高速公路工程中的冬季預制箱梁蒸汽養護質量控制

李瑞卿

（中國化學工程重型機械化有限公司，北京102600）

0 引言

在我國西部，公路建設工程逐年增加，由于地理位置和氣候的原因導致工程環境處于溫度低、溫差大、濕度低的狀態。早期的混凝土箱梁預制構件施工為提高模板、機具使用率，縮短生產周期，滿足早期設計要求、避免裂縫出現等，多數工程項目常采用蒸汽養護進行混凝土短期加熱養護。基于此，本文以我國西部某高速公路工程為研究對象，對冬季預制箱梁蒸汽養護的質量控制進行分析。

1 原材料配比和測試方法

1.1 高速工程混凝土配合比

根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011），結合現場試驗數據，采用表1 所示的普通C50混凝土配合比，C50 普通混凝土7d 抗壓強度達到適配強度91.8%。

表1 C50 混凝土配合比

1.2 原材料檢驗

根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420—2020）、《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JGJ 52—2006）等進行混凝土原材料檢測（見表2）。

表2 水泥檢測結果

1.3 試驗結果測試方法

1.3.1 抗壓強度試驗

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）進行早齡期、試塊外耐壓性能、后期混凝土箱梁的測試。早期指蒸養后在外界環境下暴露7d、14d、28d、56d；后 期 指 蒸 養 之 后，經 過95d、305d、605d 的外界條件下暴露。箱梁養護至齡期后，用壓力試驗機和回彈儀測試塊對箱梁腹板的抗壓強度進行試驗研究[1]。用回彈儀測試混凝土抗壓強度，用ZC3-A 型混凝土回彈儀測試箱梁腹板的回彈。室內抗壓強度選用YAW4306 微機控制電液伺服壓力試驗機進行試驗，測試時加荷應力控制在0.52～0.75MPa/s，位移約為0.21mm/min。

1.3.2 微觀孔結構試驗

通過鉆芯進行試驗箱梁取樣，切割為φ100mm 的圓柱體，將圓柱體試件和試塊用切割機切割成薄片，厚度為10～20mm。采用RapidAir 型硬化混凝土氣孔結構分析儀，通過直線導線法測定硬化混凝土氣孔參數，通過顯微鏡對導線切割弦長和氣泡個數，計算氣泡間距系數等參數[2]。

2 蒸養參數對室內混凝土試塊抗壓強度的影響

2.1 預養期對混凝土抗壓強度的影響

在構件蒸汽養護時，對混凝土影響較重的是升溫階段。升溫階段混凝土中存在內應力，將產生大量的孔隙對混凝土造成損傷。在常溫下，混凝土構件經過一定時間的放置叫作預養期。表3 為預養期對混凝土抗壓強度的影響。

表3 預養期對混凝土抗壓強度的影響

由表3 可知，混凝土強度隨著靜養時間的增加而增大，混凝土初期結構強度在預養期0～7h 時具有較快增長，在預養期為9h 時，初期結構強度遞增速率有所降低。在蒸汽養護前，混凝土預養期可較長，從而將預養期強度提高，改變漿體內部細化孔結構、微裂縫。對混凝土初期結構強度而言，預養時間為4～7h較為適宜。

2.2 升溫期對混凝土抗壓強度的影響

取預養時間為6h，升溫速度取15℃/h、25℃/h 和35℃/h，恒溫期恒溫時間為19h，恒溫溫度為55℃，降溫時間為4.5h 進行測試，見表4。

表4 不同升溫速率對應混凝土抗壓強度值

由表4 可知，混凝土抗壓強度隨蒸汽養護制度的進行隨之增加；隨著蒸汽養護進行，混凝土抗壓強度增長速度有所降低。升溫速度越大，混凝土抗壓強度的提高幅度越大。整個蒸汽養護過程中的混凝土強度在升溫速度為15℃/h 時增長較慢；在升溫速度為35℃/h 時混凝土強度比其他升溫速度養護條件高，蒸汽養護制度結束時強度趨于穩定；在升溫過程中，水泥水化的速度也在加快，在升溫期得到一定硬化強度，但升溫中有一定的溫度應力、熱脹變形產生。因此，升溫期要注重預養期時間及升溫速度[3]。

2.3 恒溫期對混凝土抗壓強度的影響

水泥水化發生在升溫期，混凝土強度是在恒溫期測得的，恒溫時間和溫度為恒溫期重要參數。采取恒溫溫度35℃、55℃、75℃，預養期為6h，降溫時間為4.5h 進行試驗。

由圖1 可知，預養期內混凝土抗壓強度呈線性分布；升溫期是一條直線；恒溫期先是從線性上升，隨后上升的速度變得很快，但比預養期要低、比升溫期高；降溫期趨于平穩。在整個蒸汽養護流程中，應注重預養期、恒溫期、升溫期、降溫期四個階段。在蒸汽養護流程中，混凝土抗壓強度各環節不容忽視。在恒溫條件相同時，混凝土所用恒溫時間在升溫速度越高時越少[4]。

圖1 恒溫期對混凝土抗壓強度值

2.4 降溫期對混凝土抗壓強度的影響

混凝土構件在蒸養恒溫期結束后的降溫過程中可能存在內外溫差。為預防溫度應力，在升溫階段混凝土內水化熱放熱，減小溫差，采用升溫器可以加快混凝土養護棚內的溫度，升溫速度控制在25℃/h，預防升溫階段出現熱脹變形。在結束恒溫期后，與升溫期相比，混凝土內部溫度會有明顯升高，應嚴格控制混凝土降溫速度，不能有過大溫差出現。蒸汽養護后的外部溫度會突然降低，蒸汽和空氣混合物呈過熱狀態，導致混凝土構件內部和表面的水分向外蒸發，因此在混凝土構件脫模后，用布滿水的氈布全面覆蓋。

2.5 蒸汽養護溫度對混凝土抗裂性能的影響

試驗選擇抗裂圓環，試件尺寸為高度100mm、外徑425mm、壁厚62.5mm、內徑305mm，統計開裂時間、裂縫寬度、裂縫數目、裂縫長度，并對其抗裂性能優劣性進行分析，見圖2。

圖2 不同蒸汽養護下抗裂性能

由圖2 可知，蒸汽養護時間為3d、7d、9d，終止蒸汽養護后抗裂圓環由表面向側面產生貫通的裂縫，裂縫開裂形態為崩裂且裂縫寬度都大于2.05mm；在自然環境中，抗裂圓環裂縫未出現。在養護溫度比較高時，混凝土抵抗開裂的能力下降，而高溫養護容易導致混凝土結構出現裂縫現象。

3 預制混凝土箱梁蒸汽養護強度損失分析

高溫條件下蒸汽養護存在強度損失的現象，規定兩個指標：一是蒸汽養護完成后的混凝土相應齡期抗壓強度要大于標準值90%，則養護強度合格；二是混凝土抗壓強度在28d 齡期時大于抗壓強度標準值，則養護后強度合格。

表5 為28d 齡期時各蒸汽養護條件混凝土強度。由表5 可知，恒溫溫度為60～65℃，28d 齡期的蒸汽養護下，混凝土強度下降明顯，且比早期強度最高值有更大損失，箱梁的強度回彈值均小于抗壓強度標準值。混凝土在35～40℃、50～55℃蒸汽養護下，強度隨齡期增加隨之升高，在28d 齡期時損失非常小。在高溫養護下，混凝土在結束養護后具有較高強度，隨齡期增長，強度下降。原因是高溫養護對混凝土本身有一定損傷，養護后混凝土處于干寒、大溫差環境，造成混凝土強度不斷損失。試驗箱梁由于試塊體積較小且受到高溫蒸汽的破壞較輕，其強度損失要大于試塊。60～65℃養護條件下的試驗箱梁28d 齡期時回彈強度損失率超過10%，回彈強度值低于抗壓強度標準值，未達到抗壓強度標準值要求。在35～40℃養護條件下試驗箱梁回彈強度略有損失發生，混凝土強度的發展未受到影響。在50～55℃養護下，未損失混凝土強度。

表5 蒸汽養護混凝土強度損失率分布

4 結論

本文以我國西部某高速公路工程為研究對象，對其在冬季預制箱梁蒸汽養護的質量控制進行了研究，得出結論如下：

第一，預養期時間控制在4～7h，升溫期升溫速度控制在25℃/h，恒溫期的控制時間在6h，溫度55℃、降溫期降溫速度低于升溫速度。

第二，恒溫溫度60～65℃，蒸汽養護時間為3d、7d、9d 時抗裂圓環結束蒸汽養護后表面產生貫通裂縫；恒溫溫度為50～55℃養護時抗裂圓環無開裂現象。高溫養護條件下（60～65℃）容易造成混凝土小孔比例少、孔結構粗糙、氣孔間距系數大、孔徑分布不均勻等問題。

第三，建議施工采用恒溫時間6h、恒溫溫度50～55℃、預養溫度25～30℃、升降溫速率低于15℃/h 的蒸汽養護制度。