京雄城際鐵路混凝土橋墩不同養護方式效果對比

楊斌 張言 程冠之 陳民文 李國棟 于本田

（1.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844；2.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；4.中交二公局鐵路工程有限公司，西安 710065；5.雄安高速鐵路有限公司，雄安 071800）

京雄城際鐵路于2018 年2 月正式開工建設，線路北起北京西站，經廣安門、李營、大興區、大興國際機場，河北省固安縣、霸州市，終至雄安新區，全長106 km。京雄城際鐵路是支撐國家戰略的重要干線，對完善京津冀區域高速鐵路網，便利沿線群眾出行，提高雄安新區對全國的輻射能力具有重要意義。京雄城際鐵路地處華北平原北緣，歷史平均降水量507 mm，蒸發量1 788.4 mm，春季干燥，且常見大風天氣，對混凝土尤其是現澆混凝土早期的養護方式要求嚴格。合理的養護方式對混凝土中水泥水化程度、強度、耐久性有著重要影響，是保證混凝土不產生收縮開裂，確保混凝土質量的關鍵環節［1-3］。

混凝土橋墩多為豎立、高大、不定型尺寸結構，一般采用現澆施工，采用何種養護方式能夠降低其在溫度應力和干燥收縮耦合作用下的開裂風險，一直是混凝土界研究的熱點［4-8］。目前現澆混凝土養護方式主要有兩大類：一是防止混凝土水分向外散失，如噴灑養護劑或包裹塑料薄膜；二是由外部補充水分，如包裹土工布灑水［9-11］。但實際橋墩養護過程中涂刷養護劑有可能會存在漏刷，包裹塑料薄膜在風大地區易撕毀、吹開導致保濕功能不足，包裹土工布灑水難以確定灑水頻次和水量。為保證京雄城際鐵路橋墩混凝土強度和耐久性，本文在試驗室模擬了相對濕度30%的干燥環境，進行了不同養護方式對同一種混凝土養護效果的試驗研究，并采用化學結合水法分析了不同養護方式下混凝土中水泥的水化程度，得到了養護方式對混凝土的強度、耐久性和水泥水化進程的影響規律。研究結果可為京雄城際鐵路混凝土橋墩的養護提供參考。

1 試驗研究

1.1 混凝土原材料與配合比

水泥采用甘肅祁連山水泥集團股份有限公司生產的42.5級普通硅酸鹽水泥，其主要性能見表1；粉煤灰采用白銀聚合建材有限公司生產的F 類Ⅱ級粉煤灰，45 m 方孔篩篩余率為28.3%，需水量比為95%，燒失量為5.65%；粒化高爐礦渣采用蘭州宏盛建材有限公司生產的S95礦渣粉，比表面積為425 m2/kg，流動度比為98%，28 d活性指數為97%；細骨料采用蘭州永登水洗河沙，細度模數為2.8，符合2區級配；粗骨料采用甘肅永靖5～31.5 mm 連續級配石灰巖碎石；減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的PCA-I聚羧酸高性能減水劑，減水率為28%；引氣劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的GYQ-Ⅲ引氣劑，含氣量為4.3%，減水率為8%。混凝土設計強度為C35，配合比見表2。

表1 水泥物理力學性能

表2 混凝土試驗配合比 kg·m-3

1.2 養護用材料

試驗用土工布為市售無膜土工布，質量吸水率為353%；養護劑為市售養護劑；養護膜采用中國鐵道科學研究院集團有限公司研發的節水保濕新型養護膜，該養護膜由高強度高韌性薄膜、儲釋水材料和親水性微孔無紡布3 部分組成，如圖1 所示。其中儲釋水材料吸水量不小于0.5 kg/m2，標準測試條件下內部濕度保持率不小于95%［12-13］。

圖1 節水保濕新型養護膜

1.3 養護方式與制度

按表2配合比配制成型4組尺寸100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體試件，每組3 塊，共計12 塊。在實驗室內帶模養護24 h 拆模后，除對照組置于標準養護室進行養護外，其余試件分別涂刷養護劑、包裹土工布、包裹養護膜后置于溫度20 ℃，相對濕度30%的環境模擬箱中養護，養護齡期為28 d。為模擬橋墩實際狀態，所有試件均采用豎立狀態進行養護，并在試件外側標注方向，如圖2所示。

圖2 混凝土棱柱體試件養護

養護膜在包裹前采用噴壺在親水性微孔無紡布側灑水，直至儲釋水材料吸水飽和。養護期間對土工布進行灑水，灑水頻次為1 次/d，從試件頂部開始灑水，直至土工布完全濕透。涂刷養護劑和包裹養護膜的試件養護期間不再進行其他處理。同時，制作直徑100 mm、高 50 mm 的圓柱體試件 4 組，每組 3 塊，養護方式和養護制度同棱柱體試件。

1.4 測試方法

1.4.1 混凝土強度測試

將在不同養護方式下養護28 d的混凝土棱柱體試件由上到下切割成4 塊尺寸100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件并進行編號。試件表面自然風干后，按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》規定進行抗壓強度和劈裂抗拉強度測試。

1.4.2 混凝土抗氯離子滲透性能測試

按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規定，取不同養護方式下養護28 d 的混凝土圓柱體試件進行電通量測試，以評價不同養護方式下混凝土的抗氯離子滲透性能。

1.4.3 水化程度測試

取不同養護方式下混凝土碎屑，用無水乙醇浸泡24 h終止水泥水化，在坩堝內研磨成粉，過75 μm的方孔篩，將粒徑小于75 μm 的顆粒裝入密封袋備用。試驗時稱取樣品3 g，首先在105 ℃的烘箱中烘干至恒重，除去自由水及無水乙醇，試樣冷卻后稱取1.5 g，在1 050 ℃的高溫爐內灼燒至恒重，在干燥皿中冷卻后稱取質量，灼燒前后的質量差即為化學結合水含量，用以評價混凝土在不同養護方式下的水化程度。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度和劈裂抗拉強度

不同養護方式下混凝土抗壓強度見圖3。可以看出：①在溫度20 ℃，相對濕度30%的干燥環境中，養護劑、土工布、養護膜養護混凝土的抗壓強度均低于標準養護的混凝土。當環境濕度較低時，混凝土內部的水會向外部遷移，在混凝土內部形成連通孔，且表面失水產生干燥收縮，甚至開裂，因此養護過程中保證混凝土周圍環境濕度至關重要。②4 種養護方式中，標準養護的混凝土試件強度最高；養護劑養護的混凝土試件強度總體最低，未達到設計強度35 MPa 的要求；土工布養護的混凝土試件的部分位置強度未達到設計要求；養護膜養護的混凝土試件強度接近標準養護，達到設計要求。原因可能是采用養護劑養護時存在涂刷不到位情況，使混凝土內部水分在未涂刷到位的局部向外散失，從而影響了混凝土強度增長。在干燥環境中養護膜對所包裹的混凝土水分補給要強于土工布，主要原因是養護膜外側的高強度高韌性薄膜是不透水材料，儲釋水材料所蓄水分只能通過微孔無紡布向混凝土一側定向遷移，從而實現對混凝土外表面水分的補給。而土工布養護由于土工布外側不存在阻水薄膜，因此其內部所蓄水分會雙向遷移，在干燥環境中向空氣中散失速度較快，而每天1 次的灑水頻次在相對濕度30%的環境中明顯不足。若采用帶薄膜土工布又會影響后期養護時灑水作業。③土工布養護的混凝土試件上下部強度存在明顯差別，出現上部強度偏低、下部強度偏高的現象，而養護劑和養護膜養護的混凝土試件上下部強度較一致。主要是土工布所蓄水分由于重力作用會向下流淌，使試件上部濕度較小、下部濕度較大。實際工程中橋墩尺寸遠比試件尺寸大，這種現象將表現得更加明顯。

圖3 不同養護方式下混凝土抗壓強度

不同養護方式下混凝土劈裂抗拉強度見圖4。對比圖3 和圖4 可知，不同養護方式下混凝土劈裂抗拉強度呈現的規律與抗壓強度基本一致。

圖4 不同養護方式下混凝土劈裂抗拉強度

2.2 抗氯離子滲透性

一般認為混凝土結構發生耐久性破壞主要是腐蝕性介質滲入到混凝土內部，與其中易受腐蝕物質發生了化學反應所致。電通量法是評價混凝土抗氯離子滲透性能的試驗方法，電通量越小說明混凝土的耐久性越好。

不同養護方式下混凝土電通量見圖5。可以看出：4種養護方式下28 d齡期混凝土試件6 h電通量由大到小排序為養護劑養護、土工布養護、養護膜養護、標準養護。說明在溫度20 ℃、相對濕度30%干燥環境中，采用養護膜養護混凝土試件的抗氯離子滲透性最好。這是因為養護膜內的水分使混凝土表面濕度較大，混凝土內部水分不會向外散失，連通孔隙相對較少。TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中規定，對于設計使用年限100 年的混凝土結構，其強度為C30～C45 時56 d 電通量應小于1 200 C。在干燥環境中養護膜養護的混凝土試件28 d 電通量小于1 200 C，滿足規范要求，而養護劑養護和土工布養護的混凝土電通量不滿足要求。

圖5 不同養護方式下混凝土電通量

2.3 化學結合水

水泥石中的水可分為化學結合水和非化學結合水兩大類。化學結合水以OH-或中性水分子形式存在，通過化學鍵或氫鍵與其他元素連接。水泥石中的化學結合水隨水化物增多而增多［14-15］，因此可通過高溫煅燒測試混凝土中化學結合水含量，判定混凝土中水泥水化程度，從而評價不同養護方式的養護效果。因標準養護、養護劑養護和養護膜養護試件上下部強度沒有明顯差別，故對該3 種養護方式的混凝土試件僅隨機取一個部位進行化學結合水試驗，而土工布養護的試件上下部分別取樣進行試驗。

不同養護方式下28 d 齡期混凝土中化學結合水含量見表3。可以看出：①以標準養護混凝土試件中水泥水化程度為100%，其他養護方式養護的混凝土試件均未達到100%，說明在干燥環境中混凝土若得不到足夠的水分補給，其水化程度將不充分，且存在明顯滯后現象。②土工布養護試件上下部水泥水化程度差別明顯，試件最上部水泥水化程度僅是標準養護試件水泥水化程度的66.27%，而試件最下部水泥水化程度達到了91.72%，這也是導致最終強度明顯不同的原因。

表3 不同養護方式下混凝土中化學結合水含量

3 實際應用效果

室內試驗結果表明，在干燥環境中養護膜養護效果最好。為驗證養護膜在實際工程中的養護效果，在京雄城際鐵路六標段對實體橋墩進行了養護膜養護現場試驗，見圖6。在養護膜內側，橋墩混凝土表面布置無線濕度傳感器，測試橋墩混凝土表面相對濕度，見圖7。并在橋墩同一高度處養護膜外側布置另外一個無線濕度傳感器，用以測試環境相對濕度。養護28 d齡期內混凝土橋墩表面相對濕度和環境相對濕度測試結果見圖8。可以看出，即使外界環境相對濕度變化較大，甚至出現相對濕度小于20%的極端干燥天氣，養護膜養護的橋墩混凝土表面相對濕度基本保持在90%以上，一直在飽和濕度范圍內，僅發生微小變化，說明養護膜的保濕效果良好，不會隨著齡期的增長出現水分散失、相對濕度下降的問題。

圖6 養護膜養護的橋墩

圖7 無線濕度傳感器

圖8 養護期間濕度測試結果

4 結論與建議

1）干燥環境中由于養護膜內部儲釋水材料的水分單向遷移，保證了混凝土表面相對濕度，使混凝土中水泥水化相對充分，因此其養護效果優于養護劑養護和土工布養護。

2）對豎立、高大、不定型尺寸的橋墩包裹土工布灑水養護時，要注意由于水的自重作用橋墩混凝土上下部相對濕度存在差異，最終導致上下部性能差別明顯。

3）養護膜養護易于操作；采用養護劑養護時必須保證不漏刷；土工布養護必須保證灑水的頻次和水量，后期養護工作量較大。