智慧梁場蒸汽養護下混凝土力學性能演化研究

摘要：文章對不同養護條件下的混凝土力學性能和微觀結構特征進行分析，以探究智慧梁場蒸汽養護對其早期力學性能的影響。結果表明：蒸汽養護期間混凝土力學強度發展可分為三個階段，第一、二階段（0～30 h）是混凝土強度的關鍵養護時期；蒸汽養護的混凝土力學強度增長率高于標準養護，其動彈性模量主要形成于前期，呈線性快速增長特征，可以加速生成水泥水化產物，從而提高混凝土的早期強度，而標準養護下混凝土動彈性模量的增速相對較慢；標準養護下混凝土水化產物結構更加致密。研究結果可為蒸汽養護在工程中的應用提供理論參考。

關鍵詞：橋梁工程；智慧梁場；蒸汽養護；力學性能

中圖分類號：U445.8

0 引言

預制混凝土橋梁構件在交通基礎設施建設中占有重要地位，其質量直接關系到橋梁的安全與耐久性［1］。蒸汽養護作為預制混凝土構件生產中的重要環節，對提高構件的早期強度、縮短生產周期具有顯著效果［2］。然而，在蒸汽養護過程中，加速了水泥水化過程，混凝土的內部結構會發生變化，從而影響其長期力學性能。因此，蒸汽養護常用于橋梁和隧道等預制混凝土構件的生產［3］。

已有研究結果表明，蒸汽養護會影響混凝土表面孔隙的脆性和水化反應，使得蒸汽養護混凝土的力學性能和耐久性變差［4］。高溫養護條件下短齡期混凝土水化產物擴散時間不足，孔隙結構較大，往往導致混凝土強度降低。C-S-H凝膠是混凝土的主要水化產物，也是混凝土強度的主要來源［5］。與標準養護條件相比，蒸汽養護下生成的C-S-H凝膠具有更高的聚合度以及更少且致密的層間孔隙，但生成的水合產物體積減少［6］。一般來說，蒸汽養護可以促進混凝土早期力學性能的快速增長，但高溫蒸汽養護會使水化產物沉積在未水化顆粒表面，形成致密外殼，阻礙游離水與未水化水泥顆粒之間的接觸，影響后期水化程度，導致后期強度降低。

目前有關蒸汽養護混凝土力學性能的研究主要集中在蒸汽養護末期，對蒸汽養護混凝土早期力學性能和微觀結構的研究較少。本文通過分析不同養護條件下混凝土的力學強度、動彈性模量和微觀結構特征，研究蒸汽養護對混凝土早期力學性能的影響，以期為優化蒸汽養護工藝、提高預制混凝土構件的質量提供理論依據和技術支持。

1 試驗原材料及配合比設計

試驗原材料來自廣西某高速公路智慧梁場，水泥采用廣西右江水泥廠生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，細度為2.0%，水泥的物理力學性能見表1。細集料為機制砂，細度模數2.64，含泥量0.5；粗集料分別為粒徑5～10 mm、10～20 mm的礫石。所用聚羧酸高效減水劑的減水率為30%。試驗制備的混凝土配合比如表2所示，其28 d抗壓強度標準值為55 MPa。采用現場攪拌的方式制備混凝土，在預制T梁的同時制備抗壓、劈裂與抗折強度測試試件，抗壓、劈裂強度測試試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，抗折強度測試試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm。

為了探究養護方法對混凝土力學性能的影響，試驗采用標準養護和蒸汽養護兩種養護方法。結合智慧梁場預制T梁養護工藝，在澆筑12 h后進行拆卸，取出試樣并放置在標準養護室和智慧梁場蒸汽養護室中分別進行養護，養護方案如圖1所示。標準養護室溫度為20 ℃±2 ℃，相對濕度＞95%。已有研究表明50 ℃更適合作為蒸汽養護溫度，不僅對水泥水化產物的微觀結構影響較小，而且適合施工現場。因此，本試驗中智慧梁場蒸汽養護室溫度為50 ℃，升溫速率為10 ℃/h，試樣在標準養護室和智慧梁場蒸汽養護室中分別養護6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h。

2 結果與分析

2.1 不同養護條件下混凝土力學強度分析

圖2為蒸汽養護和標準養護期間混凝土抗壓、劈裂和抗折強度隨養護時間的變化規律。試件脫模后，其抗壓、劈裂和抗折強度分別為8.5 MPa、2.1 MPa和1.0 MPa。根據抗壓、劈裂和抗折強度測試結果可知，在蒸汽養護過程中，混凝土力學強度的發展大致可分為三個階段。第一階段：蒸養初期混凝土力學強度快速增長階段（即0～12 h），蒸汽養護下力學強度可達到設計強度的50%以上；第二階段：混凝土力學強度穩步增長階段（即12～30 h），該階段混凝土力學強度增長較快，蒸汽養護下力學強度可達到設計強度的80%以上；第三階段：混凝土力學強度增速衰減階段（即30～48 h），混凝土力學強度仍能持續增長，但混凝土強度增長率開始降低。從蒸汽養護過程下混凝土力學強度變化規律來看，前30 h是混凝土力學強度增長的關鍵時期，在此期間水泥水化反應迅速進行，混凝土力學強度在第一階段和第二階段迅速增長。此后，智慧梁場預制T梁混凝土構件可滿足預應力施加的要求。相較而言，在標準養護過程中，混凝土力學強度發展大致可分為兩個階段。第一階段：標準養護前期（即0～24 h），這是標準養護條件下混凝土力學強度增長最快的時期，然而其增長率明顯低于蒸汽養護環境下第一階段；第二階段：標準養護后期（即24～48 h），也是混凝土力學強度持續增長階段，在這一階段的混凝土力學強度繼續增加，但增長率明顯低于第一階段。因此，對于標準養護條件而言，前48 h是混凝土力學強度增長的關鍵時期。[FL）]

2.2 不同養護條件下混凝土動彈性模量分析

混凝土的動彈性模量是混凝土抵抗力變形能力的重要指標，蒸汽養護和標準養護期間混凝土動彈性模量結果如圖3所示。在蒸汽養護條件下，混凝土動彈性模量的變化可分為兩個階段。在第一階段（0～12 h），混凝土動彈性模量呈線性快速增長特征，達到最終動彈性模量的82%，這表明蒸養條件下混凝土動彈性模量主要形成于養護第一階段。在第二階段，混凝土動彈性模量的增長速率明顯放緩。相較于標準養護而言，混凝土在標準養護條件下動彈性模量持續增長且變化相對平緩。標準養護過程中混凝土動彈性模量比蒸汽養護過程中混凝土動彈性模量增長緩慢。但在養護后期（30～48 h），標準養護過程中混凝土動彈性模量的增長速率明顯高于蒸汽養護下混凝土。究其原因是蒸汽養護條件促進了混凝土中水泥水化反應，從而加速了動彈性模量增長。然而，由于水泥快速水化，混凝土中一些微小氣泡在蒸汽養護過程中沒有及時排出而硬化。因此，混凝土內部微孔率增加，后期動彈性模量增長較緩慢。說明蒸汽養護可能影響混凝土孔隙結構，進而影響其后期強度和耐久性。

2.3 不同養護條件下混凝土微觀結構分析

對于不同養護條件，混凝土的宏觀力學性能通常受水泥水化程度及其產物和微觀結構影響。圖4（a）（b）分別為標準養護和蒸汽養護12 h后混凝土微觀結構，其中，標準養護下水泥水化產物覆蓋面積較小且水泥水化不充分，導致試件早期強度較低；蒸汽養護條件下水泥水化程度更高，但微觀結構受高溫影響而出現一些微裂紋。因此，如若蒸汽養護條件不適當，不僅影響水泥的早期水化產物，還會影響水泥的微觀結構，溫度越高對微觀孔隙結構的影響就越顯著。圖4（c）（d）所示為標準養護和蒸汽養護24 h后，試樣充分水化，水化產物顯著增加，兩者均產生大量鈣礬石（AFt），混凝土強度顯著提高。與標準養護條件相比，50 ℃下蒸汽養護條件產生的AFt更為充分，這表明蒸汽養護促進了水泥水化過程，蒸汽養護混凝土強度顯著高于標準養護混凝土。從圖4（e）（f）可以看出，在標準養護和蒸汽養護條件48 h后，產物AFt減少，但C-S-H顯著增加，這是因為在高溫狀態下AFt不穩定，產生了更穩定的C-S-H。通過比較不同養護時間下混凝土的微觀結構可以看出，盡管標準養護下水化產物數量明顯較少，但水化產物結構更致密，這也是標準養護后期混凝土動彈性模量增長率高于蒸汽養護的主要原因。

3 結語

文章研究了蒸汽養護對混凝土早期力學性能的影響，根據試驗結果和分析，可以得出以下結論：

（1）蒸汽養護混凝土的早期強度增速明顯高于標準養護，蒸汽養護混凝土強度發展過程可分為三個階段。第一（0～12 h）、第二（12～30 h）階段是混凝土強度的關鍵養護時期，可分別達到設計強度的50%和80%。實際工程中應注重蒸汽養護混凝土前30 h性能。

（2）蒸汽養護混凝土的動彈性模量主要形成于前期（0～12 h），呈線性快速增長特征，達到動彈性模量的82%，而標準養護混凝土動彈性模量的增速相對較慢。

（3）蒸汽養護期間會加速生成AFt和C-S-H凝膠，這些水化產物可有效提高混凝土的早期強度。然而，標準養護條件下混凝土的水化產物結構更致密。

參考文獻

［1］譚東航.高速公路預應力混凝土T梁工廠化預制技術研究［J］. 西部交通科技，2023（5）：149-151.

［2］王鵬剛，付 華，郭騰飛，等.蒸汽養護混凝土變形行為及開裂風險評估［J］.材料導報，2022，36（24）：86-93.

［3］陳一榮，唐紅艷，韋遠露，等.基于BIM的智慧梁場信息管理系統的設計與實現［J］.西部交通科技，2023（8）：86-88.

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［5］凌 敏.隧道中混凝土硫酸鹽侵蝕機理及對策分析［J］.西部交通科技，2020（12）：127-129.

［6］Gallucci E.，Zhang X.，Scrivener K.L.Effect of temperature on the microstructure of calcium silicate hydrate（C-S-H）［J］.Cement and Concrete Research，2013（53）：185-195.

收稿日期：2024-03-08

作者簡介：黃航韜（1988—），工程師，主要從事公路建設管理工作。