蒸養水泥基材料的腫脹變形規律與控制

賀智敏 ，龍廣成，謝友均，柳俊哲

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075；2. 寧波大學 建筑工程與環境學院，浙江 寧波，315211)

蒸養是預制混凝土構件生產的重要養護方式之一。混凝土在蒸養過程中涉及復雜的物理化學作用。研究實踐表明，蒸養會導致混凝土內部孔隙結構產生不利影響[1-5]；同時蒸養后的混凝土也會產生體積膨脹現象，習慣上稱為“蒸養腫脹變形”[6-8]。混凝土的蒸養腫脹變形對其長期性能及構件質量產生重要影響[6]。為此，國內外研究人員就蒸養混凝土的腫脹變形及其影響進行了研究。錢荷雯等[7]試驗研究表明蒸養過程中的游離水、空氣及其他組分體積膨脹對蒸養后水泥石強度存在顯著不利影響。吳中偉等[8]采用螺旋測微器測量了試件在蒸養恒溫溫度100 ℃條件下的腫脹變形，表明砂漿和混凝土初期結構強度為2 MPa時開始蒸養，其在蒸養過程產生的腫脹變形(殘余變形)最小，同時表明采用二次振搗和蒸養時用外力抑制砂漿及混凝土膨脹等措施，可有效提高蒸養效果及減少試件的腫脹變形。Erdem 等[9]認為蒸養混凝土的預養(靜停)時間長短應為混凝土初凝所需的時間，從而使混凝土不產生過大的腫脹變形，并且有利于蒸養混凝土的后期強度發展。Alexanderson[10]觀察到，當預養時間為4～7 h條件下，蒸養混凝土的腫脹幾乎可以忽略，且蒸養混凝土后期強度不會倒縮。分析表明，既有的工作主要集中在蒸養制度對蒸養混凝土腫脹變形的影響等方面，有關蒸養過程各階段混凝土的變形行為以及不同組成混凝土的腫脹變形規律未見系統的研究成果，而有關蒸養混凝土腫脹變形的關鍵控制因素也有待進一步探索。為此，本文作者結合我國高速鐵路工程結構中軌枕、軌道板和預應力簡支梁體等蒸養預制構件采用的蒸養工藝條件，進一步調查和探討蒸養過程中水泥基材料的腫脹變形規律及其關鍵控制因素，以為生產高質量蒸養混凝土預制構件提供技術支持。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥采用中國建材院提供的 42.5級基準水泥(Referenced cement)和湖南韶峰 42.5級普通水泥(P.O.42.5)；粉煤灰(UFA)采用湖南湘潭電廠Ⅰ級粉煤灰，比表面積為510 m2/kg，密度為2.41 g/cm3；礦渣(GGBS)為湘潭鋼廠提供，比表面積為450 m2/kg；硅灰(SF)為西北鐵合金提供，比表面積為18 500 m2/kg；水泥、粉煤灰、礦渣和硅灰的化學成分見表 1。細骨料為湖南湘江產中砂，細度模數為2.88，Ⅱ區級配合格，過5 mm篩；減水劑為上海花王有限公司產萘磺酸鹽高效減水劑(邁地100)；拌合水采用潔凈自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 試件成型

本文試驗分為兩批進行，第1批測試了5組不同膠凝材料組成的砂漿試件在蒸養過程中的變形隨蒸養時間的變化規律，試驗配比如表2所示；第2批測試不同組成對試件腫脹變形的影響，采用水泥凈漿、砂漿試件，砂漿的砂膠比為2.5，粉煤灰、礦渣分別等質量取代水泥。

按照標準試驗方法拌合水泥凈漿、砂漿后，分別將拌合料采用端部打磨的硬質塑料管成型尺寸(直徑×長度)為50 mm×280 mm的試件，并分三層振搗密實。成型后采用塑料薄膜覆蓋端面并置于(20±2) ℃環境箱中，避免擾動。對于第1批試驗，在試件成型1 h后安裝千分表，為消除塑性沉降等變形，在成型1.5 h后開始讀數，成型3 h后開始升溫，升溫2 h到60 ℃，60 ℃恒溫8 h，降溫1 h。第2批試驗的測試方法和條件與第1批同，但試件的靜停時間為4 h，其余蒸養條件與上述同，并以蒸養開始至蒸養結束后的變形為腫脹變形結果。

1.2.2 測試方法

(1) 蒸養開始前的自由水含量。在凈漿和砂漿試件成型的同時，采用塑料杯裝半杯凈漿或砂漿，置于試件相同的條件下養護，預養結束后立即將杯子中的凈漿或砂漿塊破碎，立刻取其中間部分碎片置于密閉容器內，稱重后將樣品于105 ℃下烘干至恒重后再稱其質量，以獲得試件在蒸養開始前的自由水量。

表1 基準水泥、普通水泥、粉煤灰、礦渣以及硅灰的化學組成(質量分數)Table 1 Chemical compositions of referenced cements, P.O 42.5, UFA, GGBS and SF %

表2 試件配合比Table 2 Mix proportions of samples

(2) 蒸養過程中的變形測試。蒸養過程中的腫脹變形測試裝置主要包括定制的測試架、數字式千分表、恒溫水浴箱、剛性支座以及數據采集系統等幾部分組成，該裝置與電腦連接后，可自動記錄數據并儲存，裝置照片見圖 1。為使試件在蒸養過程中能進行與成型面垂直方向的自由變形，試模的內壁做光滑處理以減小摩擦。在漿體拌和均勻后，分三層裝入試模，每層裝料高度約為試模高度的 1/3，每層裝料后振實60次，再裝入第二層，成型好后抹平成型面，并在成型面上水平的嵌入薄型玻片，以安裝測試千分表。

圖1 蒸養試件腫脹變形測試裝置Fig.1 Experimental set-up for expansive deformation measurement of steam-cured samples

(3) 水化產物成分分析。將不同養護試件各齡期的試樣取中心部分用無水乙醇終止水化，在真空干燥箱(溫度為45 ℃)中真空干燥至恒重。通過微型球磨機研磨成粉末，用X線衍射儀進行水化產物的物相分析。用 XRD(從 5°以 6 (°)/min 的速度掃面到 75°)研究水化產物物相種類及晶態物質、非晶態物質的含量變化。

2 結果與分析

2.1 試件在蒸養過程各階段的腫脹變形規律

采用如表2所示的配比，試驗測試得到的各砂漿試件變形量隨蒸養時間的結果如圖2所示。

從圖2可以看出：在靜停階段，除C1試件和C5試件有少量塑性沉降收縮外，其他試件的變形都基本穩定；在開始蒸養的升溫階段，各試件隨著蒸養溫度的上升而呈現快速增加趨勢，其中基準水泥(C1)和摻粉煤灰硅灰的普通水泥砂漿(C5)在蒸養升溫階段的膨脹變形量最大，而摻粉煤灰、礦渣以及硅灰的基準水泥膠砂試件(C3)的膨脹為最小，摻粉煤灰、礦渣的基準水泥膠砂試件(C2)的膨脹量也較小，C4試件的膨脹量處于中間位置。進入恒溫階段后至蒸養結束后的時間內，試件的腫脹變形在經歷短暫的下降后逐漸趨于穩定。

本文作者認為：試驗所測得的蒸養過程中試件的腫脹變形是多種變形綜合作用的結果，其中涉及到溫度升高引起的水、汽膨脹變形、水泥水化以及水化引起的自干燥變形等。在升溫階段，試件因水化作用少，內部結構強度尚不足以抵抗水、汽膨脹作用導致了較大的變形，且變形增長速度快；進入恒溫階段后，隨著水化的逐漸進行，一方面內部的自由水含量減少，另一方面試件抵抗膨脹變形的能力增強，而且試件內部水化加速過程導致的自干燥效應引起一定的自收縮變形，因而蒸養試件的膨脹變形又呈現下降趨勢并趨于穩定。結果表明：各試件的腫脹變形主要發生在升溫階段的初始結構形成期，升溫過程對于試件的腫脹變形起關鍵作用；而且膠凝材料組成也是影響試件腫脹變形的重要因素，基準水泥與粉煤灰、礦渣以及硅灰復合摻入最有利于降低試件的腫脹變形。這應歸因于在低水膠比和蒸養條件下，特別有利于發揮礦物摻合料的作用，將粉煤灰、礦渣以及硅灰以合適的復合比例和總摻量取代部分水泥，產生了礦物摻合料的“超疊復合效應”。不僅改善體系堆積密實度，減少其中的自由水含量，且硅灰的高活性提高了膠凝材料體系的水化程度，砂漿早期抵抗水汽膨脹作用的能力增強。

圖2 蒸養過程中不同試件的腫脹變形發展規律Fig.2 Expansive deformation change of different samples in steam curing process

2.2 水膠比對蒸養試件腫脹變形量的影響

采用普通水泥凈漿及砂漿(砂與普通水泥質量比為 2.5)研究了水膠比變化對蒸養后試件腫脹變形量的影響，結果見圖3。由圖3可以看出：隨水膠比的增大，蒸養凈漿和砂漿的腫脹變形均隨之增大。預養期結束后，高水膠比試件中的自由水含量依然較高，凝結硬化較慢，初始結構強度低，抵抗氣相、液相腫脹的作用弱，這是造成蒸養后膨脹變形較大的主要原因。因此生產蒸養預制構件時，應盡量采用低水膠比拌合物，增大水膠比時應相應的延長預養時間，減少蒸養前試件中自由水含量，以提高水化蒸養前試件的初始結構強度[2-3]。

比較水膠比同為0.35的凈漿和砂漿試件，發現凈漿的腫脹變形值比砂漿的約增加20%。這應歸因于砂漿和凈漿兩種體系的不同結構特點，砂漿中膠凝材料用量大為減少，減弱了氣相、液相在水泥石中發生的膨脹破壞作用；同時由于細集料的存在，水泥漿包裹細集料并填充細集料之間的空隙，且細集料的線膨脹系數比硬化后水泥石小約2倍，在蒸養過程中，水泥石尚未硬化，可以推知二者的膨脹系數相差更大，所以在氣相、液相受熱膨脹時，細集料可以起骨架限制作用，能在一定程度上限制水泥石的膨脹，提高密實度，減少初始裂縫，減小腫脹變形；細集料與凈漿的連接面可能也會像混凝土中界面過渡區一樣比本體材料的強度要低，不利于抵抗氣相、液相的膨脹。由于細集料起的積極作用占主導，導致相同蒸養條件下同水膠比時砂漿比凈漿的腫脹變形量要小。

圖3 不同水灰比普通水泥凈漿和砂漿的腫脹變形量Fig.3 Expansive deformation value change of paste and mortar samples

2.3 礦物摻合料摻量對蒸養試件腫脹變形量的影響

采用水膠比為0.25的凈漿、水膠比為0.35的砂漿(砂與膠凝材料質量比為 2.5)研究了粉煤灰、礦渣摻量對凈漿和砂漿蒸養腫脹變形量的影響，結果見圖 4和圖5。由圖4可知：摻粉煤灰的凈漿和砂漿的腫脹變形均比未摻的空白組低，摻 10%粉煤灰凈漿的腫脹變形為1.370 mm/m，未摻粉煤灰的空白組的腫脹變形為1.809 mm/m，粉煤灰的摻入顯著減小了蒸養后試件的腫脹變形，隨粉煤灰摻量增加，凈漿和砂漿試件的腫脹變形均呈先減小后增加的趨勢。在本文所用原材料和采取的蒸養制度下，粉煤灰摻量為20%時試件的腫脹變形最小，凈漿試件的腫脹變形為 1.340 mm/m，砂漿試件的腫脹變形為1.630 mm/m。

不同礦渣摻量的凈漿和砂漿試件的腫脹變形結果如圖5所示。從圖5可知：凈漿和砂漿試件腫脹變形量隨礦渣摻量的變化規律與摻粉煤灰時的相似，總體上呈先減小后增大的趨勢。在本試驗所用原材料和所選蒸養制度下，摻20%～30%礦渣的凈漿和砂漿的腫脹變形量最小，比未摻的空白組的下降約15%。

摻粉煤灰、礦渣后蒸養試件的腫脹變形減小可能主要得益于礦物摻合料的形態效應、微集料效應以及火山灰效應作用[11]。在蒸養過程中，粉煤灰、礦渣的微集料效應，不但提高了漿體的密實度，而且高彈性模量的礦物摻合料顆粒可為水泥水化反應提供結晶內核，起到限制變形的作用；同時，蒸養過程中高溫、高濕環境促進了礦物摻合料二次水化反應的發生，促進了粉煤灰和礦渣活性的發揮[12]。適當摻入礦物摻合料改善了純水泥漿體對蒸養過程的適應性，細化了孔結構并強化了界面，故能減少試件的腫脹變形量。然而，由于礦物摻合料的活性比水泥小，摻量過多使體系中水化產物的數量顯著減少[13]，蒸養前試件中自由水量增大，凝結硬化變慢，初始結構強度降低，這些都不利于試件抵制蒸養過程中所產生的腫脹變形。如凈漿中粉煤灰摻量40%時，腫脹變形比摻20%時高出11.9%；而砂漿中粉煤灰摻量 30%時，腫脹變形量比摻20%時高出19.6%。為較好控制蒸養試件的腫脹變形，粉煤灰摻量宜不超過20%，礦渣摻量不超過30%。

圖4 摻粉煤灰試件的腫脹變形量Fig.4 Expansive deformation value change of samples with FA

圖5 摻礦渣試件的腫脹變形量Fig.5 Expansive deformation value change of samples with GGBS

2.4 蒸養試件腫脹變形發生機制討論

蒸養水泥漿體或砂漿由固相(未水化的膠凝材料顆粒、骨料及水化產物)、水以及孔隙等幾部分組成。由熱膨脹理論可知，在蒸養過程中試件各組分均要發生不同程度的膨脹變形，如溫度從20 ℃升至60 ℃時，自由水約發生1.5%的相對體積增量。顯然，一部分體積膨脹可由原來體系內的孔隙補償，而進一步的體積膨脹則將受到固相的限制約束作用，并逐漸在試件內形成膨脹壓力，并對試件內部微結構產生拉應力的拆開作用，因而總體上試件發生膨脹變形。

以下從體系蒸養前的自由水含量及水化物相兩方面分析了蒸養水泥基材料腫脹變形的關鍵控制因素。結合上述試驗結果，圖6給出了試件在蒸養前自由水含量與其蒸養腫脹變形之間的相關性分析結果，圖 7所示為蒸養前后以及標養 32 h(此時假定與蒸養結束時的試件具有相同的成熟度)試件水化產物的XRD分析結果。

圖6 試件蒸養前自由水含量與腫脹變形的相關性Fig.6 Correlation between expansive deformation and free water content before steam curing for samples

從圖6可知：試件的腫脹變形與蒸養前的自由水含量(若忽略水化以及其他試驗條件的影響，自由水含量與初始用水量相當)之間存在明顯對應關系，當試件的自由水含量較低時(如不大于 30%)，隨著自由水含量的增加，試件的腫脹變形幾乎保持不變；而當試件中的自由水含量大于30%后，試件的腫脹變形量隨著自由水含量的增加而呈現快速增加的趨勢。本文認為，上述結果是合理的。當自由水含量較低時，體系中的水主要被吸附在顆粒表面，顆粒之間相互接觸緊密，內部孔隙中存在較少的自由水，此條件下體系的腫脹變形主要是固體相產生；隨著體系自由水進一步增加(如大于 30%)，則蒸養前體系自由水除了吸附在固體顆粒表面外，還有一部分自由水填充在體系孔隙中，而且體系固體顆粒之間結合也較疏松，因而，此條件下隨著自由水含量的增加試件的腫脹變形隨之快速增加。

圖7 不同膠凝材料體系試樣XRD譜Fig.7 XRD patterns of samples with different binders composition

圖7所示為各試件水化產物的XRD分析結果。從圖7可知：不管是蒸養前、蒸養后還是標養試件，所分析得到的水化產物類型基本相同，僅是水化產物數量有所差別，而且其他測試結果也表明，產物形貌也無顯著區別。本文的結論與一些學者的研究較為吻合，文獻[6, 14-15]認為硅酸鹽水泥在100 ℃以下溫度中熱養護后的水化新生物，同在常溫下養護后的水化新生物相比較，并無差別，增加溫度導致初始水化加速，早期生成更多的水化產物；文獻[16-17]認為蒸養后易于形成更為密實的C—S—H，C—S—H凝膠聚合度增加和硅氧四面體鏈數量增多，可觀察到短的針狀鈣礬石，較高溫度下養護生成的水化產物較為粗大，分布更不均勻，且孔隙粗化。這表明，試件的腫脹變形并不是因為蒸養過程導致了新類型的水化產物生成而造成的。

3 結論

(1) 蒸養過程中水泥基材料的腫脹變形主要發生在升溫階段的初始結構形成期，進入恒溫階段后，試件的腫脹變形經歷短暫下降后趨于穩定。

(2) 水泥基材料的腫脹變形主要受蒸養前體系的固相組成及自由水含量(與初始用水量相當)的影響。

(3) 采用粉煤灰、礦渣以及硅灰等礦物摻合料取代部分水泥，不僅有效提高了體系固相的堆積密實度，而且高彈性模量的礦物摻合料顆粒也增強了體系內固相限制膨脹變形的作用；水灰(膠)比的增加，增大了體系的自由水含量，因而增加試件在蒸養過程中的腫脹變形。為較好控制蒸養水泥基材料的腫脹變形，初始水灰(膠)比宜不大于 30%，并以適當摻量的礦物摻合料取代部分水泥。

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