蒸養管片混凝土物理力學性能的影響因素研究

朱瑤宏，占 文，秦明強，李進輝

(1.寧波軌道交通工程建設指揮部，浙江寧波 315012;2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北武漢 430040;3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北武漢 430040)

寧波軌道交通1號線一期工程使用通用管片作為盾構區間襯砌。管片采用自防水混凝土進行結構自防水，混凝土強度等級為C50，抗滲等級≥P10，盾構區間主體結構設計使用壽命為100年。管片采用真空吸盤脫模，脫模強度≥15mPa，不得使用早強混凝土，為保障管片脫模強度達到要求，管片初凝后進行蒸汽養護。

本文利用寧波軌道交通工程某管片廠設計配合比，研究了蒸養主要控制參數、養護制度、水泥品種、膠材用量及水膠比等因素對管片混凝土物理力學性能的影響。

1 原材料和試驗配合比

1.1 原材料

水泥分別使用余姚舜江P.O42.5、P.Ⅱ42.5、P.O52.5水泥;粉煤灰為北侖電廠Ⅱ級粉煤灰;細集料為閩江砂，細度模數2.6;粗集料為5～25m碎石;外加劑為中交武港院聚羧酸高性能管片專用外加劑。

1.2 設計試驗配合比

設計試驗配合比如表1所示。其標養下的抗壓強度、工作性能、抗滲性能如表2所示。

由表2可知，上述設計配合比混凝土在標養條件下的工作性能、28 d力學性能、抗滲性均滿足C50預制管片的配制要求。可采用該配合比進行蒸汽養護試驗。

表1 設計試驗配合比 kg/m3

表2 標準養護條件下設計試驗配合比混凝土的性能

2 試驗方案

管片生產過程中通常采用蒸汽養護提高管片混凝土早期強度。蒸汽養護分為靜停、升溫、恒溫和降溫4個階段，主要涉及靜養時間、升溫速率、恒溫時間和恒溫溫度4個關鍵蒸養參數。

由于上述4個關鍵參數對管片混凝土的物理力學性能存在交互影響。每個因素又分為3種工況，所以采用四因素三水平正交試驗，以10 h脫模強度和28 d抗壓強度為考核指標，研究蒸養參數對管片混凝土物理力學性能的影響。

在優選的蒸養制度基礎上研究養護制度對管片混凝土力學性能的影響，建立合理的管片養護制度，進而在該蒸養制度條件下保持混凝土坍落度為3～5 cm。以10 h脫模強度、同養28 d抗壓強度、標養28 d抗壓強度為考核指標，研究水泥品種、膠材用量及水膠比等因素對管片混凝土力學性能的影響。

3 結果與討論

3.1 蒸養參數的影響

10 h脫模強度正交試驗結果見表3，標養28 d抗壓強度正交試驗結果見表4。

表3 脫模強度正交試驗結果

由表3可知，采用合適的蒸汽養護制度，該配合比混凝土的10 h脫模強度可以滿足＞15mPa的要求。此外，影響脫模強度的蒸汽養護關鍵參數的主次順序為:恒溫溫度＞恒溫時間＞靜養時間＞升溫速率。

表4 標養28 d抗壓強度正交試驗結果

由表4可知，該配合比混凝土標養28 d抗壓強度均滿足＞50mPa的要求，采用一定的蒸汽養護制度可以達到60mPa以上。影響標養28 d抗壓強度的蒸汽養護關鍵參數的主次順序為:升溫速率＞恒溫溫度＞恒溫時間＞靜養時間。

根據表3和表4的試驗結果，綜合考慮脫模強度和28 d抗壓強度，得出該配比管片混凝土的最佳蒸汽養護制度:靜養3 h+10℃/h升溫速率+恒溫5h+恒溫60℃。

實際生產過程中，一次蒸養周期不得＞12 h。最佳蒸汽養護制度條件下蒸養周期過長，對模具周轉不利，因而根據前面試驗結果和管片模具周轉的要求，對蒸養參數進行了適當的改進。設計蒸養試件所采用的養護工藝為:試塊成型后先靜養3 h，然后以15℃/h的升溫速度升溫至55℃，恒溫3 h后以15℃/h的降溫速率降至室溫。

3.2 養護制度的影響

養護制度試驗分別采用三種養護制度對比:①標準養護:試件成型1 d后脫模移入標準養護室養護(溫度(20±3)℃，RH＞90%);②自然養護:試件成型1 d脫模后進行自然養護(室外大氣環境中露天養護，(20±5)℃，RH65%);③同條件養護:試件成型后進行蒸養，蒸養結束后脫模，經過7 d水養，自然養護至28 d。試驗結果見表5。

表5 養護制度對管片混凝土物理力學性能的影響 MPa

由表5可知，蒸養混凝土早期抗壓強度(7 d)明顯高于自然養護和標準養護，但是其28 d的抗壓強度卻要低于后兩者，這說明蒸養會對高強管片混凝土后期強度產生不利的影響。

蒸養在加快水泥熟料水化速度的同時，還會提高礦物摻合料的二次水化反應速度，進而形成以低堿性水化硅酸鈣為主體的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣，這些水化產物相互交叉延伸，逐漸交織成具有相當強度的空間網絡結構，進而把骨料與未水化的粒子緊緊粘在一起，形成具有局部較高密實程度的水泥石，從而使得混凝土具有較高的早期強度［1-4］，但是這種快速的水化反應速度會導致水化物分布不均勻，結晶程度低，晶體顆粒粗大，從而造成混凝土整體密實程度變差，不利于其后期強度的發展。

標準養護過程是在高濕度條件下進行的，因而外界環境中有充足的水分能夠使混凝土的水化反應持續進行，使得其內部水化產物無論是結晶狀態，還是分布均優于蒸養和自然養護，因此該養護條件有利于混凝土后期強度的發展［5］。

3.3 水泥品種的影響

不同品種水泥對比試驗結果見圖1。

圖1 不同水泥品種管片混凝土的物理力學性能

由圖1可知，使用不同品種水泥按該配合比配制出的混凝土在合適的蒸養制度下脫模強度和28 d同養、標養抗壓強度均達到C50管片混凝土配制要求。相比于P.O42.5水泥，采用P.Ⅱ42.5水泥和P.O52.5水泥混凝土脫模強度和28 d抗壓強度均有提高。考慮到水化熱、耐久性和經濟性因素，P.O42.5水泥在合適蒸養制度下已可滿足脫模強度和28 d強度的要求，故推薦使用P.O42.5水泥。

3.4 膠材用量的影響

使用P.O42.5水泥，膠材組成為80%水泥+20%粉煤灰，水膠比不變，膠材用量選擇試驗結果見圖2。

圖2 不同膠材用量管片混凝土的物理力學性能

由圖2可知，10 h脫模強度、同養28 d抗壓強度和標養28 d抗壓強度均隨著膠材用量的增加而增加，各膠材用量配合比的管片混凝土標養28 d抗壓強度均大于同養28 d抗壓強度。其中膠材用量為410 kg/m3時，脫模強度稍低，同養28 d抗壓強度剛好可滿足C50管片混凝土配制要求;膠材用量達到420 kg/m3以上之后，脫模強度及同養28 d抗壓強度均可滿足C50管片混凝土配制要求:脫模強度可達18 MPa以上，同養28 d抗壓強度也達58 MPa，存在一定的富余;膠材用量達到430 kg/m3時，同養28 d抗壓強度達到63 MPa以上，考慮到強度過高有開裂風險，且過高的膠材用量不經濟，因此較優的膠材用量為420 kg/m3。

3.5 水膠比的影響

膠材用量420 kg/m3基礎上，水膠比選擇試驗結果見圖3。

由圖3可知，水膠比為0.34時脫模強度為14.6 MPa，達不到管片配制要求;水膠比為0.32時脫模強度為17.5mPa，同養28 d強度及標養28 d強度分別為61.7 MPa和65.7 MPa，可滿足配制要求。隨水膠比減小，強度有增大的趨勢，而過小水膠比會影響混凝土的工作性能，增大混凝土的收縮。因此管片混凝土較優的水膠比為0.32。

圖3 不同水膠比混凝土的物理力學性能

4 結論

1)蒸養參數對混凝土脫模強度的影響順序為:恒溫溫度＞恒溫時間＞靜養時間＞升溫速率;對28 d抗壓強度的影響順序為:升溫速率＞恒溫溫度＞恒溫時間＞靜養時間。設計蒸養制度時，應在滿足脫模強度、28 d抗壓強度的范圍內，依據管片模具周轉時間選擇合適的蒸養參數。

2)蒸汽養護能顯著提高混凝土早期強度，尤其是脫模強度，但對后期強度有不利影響。

3)膠材組成為80%水泥+20%粉煤灰時，使用P.O42.5、P.Ⅱ42.5及P.O52.5均可達到管片脫模強度和28 d強度要求，綜合考慮水化熱及經濟性因素，建議優選P.O42.5水泥。

4)使用P.O42.5水泥，膠材用量為420 kg/m3即可滿足C50管片混凝土抗壓強度要求。在此基礎上優選的水膠比為0.32。

5)本試驗是在10 h脫模強度和28 d抗壓強度基礎上優選水泥品種、膠凝材料用量和水膠比，管片生產用配合比還需結合管片外觀質量、體積穩定性、抗裂及耐久性能綜合考慮。

［1］蔡亞寧，喬中勝.北京地鐵五號線預制盾構管片的高性能混凝土研究［J］.現代隧道技術，2005(1):20-25.

［2］許顏軍，歐菁，樊君梅，等.TBM預制管片混凝土配合比設計與蒸養工藝優化［J］.水利水電工程設計，2006，25(2):12-15.

［3］秦鴻根，孫偉，龐超明，等.地鐵工程用C50P10管片高性能混凝土制備與性能研究［J］.粉煤灰，2003(1):40-42.

［4］楊雄利.地鐵隧道襯砌管片蒸汽養護預養期試驗研究［J］.鐵道建筑，2008(5):67-69.

［5］丁慶軍，陳凱，江海明，等.免蒸養高抗滲耐久性盾構隧道管片配合比研究［J］.混凝土，2010(2):114-116.