蒸養參數對輕質管片混凝土力學性能的影響

梁玉強，王義盛

中交隧道工程局有限公司，北京 100024

用于盾構隧道工程的混凝土管片為預制構件，其澆筑和養護環境尤其重要。為了縮短混凝土管片生產周期、提高其早期強度［1］，及改善其體積穩定性和抗裂性能［2］，混凝土管片通常采用蒸汽養護。蒸汽養護主要是利用水蒸氣改變養護環境的溫度和濕度，通過加速混凝土膠凝材料的水化達到快速養護的目的。然而，相比于標準養護，蒸汽養護在加速混凝土水化的同時也會導致混凝土內部孔隙率增加和孔徑粗大［3-5］，從而不利于混凝土的后期力學性能和耐久性能［6］。為了減弱蒸汽養護對混凝土帶來的負面影響，國內外學者從蒸養制度的工藝參數出發進行了許多研究：文獻［7-8］研究表明，延長靜養時間、減緩升溫速率、降低恒溫溫度和適宜恒溫時間均有利于改善蒸養混凝土的孔隙結構；Ba 等［9］發現，隨蒸養恒溫時間延長，混凝土抗壓強度呈先增大后降低趨勢，恒溫14 h 時抗壓強度最佳，當恒溫時間超過14 h 后，混凝土內部大于500 nm 的大孔明顯增多；但Shi等［10］認為延長蒸養恒溫時間有利于改善混凝土的界面過渡區結構，進而提升混凝土強度。基于以上研究可知，蒸汽養護制度（蒸養制度）是控制混凝土質量的關鍵。

混凝土管片作為盾構隧道工程的永久性襯砌構件，其性能的優劣決定了盾構隧道工程的質量和服役壽命［11］。傳統混凝土管片主要由高強混凝土（強度大于等于C50）制成，但由于高強混凝土的膠凝材料用量高、水膠比低，使得管片存在自重大且易收縮開裂等問題［12］。針對以上問題，基于輕骨料的輕質和內養護效應，中交隧道工程局有限公司南京和燕路過江通道工程項目部利用高鈦重礦渣輕骨料開發出一種表觀密度不超過2 100 kg/m3的盾構隧道輕質管片混凝土。本文重點探討蒸養制度的相關工藝參數（靜養時間、恒溫溫度和恒溫時間）對該輕質管片混凝土力學性能的影響，以確定輕質管片混凝土的最佳蒸養制度。

1 試驗部分

1.1 原材料

P·O 42.5 水泥，比表面積為355 m2/kg，初凝時間為202 min，終凝時間為250 min，28 d 抗壓強度為48.2 MPa；I 級粉煤灰，需水量比為93%，比表面積為340 m2/kg；硅灰，SiO2質量分數為94.5%，比表面積為19 800 m2/kg。各膠凝材料的化學組成見表1；細骨料為河砂，細度模數2.5，含泥量小于0.5%；粗骨料為高鈦重礦渣輕骨料，表觀密度為1 780 kg/m3，堆積密度為920 kg/m3，筒壓強度為8.6 MPa，5~20 mm 連續級配，飽和吸水率為11.3%；減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水效率30%；水為自來水。

表1 原材料的化學組成Tab.1 Chemical composition of raw materials %

1.2 試驗配合比、拌合物性能及養護制度

C50 輕質管片混凝土的配合比如表2 所示，在制備混凝土拌合物前，首先應對高鈦重礦渣輕骨料進行飽水預濕，以期發揮其內養護效應［13］，其拌合物性能見表3。拌合物成型后的養護制度如下：①標準養護：拌合物成型后在標準養護室養護至28 d 齡期，其力學性能見表3；②蒸汽養護：拌合物成型后首先在標準養護環境下進行靜養，靜養時間［14］分別為2、3、4、5 h，靜養期結束后混凝土試件脫模放入蒸汽養護箱進行蒸汽養護，以15 ℃/h的升溫速率升至恒溫，恒溫溫度分別設定為40、50、60、70 ℃，恒溫時間分別設定為4、8、12、16 h，恒溫養護結束后以15 ℃/h 降至室溫，然后放入標準養護室養護至28 d 齡期。

表2 輕質管片混凝土配合比Tab.2 Mix proportions of lightweight segment concrete kg/m3

表3 輕質管片混凝土的性能Tab.3 Properties of lightweight segment concrete

由表3 可知，基于高鈦重礦渣輕骨料制備的C50 管片混凝土工作性能優異，其表觀密度僅為1 980 kg/m3，遠低于普通C50 管片混凝土的表觀密度（一般在2 450 kg/m3左右），以其制備的混凝土管片整體容重顯著降低，可緩解傳統混凝土管片由于自重大而帶來的不宜運輸和拼裝難題。

1.3 試驗方法

依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》檢測不同蒸養制度工藝參數下輕質管片混凝土的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量。

2 結果與討論

2.1 靜養時間對輕質管片混凝土力學性能的影響

研究靜養時間對輕質管片混凝土力學性能的影響時，蒸汽養護箱的升溫速率為15 ℃/h，恒溫溫度為50 ℃，恒溫時間為12 h。靜養時間對輕質管片混凝土28 d 齡期抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量的影響如圖1 所示。

圖1 靜養時間對輕質管片混凝土力學性能的影響：（a）抗壓強度和抗折強度，（b）劈裂抗拉強度和彈性模量Fig.1 Effect of rest time on mechanical properties of lightweight segment concrete：（a）compressive strength and flexural strength，（b）splitting strength and elasticity modulus

由圖1 可知，隨靜養時間由2 h 延長至5 h，輕質管片混凝土的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均明顯增大，說明延長靜養時間有利于改善輕質管片混凝土混凝土的力學性能。這與文獻［3-5］的研究結果相悖。現有研究認為：一方面，蒸汽養護的高溫高濕明顯加速混凝土水化，使得生成的水化產物顆粒增大，進而導致混凝土的密實度降低；另一方面，蒸汽養護帶來的水蒸氣會產生熱漲力，導致混凝土內部孔徑粗化、微裂縫增多、總孔隙率增大。然而隨靜養時間延長，輕質管片混凝土內部水化較普通混凝土更充分，其抵抗因蒸養升溫導致結構破壞的能力增強，有害和多害孔隙的生成量減少，后期力學性能得到改善。靜養時間越長，蒸養前的混凝土強度越高，蒸養水汽產生的膨脹破壞力越小，混凝土內部孔徑粗化程度越低［15］。基于以上分析，蒸汽養護開始前的靜養時間越長越有利于輕質管片混凝土的后期力學性能。綜合考慮生產周期，輕質管片混凝土蒸汽養護開始前的靜養時間以3~4 h 為宜。

此外，對比表3 可見，靜養時間大于4 h 的蒸汽養護輕質管片混凝土28 d 力學性能均優于標準養護試件。而文獻［1，4，16］認為，同一配比混凝土標準養護的長齡期力學性能優于蒸汽養護。這可能是由兩方面的原因導致的：一是高鈦重礦渣輕骨料的內養護效應改善了輕質管片混凝土的界面過渡區結構。預濕輕骨料由于其內養護作用可以密實蒸養混凝土的界面過渡區［17］，且預濕輕骨料可以在蒸養條件下生成密度較大的水化產物和形成更加密實的界面過渡區。二是膠凝材料中的粉煤灰和硅灰延緩了膠凝材料的總體水化進程，減弱了蒸養熱膨脹負面效應，改善混凝土的孔隙結構［18］。相比于標準養護混凝土，礦物摻合料能夠改善蒸養混凝土早期高溫帶來的孔隙粗化等問題，提升蒸養混凝土的力學性能，尤其硅灰效果更佳［18-21］。

2.2 恒溫溫度對輕質管片混凝土力學性能的影響

恒溫溫度也稱蒸養溫度，是指蒸養過程中恒溫期的環境溫度，也是影響混凝土力學性能的重要工藝參數。試驗中輕質管片混凝土首先在標準養護環境下靜養4 h，然后放入蒸汽養護箱內分別以40、50、60、70 ℃恒溫養護12 h，恒溫結束后以15 ℃/h 降至室溫，再移至標準養護室標準養護至28 d，測試其抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量，如圖2 所示。

由圖2 可知，隨著恒溫溫度由40 ℃升高至70 ℃，輕質管片混凝土的各項力學性能均呈現出先增高后降低的趨勢，在60 ℃時達到最高值，尤其是抗壓強度的先增高后降低趨勢更明顯。然而，文獻［7，22-24］表明，蒸汽養護條件下提升恒溫溫度有利于混凝土膠凝材料水化，提高混凝土早期強度，但同時高溫養護帶來的熱損傷（恒溫溫度越高導致混凝土內部的溫度梯度越大，更易形成連通孔隙）會導致混凝土后期強度下降，恒溫溫度每升高5 ℃，28 d 抗壓強度下降1.9 MPa。圖2 中的結果說明蒸汽養護條件下輕質管片混凝土力學性能的變化趨勢明顯不同于普通混凝土，這主要是由于輕質管片混凝土中摻加了硅灰和粉煤灰，在高溫蒸汽養護下活性被充分激發，形成聚合度更高的C-S-H 凝膠，進而填充修復熱損傷帶來的孔徑粗化。此外，預濕高鈦重礦渣輕骨料在混凝土內部形成的內養護條件也充分保障了混凝土內部的濕度，促進了混凝土膠凝材料的水化，從而提高后期強度［17］。

圖2 恒溫溫度對輕質管片混凝土力學性能的影響：（a）抗壓強度和抗折強度，（b）劈裂抗拉強度和彈性模量Fig.2 Effect of constant temperature on mechanical properties of lightweight segment concrete：（a）compressive strength and flexural strength，（b）splitting strength and elasticity modulus

對比圖2（a）和圖2（b）還可以發現，相較于抗壓強度，輕質管片混凝土的抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量在蒸養溫度為70 ℃時雖有所降低，但降低幅度明顯減小。這可能是由于高鈦重礦渣輕骨料表面的多孔結構與水泥石形成牢固的“銷釘結構”［25］，使得混凝土抵抗彎拉應力破壞的能力更強。基于以上分析，并綜合考慮蒸養能耗和周期，輕質管片混凝土蒸汽養護的恒溫溫度以50~60℃為宜。

2.3 恒溫時間對輕質管片混凝土力學性能的影響

恒溫時間是指蒸汽養護過程中以恒溫溫度養護的時長，是蒸養混凝土強度獲得的主要階段［14］。試驗中輕質管片混凝土首先在標準養護環境下靜養4 h，然后放入蒸汽養護箱內以50 ℃恒溫分別養護4、8、12、16 h，恒溫養護結束后以15 ℃/h 降至室溫，再移至標準養護室標準養護至28 d，測試其抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量，結果如圖3 所示。

由圖3 可知，隨恒溫時間由4 h 延長至16 h，輕質管片混凝土的28 d 抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均呈現先增高后降低的趨勢，在恒溫養護16 h 時各項力學性能指標均達到最大值。現有研究認為，縮短蒸汽養護的恒溫時間有利于削弱水泥水化產物的聚集程度，抑制水蒸氣由混凝土表面向其內部的遷移，減少連通孔和初始裂紋的產生［1］。延長恒溫時間，水泥水化產生的粗短纖維狀水化產物增多，早期強度提升，有利于混凝土脫模，但也會在未水化水泥顆粒表面形成密實的屏蔽膜而延緩水泥進一步水化，且恒溫時間延長會導致水泥石孔隙結構劣化，連通孔和總孔隙率增大，進而導致蒸養混凝土后期強度降低［1，7］。

圖3 恒溫時間對輕質管片混凝土力學性能的影響：（a）抗壓強度和抗折強度，（b）劈裂抗拉強度和彈性模量Fig.3 Effect of holding time on mechanical properties of lightweight segment concrete：（a）compressive strength and flexural strength，（b）splitting strength and elasticity modulus

然而，本試驗中的輕質管片混凝土中摻加了較多硅灰和粉煤灰，這兩類礦物摻合料在常溫養護下水化緩慢，不利于混凝土強度的提升。而在蒸養環境下，隨蒸養恒溫時間延長，二者的活性被長時間高溫充分激發，進而提升混凝土膠凝材料的總水化程度，生成大量高聚合度的水化產物，密實填充由蒸汽熱損傷帶來的粗大孔隙。此外，由于輕質管片混凝土中的高鈦重礦渣輕骨料為飽和預濕狀態，隨恒溫時間的延長，高鈦重礦渣輕骨料釋水保障了混凝土內部濕度，進而抑制水蒸氣向混凝土內部的擴散，減少連通孔隙的產生。因此，本試驗中輕質管片混凝土隨蒸養恒溫時間由4 h延長至12 h 時，其28 d 各項力學性能提升。但隨恒溫時間的延長，蒸養熱損傷帶來的負面效應超越礦物摻合料和高鈦重礦渣輕骨料帶來的正面效應，輕質管片混凝土28 d 各項力學性能降低，這與Ba 等［9］的研究結論相吻合。基于以上分析，輕質管片混凝土蒸汽養護的恒溫時間以10~12 h 為宜。

3 結 論

（1）隨靜養時間延長，蒸養輕質管片混凝土28 d 抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均增大；隨恒溫溫度升高和恒溫時間延長，蒸養輕質管片混凝土28 d 抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均呈現先增大后降低的趨勢。

（2）基于高鈦重礦渣輕骨料制備的輕質管片混凝土最佳蒸養工藝為：靜養時間為3~4 h，升溫速率為15 ℃/h，恒溫溫度為50~60 ℃，恒溫時間為10~12 h，降溫速率為15 ℃/h。

（3）高鈦重礦渣輕骨料可以減少蒸養熱膨脹導致的混凝土后期力學性能損失，其機理為預濕高鈦重礦渣輕骨料的內養護效應可以提升混凝土界面過渡區的密實度和弱化高溫蒸養帶來的孔隙粗化效應。