hù)后常見(jiàn)的養(yǎng)護(hù)方法，但在冬季，管片構(gòu)件可能會(huì)受到強(qiáng)烈的溫差沖擊，影響構(gòu)件強(qiáng)度[3]。強(qiáng)烈的溫差沖擊會(huì)使得混凝土表面產(chǎn)生溫度裂縫，這些裂縫提供了外界水分的滲透路徑，削弱混凝土保護(hù)層的強(qiáng)度，并大幅降低其耐久性[4]。

《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50164—2011）僅提供了混凝土養(yǎng)護(hù)的最低標(biāo)準(zhǔn)。例如，固化過(guò)程必須在水泥達(dá)到初始固化后開(kāi)始，固化溫度必須提高到最大值并保持一定的周期，然后使其逐漸下降；養(yǎng)護(hù)溫度必須大于20℃±2℃，相對(duì)濕度大于95%。然而，在管片混凝土的固化過(guò)程中，所有因素（養(yǎng)護(hù)期、最高溫度和加熱和冷卻速率）都是相互關(guān)聯(lián)的，任何一部分的變化可能都會(huì)影響其他部分，因此通常應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定最佳養(yǎng)護(hù)方案[3-4]。如何在保證管片生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)，允許在同一設(shè)施中生產(chǎn)更多的管片是此次研究的主要方向，對(duì)于管片廠的生產(chǎn)指導(dǎo)也具有非常重要的意義。

2 實(shí)驗(yàn)方案說(shuō)明

2.1 材料組成和比例

水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰選用Ⅱ級(jí)F類(lèi)粉煤灰。外加劑采用減水率高、坍落度損失小、適量引氣、能明顯提高混凝土耐久性且質(zhì)量穩(wěn)定的聚羧酸減水劑，與水泥之間有良好的相容性。粗骨料和細(xì)骨料（砂）采用天然料場(chǎng)和人工料場(chǎng)生產(chǎn)的骨料。試驗(yàn)用砂為Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為2620kg/m3，堆積密度為1520kg/m3。試驗(yàn)用碎石規(guī)格為5～25mm，表觀密度為2640kg/m3，堆積密度為1420kg/m3。試驗(yàn)用水為自來(lái)水。試驗(yàn)管片混凝土為C50P2抗?jié)B管片混凝土。

2.2 試驗(yàn)程序

目前常用的預(yù)制構(gòu)件養(yǎng)護(hù)模式為混凝土管片澆筑完成后靜停養(yǎng)護(hù)3h后，進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。蒸汽養(yǎng)護(hù)分為3個(gè)階段，升溫階段、恒溫階段和降溫階段。每個(gè)階段利用隔板及溫度傳感器、電磁閥控制蒸汽量確保各溫區(qū)的溫度和時(shí)長(zhǎng)都可以得到有效控制。通過(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)后，管片由平板拖車(chē)運(yùn)至水養(yǎng)池進(jìn)行7d水養(yǎng)。外運(yùn)的管片必須確保整體溫度與室外溫度差不大于20℃。管片在水養(yǎng)7d后轉(zhuǎn)至存儲(chǔ)區(qū)，進(jìn)行管片淋水養(yǎng)護(hù)，淋水范圍覆蓋所有管片，養(yǎng)護(hù)期內(nèi)保持管片表面濕潤(rùn)，養(yǎng)護(hù)不少于7d。管片完成淋水養(yǎng)護(hù)后，原地放置進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)至混凝土28d齡期到期，管片在28d齡期達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)可出廠運(yùn)至各個(gè)區(qū)間。

此次試驗(yàn)主要研究的是靜停養(yǎng)護(hù)的時(shí)間及蒸養(yǎng)升溫和降溫的速率、恒溫的溫度以及恒溫養(yǎng)護(hù)的時(shí)間對(duì)管片混凝土的強(qiáng)度和裂縫數(shù)量的影響。因此，試驗(yàn)程序包括在整個(gè)養(yǎng)護(hù)期間針對(duì)每種養(yǎng)護(hù)條件測(cè)試3組混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度，測(cè)量管片混凝土產(chǎn)生裂縫的時(shí)間、裂縫個(gè)數(shù)以及裂縫寬度。

試件養(yǎng)護(hù)條件及個(gè)數(shù)如表1所示。對(duì)比組試驗(yàn)管片、混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件靜停3h后轉(zhuǎn)入蒸養(yǎng)階段，初始溫度20℃，以10℃/h的速度升溫至45℃條件下固化2h，隨后以10℃/h的速度降溫至20℃。蒸養(yǎng)階段的相對(duì)濕度均保持大于95%?；炷翗?biāo)準(zhǔn)試件（尺寸為150mm×150mm）在測(cè)試養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7d和28d后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，其結(jié)果將用以比較養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

表1 試件養(yǎng)護(hù)條件及個(gè)數(shù)

試驗(yàn)組在不同養(yǎng)護(hù)條件下，每種條件制作3組標(biāo)準(zhǔn)試件及2片混凝土管片，初始養(yǎng)護(hù)溫度均為20℃，蒸養(yǎng)階段的相對(duì)濕度均保持大于95%?；炷翗?biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度將于蒸養(yǎng)階段后、水養(yǎng)7d后以及最終養(yǎng)護(hù)到達(dá)28d后分別測(cè)試，管片試件將密切觀察試件表面上裂縫首次出現(xiàn)的時(shí)間、個(gè)數(shù)和寬度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)表1中的養(yǎng)護(hù)條件可以分別獲得蒸養(yǎng)階段后的抗壓強(qiáng)度和裂縫的情況，如表2所示。其中，對(duì)比組、試驗(yàn)1組、試驗(yàn)4組均沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，試驗(yàn)2組出現(xiàn)了1條寬小于1mm、長(zhǎng)7mm的微小細(xì)縫，試驗(yàn)3組出現(xiàn)了1條寬小于1mm、長(zhǎng)4mm的微小細(xì)縫。由表2可知，在一定范圍內(nèi)，靜停時(shí)間減少1h后的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到43.75MPa，比對(duì)比組的抗壓強(qiáng)度增加了0.6%。應(yīng)該是由于靜停2h時(shí)水化熱已經(jīng)達(dá)到了20℃，說(shuō)明混凝土水化已完全開(kāi)始，此時(shí)將試件放入蒸養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)比在常溫（小于20℃）條件更有利于水化的繼續(xù)發(fā)展，體現(xiàn)在后期應(yīng)該可以提高一定程度的長(zhǎng)期強(qiáng)度。因此，在一定范圍內(nèi)減少靜停的時(shí)間不僅可以提高一定強(qiáng)度，還能提高生產(chǎn)速率。但是，靜停時(shí)間也不可能無(wú)限縮短，因?yàn)樵谒€未開(kāi)始時(shí)就進(jìn)入蒸養(yǎng)環(huán)境會(huì)過(guò)快促進(jìn)水化，使得水化不能完全，所以后期強(qiáng)度較水化完全的時(shí)間比會(huì)降低。

表2 蒸養(yǎng)階段后標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度和管片裂縫情況

根據(jù)試驗(yàn)2組與試驗(yàn)1組抗壓強(qiáng)度的對(duì)比可以看出，升溫或降溫速率增加5℃/h，可以提高1.7%的早期強(qiáng)度。但是此時(shí)出現(xiàn)了一條寬小于1mm、長(zhǎng)7mm的微小細(xì)縫，這條細(xì)縫應(yīng)該是溫度裂縫。從蒸養(yǎng)室移除至自然環(huán)境，溫度和濕度的減少會(huì)使得混凝土產(chǎn)生溫度收縮導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。而早期強(qiáng)度增加了大約0.7MPa，是試驗(yàn)1組抗壓強(qiáng)度的1.7%，比靜停時(shí)間減少的影響0.6%還要大。由此可以看出，升溫或降溫階段溫度增加得快，強(qiáng)度增加也快，比靜停時(shí)間的減少導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的增加還要多。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因應(yīng)是溫度的升溫和降溫速度與混凝土本身水化的速度相匹配，因此，盡快到達(dá)水化熱的最高溫度可以幫助水泥水化得以充分進(jìn)行，從而提高早期強(qiáng)度。

隨著蒸養(yǎng)最高溫度的增加，如試驗(yàn)3組與試驗(yàn)2組的對(duì)比，可以得知，試件強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)的最高溫度的增加而增加2.6%。這也應(yīng)該是由于水化熱的最高溫度較高，因此，試驗(yàn)中的最高溫度促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)。這樣的作用也是在一定范圍內(nèi)的，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度過(guò)高，反而會(huì)抑制水泥的水化，不利于混凝土試件強(qiáng)度的形成。試驗(yàn)3組此時(shí)還出現(xiàn)了1條寬小于1mm、長(zhǎng)約4mm的細(xì)微裂縫。此裂縫的產(chǎn)生應(yīng)該也是溫度變化以及試驗(yàn)環(huán)境濕度的變化所導(dǎo)致的溫度裂縫。同時(shí)，試驗(yàn)3組的裂縫比試驗(yàn)2組的裂縫要短3mm，這可以說(shuō)明蒸養(yǎng)最高溫度在一定范圍內(nèi)的增加不會(huì)導(dǎo)致試件裂縫的增加。但蒸養(yǎng)溫度過(guò)高，試件因?yàn)椴煌耆?，以及溫度較大的變化而產(chǎn)生更多的裂縫，不利于管片廠高質(zhì)量的生產(chǎn)。

通過(guò)試驗(yàn)4組與試驗(yàn)3組的對(duì)比可以得知，隨著蒸養(yǎng)恒溫時(shí)間的增加，混凝土早期抗壓強(qiáng)度增加幅度不大，目前階段可以忽略不計(jì)。

將剩余試件按照水養(yǎng)護(hù)7d后再分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)，并觀察管片裂縫形成情況，如表3所示。隨后，待剩余試件自然養(yǎng)護(hù)齡期至28d時(shí)再次進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，再觀察管片裂縫的形成情況，如表4所示。

表3 水養(yǎng)護(hù)7d后標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度和管片裂縫情況

表4 自然養(yǎng)護(hù)至28d后標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度和管片裂縫情況

由表3和表4可以看出，各養(yǎng)護(hù)條件在水養(yǎng)護(hù)7d后和自然養(yǎng)護(hù)至28d后的抗壓強(qiáng)度中得以體現(xiàn)。具體可以看出以下幾點(diǎn)：（1）靜停時(shí)間的減少對(duì)于混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展有著正面的作用。靜停時(shí)間減少1h，7d抗壓強(qiáng)度可以增加0.6%，28d抗壓強(qiáng)度可以增加1.4%。這依舊應(yīng)該是較充分水化所得到的結(jié)果。（2）升溫或降溫期間溫度增加的快對(duì)后期強(qiáng)度的影響不明顯，其對(duì)早期強(qiáng)度的形成更有影響。具體體現(xiàn)在升溫或降溫速率增加5℃/h，7d抗壓強(qiáng)度增加了1.7%，此時(shí)裂縫沒(méi)有明顯變化，依舊是原來(lái)的裂縫。28d抗壓強(qiáng)度增加0.1%，裂縫寬度略微增加，但不大于1mm；長(zhǎng)度也略微增加，大約增長(zhǎng)了5mm。此時(shí)裂縫的變化主要是由于試件的收縮導(dǎo)致原裂縫的繼續(xù)增長(zhǎng)。（3）蒸養(yǎng)達(dá)到的最高溫度的增加對(duì)混凝土試件后期強(qiáng)度的影響也不大。最高溫度增加5℃，7d抗壓強(qiáng)度增加0.8%，此時(shí)裂縫寬度和長(zhǎng)度都沒(méi)有明顯的變化。28d抗壓強(qiáng)度增加0.6%，比蒸養(yǎng)結(jié)束時(shí)對(duì)強(qiáng)度的影響小，裂縫寬度也略有拓寬，但不大于1mm；長(zhǎng)度增長(zhǎng)也比較小，不大于2mm。（4）蒸養(yǎng)恒溫時(shí)間的增加可以幫助混凝土試件后期強(qiáng)度的增加。恒溫時(shí)間增加1h，7d抗壓強(qiáng)度增加了1.5%，8d抗壓強(qiáng)度增加了1.3%。

4 結(jié)束語(yǔ)

從試驗(yàn)的結(jié)果可以總結(jié)出：在一定范圍內(nèi)，管片混凝土靜停時(shí)間的減少加強(qiáng)了試件后期強(qiáng)度的發(fā)展，對(duì)試件早期強(qiáng)度影響不大；蒸養(yǎng)升溫/降溫速率的增加幫助了試件早期強(qiáng)度的形成，對(duì)后期強(qiáng)度影響不大；蒸養(yǎng)達(dá)到的最高溫度的增加對(duì)試件早期強(qiáng)度有利，對(duì)后期強(qiáng)度也有利但程度不大；蒸養(yǎng)恒溫時(shí)間的增加對(duì)試件后期強(qiáng)度幫助較大，對(duì)試件早期幫助不大[5]。

試驗(yàn)結(jié)果可以幫助管片廠得到最終的養(yǎng)護(hù)方案：靜停2h，溫度以15℃/h的速度增加到50℃，恒溫保持3h后，以15℃/h的速度降溫，隨后水養(yǎng)7d后自然養(yǎng)護(hù)至28d齡期到期。此方案在保障甚至提高管片混凝土質(zhì)量的同時(shí)，幫助提高了管片生產(chǎn)的速度，輔助提高企業(yè)合理利潤(rùn)。不只管片廠，所有混凝土構(gòu)件預(yù)制廠都應(yīng)該在投入生產(chǎn)前認(rèn)真考慮養(yǎng)護(hù)方案，在確保質(zhì)量的同時(shí)提高生產(chǎn)速率，從另一方面來(lái)說(shuō)就是節(jié)約成本，提高企業(yè)利潤(rùn)。