蒸養制度對預制橋面板混凝土強度與抗滲性的影響

黃 安，李北星，楊建波，王麗靜

(1.武漢理工大學,硅酸鹽建筑材料國家重點試驗室，武漢 430070；2.湖北長江路橋股份有限公司，武漢 430077)

0 引 言

隨著我國橋梁建設的發展，以預制拼裝為核心的橋梁工業化建造技術將成為解決現有橋梁建設中施工質量難以保證、施工速度慢等問題的有效方式。鋼-混組合橋梁是一種易于實現快速拼裝的高性能橋梁結構形式。湖北省江北東高速公路沿線項目設計有4座鋼混組合梁橋，全長9.9 km，鋼梁分為40 m跨和30 m跨兩種，主梁采用 “開口鋼板梁+混凝土橋面板”的鋼混組合梁，先簡支后橋面連續。橋面板為C55強度等級的變截面鋼筋混凝土橋面板，按設計要求，橋面板縱、橫橋向分塊預制，且預制橋面板需存放6個月以上，以減小混凝土收縮徐變對結構的不利影響。橋面板單塊截面尺寸有3 000 mm×6 125 mm、2 000 mm×6 125 mm兩種。由于預制橋面板數量多達一萬多塊，受工期影響，須采用蒸養混凝土技術進行工廠化預制以縮短生產周期。

我國公路工程結構中的預應力T梁、小箱梁和橋面板等混凝土結構構件雖然采用工廠化預制方式生產，但主要采用常溫養護，冬季施工可能會采用蒸汽進行補熱養護，但補熱養護的蒸養溫度很低，一般為15～25 ℃。與低溫蒸汽補熱養護不同的是，我國裝配式建筑中的預制混凝土樓板與墻板、鐵路工程中的軌枕、軌道板和預應力簡支梁等預制構件采用的蒸養溫度一般在45～65 ℃。蒸養預制構件生產與應用實踐表明，較高的蒸養溫度雖然可以加速混凝土的早期強度增長[1-4]，滿足預制構件快速生產的要求，但由于蒸汽的濕熱作用，在促進水泥水化和微結構形成的同時，也會導致其水化產物分布不均勻、孔結構粗化，從而造成混凝土結構損傷，最終影響蒸養混凝土的后期強度和耐久性能[5-9]。因此，尋求有利于蒸養混凝土結構形成和性能發展的蒸養制度，將蒸養熱損傷效應對混凝土性能的影響降到最低或可接受范圍之內[10-11]，已成為蒸養預制構件制備的重中之重。本文主要針對蒸養溫度、蒸養時間、蒸養后的補充養護等因素對混凝土強度和抗滲性的影響方面開展試驗研究，并且輔以SEM和XRD等測試技術分析蒸養混凝土微觀結構和物相組成，以期為C55混凝土預制橋面板蒸養制度的確定提供依據，確保預制橋面板混凝土具有較高的后期強度增進和抗滲耐久性。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

水泥：華新堡壘牌P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，其物理性能見表1。

粉煤灰：F類Ⅰ級粉煤灰，表觀密度為2.38 g/cm3，細度(45 μm方孔篩篩余)為8.1%，SO3含量為0.58%(本節出現含量均為質量分數)，燒失量為3.35%，需水量比為88%。

礦粉：S95級磨細礦粉，流動度比為98%，比表面積為418 m2/kg，表觀密度為2.90 g/cm3，28 d膠砂活性指數為99%，燒失量為1.92%，SO3含量為1.39%。

碎石：5～20 mm二級配石灰巖碎石，5～10 mm和10～20 mm級配質量比為2 ∶8，壓碎值為14.4%，針片狀顆粒含量為3.9%，含泥量為1.0%。

河砂：2區中砂，細度模數為2.5，含泥量為0.8%，泥塊含量為0.1%。

外加劑：聚羧酸高性能減水劑，固含量為21%，減水率為27%。

本試驗混凝土配合比為預制橋面板工廠實際生產用配合比，見表2。

表1 水泥基本物理性能

表2 混凝土配合比

1.2 試驗方法

蒸汽養護：包括靜養、升溫、恒溫和降溫四個階段。試驗設定的蒸汽養護制度為：試件成型后立即帶模放入蒸汽養護箱中，在20 ℃下靜養4 h，然后升溫3 h至55 ℃并恒溫6 h，最后降溫3 h至室溫，一個蒸養周期共需16 h。蒸養過程中，試件暴露面用潮濕土工布覆蓋以改善蒸養對混凝土表層的熱傷損。試件蒸養結束后，立即脫模并測定脫模抗壓強度。

為了優化蒸養參數，分別對蒸養溫度(45 ℃、55 ℃、65 ℃和75 ℃)、恒溫時間(4 h、6 h、8 h)進行調整，以考察其對混凝土脫模強度和后期性能的影響。設計要求脫模強度達到28 d強度的75%(41.3 MPa)。另外，為進一步考察蒸養后補充養護方式對混凝土后期性能增進的影響，按表3所示4種養護方式繼續養護至28 d齡期。

抗壓強度試驗：試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，強度換算系數為0.95，測試脫模強度及28 d強度。

氯離子擴散系數試驗：依據GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》規定的方法測試，試件為φ100 mm×50 mm的圓柱體，齡期為56 d。

膠凝材料漿體水化產物的物相組成采用Bruker AXS公司生產的D8 Advance X射線衍射儀(XRD)測定，微觀形貌采用日本電子株式會社(JEOL)生產的JSM-7500F型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。膠凝材料組成與混凝土配合比中的相同，凈漿試樣按標準稠度用水量成型；砂漿試樣的膠砂比為1 ∶2.5，水膠比為0.30，減水劑摻量為0.8%(質量分數)。試樣尺寸為40 mm×40 mm×40 mm，養護制度與混凝土的相同。養護達1 d、3 d和28 d齡期時，使用無水乙醇終止水化，按測試要求制樣。

表3 蒸養后補充養護方式

2 結果與討論

2.1 蒸養溫度的影響

圖1為蒸養溫度對混凝土性能的影響結果。試驗過程中，恒溫時間為6 h，蒸養后試件的補充養護方式為標準養護。

由圖1(a)可知，隨著蒸養溫度的升高，混凝土脫模強度快速上升，而28 d強度則緩慢下降。蒸養溫度為45 ℃、55 ℃、65 ℃、75 ℃時，混凝土的脫模強度分別是蒸養溫度20 ℃時的192.5%、233.0%、241.5%、250.0%，28 d強度分別是蒸養溫度20 ℃時的99.6%、98.4%、89.6%、88.6%。其中，蒸養溫度45 ℃時的脫模強度為40.8 MPa，略低于75%設計強度(41.3 MPa)要求；蒸養溫度為65 ℃和75 ℃時的28 d強度達不到C55混凝土試配強度(64.9 MPa)要求。蒸養溫度為55 ℃的28 d強度為68.1 MPa，超過C55混凝土試配強度要求。由圖1(b)可知，混凝土的56 d氯離子擴散系數隨著蒸養溫度的升高而增加。蒸養溫度為45 ℃、55 ℃、65 ℃、75 ℃時，混凝土的氯離子擴散系數較蒸養溫度20 ℃時分別增加11.7%、20.2%、24.4%、27.0%。

圖1 蒸養溫度對混凝土性能的影響

蒸養溫度的提高造成混凝土后期強度和抗氯離子滲透性能降低的主要原因是[10]：(1)蒸養溫度的升高增加了混凝土毛細孔內部的水由液體向氣體轉變的趨勢，產生的膨脹作用破壞混凝土內部孔結構；(2)因為蒸養溫度的升高會使水化產物分布不均，粗化混凝土的孔結構，尤其是表層混凝土結構受蒸汽熱的損傷影響更大而產生了更多孔徑較大的孔隙，由此對蒸養混凝土后期強度發展造成不利影響，這些孔同時為氯離子的侵入提供遷移通道，從而降低混凝土的抗氯離子侵蝕性能。

2.2 蒸養時間的影響

圖2為蒸養時間即恒溫時間對混凝土性能的影響結果，其中蒸養時間0 h代表混凝土試件未采用蒸汽養護，而是采用在20 ℃標準養護箱中進行濕養護，相應的脫模強度為20 ℃養護24 h的抗壓強度。對于混凝土試件，其蒸養溫度為55 ℃，蒸養后試件的補充養護方式為標準養護。

圖2 蒸養時間對混凝土性能的影響

由圖2(a)可知，隨著蒸養時間的延長，混凝土的脫模強度快速提高，而28 d強度小幅下降。當蒸養時間為4 h時，混凝土的脫模強度為39.5 MPa，不能達到75%設計強度要求；當蒸養時間為6 h和8 h時，混凝土的脫模強度分別為49.4 MPa和50.1 MPa，均大于75%設計要求的41.3 MPa，28 d強度較非蒸養混凝土僅分別降低1.6%、4.2%，且均滿足C55混凝土試配強度要求。由圖2(b)可知，隨著蒸養時間的增加，混凝土氯離子擴散系數增大，即抗氯離子滲透性能下降。與非蒸養混凝土相比，蒸養了4 h、6 h、8 h混凝土的56 d氯離子擴散系數分別增加了18.2%、21.1%、25%。蒸養時間的延長，會使得早期水化產物數量增多，所以脫模強度提高。但是由于水化產物聚集程度高，分布不均勻，阻礙了水泥和礦物摻合料的進一步水化，導致后期強度和抗滲性發展受阻[12]。

2.3 蒸養后補充養護方式的影響

圖3為混凝土蒸養結束后采用不同養護方式進行補充養護的混凝土后期性能試驗結果。混凝土蒸汽養護的溫度為55 ℃，蒸養時間為6 h。測得混凝土蒸養結束后的脫模強度為49.4 MPa。

由圖3(a)可知，蒸養后的四種補充養護方式中，標準、浸水、覆蓋等采用濕潤養護方式的混凝土試樣28 d強度顯著高于自然養護(相當于暴露于室外不進行養護)的混凝土，提高幅度分別為19.2%、16.5%、20.3%。另外，混凝土蒸養后采用標準、浸水、覆蓋等方式進行補充濕潤養護的28 d強度較脫模強度的增長率可達34.2%、31.2%和35.4%，而自然養護方式增長率只有12.6%。由圖3(b)明顯可以看出，自然養護的混凝土氯離子擴散系數最高，較標準、浸水、覆蓋三種濕潤養護分別增大45.9%、35.1%、48.3%。總體來看，混凝土蒸養后采用濕潤養護有利于后期強度的增進和抗氯離子滲透性的改善，其中三種濕潤養護方式中又以覆蓋土工布灑水養護的混凝土其28 d強度最高，56 d氯離子擴散系數最低，說明這種補充養護方式可以為混凝土中膠凝材料的后續水化提供足夠的水分，生成更多的水化產物，使得混凝土結構更加密實。

圖3 蒸養后補充養護方式對混凝土性能的影響

2.4 蒸養溫度對膠砂微結構的影響

圖4～圖6為經不同蒸養溫度養護的膠砂試樣水化3 d的SEM照片。從圖4可以看出，20 ℃標養的試樣中存在大量結晶良好的六方狀Ca(OH)2結晶，粉煤灰顆粒表面光滑，沒有水化痕跡，說明粉煤灰在20 ℃時早期活性較低。從圖5可以看出，蒸養溫度為55 ℃的試樣中Ca(OH)2多呈結晶粗大的疊片狀，周圍分布一些C-S-H凝膠，且粉煤灰顆粒表面能看到被刻蝕的痕跡，說明粉煤灰經蒸養后活性得以增強，開始了二次水化反應，試樣內部的水化產物量明顯多于標養試樣。由圖6可知，蒸養溫度為75 ℃的試樣中同樣存在大量疊片狀Ca(OH)2晶體，粉煤灰顆粒表面被嚴重刻蝕，其表面及周邊覆蓋了大量凝膠產物，相互交叉連接成網狀結構。從圖4(a)、圖5(a)和圖6(a)不同蒸養溫度試樣微結構可知，隨著蒸養溫度的上升，水泥水化速度加快，粉煤灰和礦粉的活性被逐漸激發，二次水化反應產物加快形成，試樣的水化產物隨之增多，漿體結構越來越密實，因此混凝土脫模強度隨著蒸養溫度的升高而增大。

圖4 20 ℃標準養護的膠砂試樣水化3 d的SEM照片

圖5 蒸養溫度為55 ℃的膠砂試樣水化3 d的SEM照片

圖6 蒸養溫度為75 ℃的膠砂試樣水化3 d的SEM照片

2.5 蒸養后不同補充養護方式對膠砂微結構的影響

圖7、圖8分別是蒸養后采取室外自然養護和覆蓋灑水養護的凈漿試樣28 d SEM照片。由圖7可知，蒸養后采用自然養護的試樣中，粉煤灰顆粒表面較為光滑，僅有輕微的水化反應痕跡，周邊還存在一些疊片狀Ca(OH)2晶體。由圖8可知，蒸養后采用覆蓋灑水補充養護的試樣中，未發現明顯的Ca(OH)2晶體，粉煤灰顆粒表面被刻蝕痕跡明顯，尺寸較小，與周邊凝膠產物融為一體。這說明試樣蒸養后仍需要足夠的水分來促進后續膠凝材料的水化。室外自然養護試樣由于缺水，粉煤灰和礦粉的后期反應程度低，內部不夠密實，從而混凝土28 d強度增進率低。而覆蓋灑水補充養護的試樣，礦物摻合料的反應程度高，結構更為致密，所以采取此種養護的混凝土后期強度和抗滲性較好。

圖7 蒸養后自然養護28 d試樣SEM照片

圖8 蒸養后補充覆蓋養護28 d試樣SEM照片

2.6 標準養護與蒸汽養護下水化產物XRD分析

圖9為20 ℃標準養護凈漿試樣和蒸養溫度55 ℃、蒸養時間6 h的凈漿試樣1 d和28 d 齡期的XRD譜，蒸養后試樣的補充養護方式為覆蓋灑水養護。

圖9 標準養護和蒸汽養護的膠凝材料漿體XRD譜

由圖9可知，標準養護與蒸汽養護試樣中的水化產物主要物相種類相同，包括C-S-H凝膠、Ca(OH)2和AFt晶體，蒸汽養護并未改變混凝土水化產物的物相組成。由圖9(a)可知，與標準養護試樣相比，蒸汽養護試樣1 d齡期的AFt衍射峰較強，而Ca(OH)2衍射峰較弱。一般情況下，蒸汽養護試樣中Ca(OH)2衍射峰應較標準養護試樣強，但由于蒸汽養護在促進水泥水化的同時，也促進了粉煤灰和礦粉的二次水化反應，消耗了更多Ca(OH)2，而標準養護試樣中粉煤灰和礦粉早期未能參與水化，導致蒸汽養護試樣1 d齡期Ca(OH)2衍射峰反而不如標準養護試樣強。從圖9(b)可以看出，蒸汽養護試樣28 d齡期的Ca(OH)2衍射峰強度顯著低于標準養護試樣，說明蒸汽養護試樣經后續的補充濕潤養護，粉煤灰和礦粉發生了持續水化，二者的水化程度較標準養護試樣中的高得多，消耗了更多的Ca(OH)2，而大塊Ca(OH)2晶體在漿體中含量的減少，有利于改善界面過渡區結構，由此提高水泥漿與集料的界面粘結性能。

3 結 論

(1)過高的蒸養溫度和過長的蒸養時間，影響蒸養混凝土后期強度的增進，降低了混凝土的抗滲性；過低的蒸養溫度和過短的蒸養時間，混凝土的脫模抗壓強度較低。綜合來看，C55混凝土預制橋面板采用55 ℃的蒸養溫度、6 h蒸養時間的蒸養制度較為合理，該制度下其脫模強度為49.4 MPa，較20 ℃標準養護提高133.0%，28 d強度僅下降1.6%，而56 d氯離子擴散系數僅增加了21.1%。

(2)混凝土蒸養后進一步采用濕潤養護有助于其后期強度的增進和抗滲性的提高，而濕潤養護中又以補充覆蓋灑水養護的混凝土性能最好，其28 d強度較采用自然養護時提高了20.3%，56 d氯離子擴散系數降低了48.3%。

(3)早期適度的濕熱養護作用加速了水泥的水化，激發了礦粉、粉煤灰的活性，生成了較多膠凝性水化產物，促進了漿體微結構的形成，蒸養后補充覆蓋灑水養護給未水化水泥和礦物摻合料的繼續水化提供了水化用水，礦物摻合料的持續水化消耗了更多Ca(OH)2，改善了混凝土微結構和界面過渡區結構。