蒸汽養生機制砂混凝土長期力學性能動態變化分析

■程 健

（福建建燦科技有限責任公司，南平 353100）

隨著近幾十年國家工業與民用建筑建設的迅猛發展，河砂作為重要原材料被大量開采后已近枯竭，并對河流及其周邊的生態環境造成一定程度的破壞，為了加強環境和自然資源的保護及可持續發展，國家及各地方政府也已嚴令限采和禁采河砂。經研究發現，機制砂在經專業設備處理后可根據工程所用混凝土的相關級配要求進行調控，可以滿足不同工程的混凝土砂料需求，使用機制砂替代河砂作為混凝土細骨料已逐漸成為主流趨勢[1]。 同時，伴隨著裝配式建筑結構的快速發展，為達到預制混凝土構件的高標準、高效率、高質量的要求，越來越多的預制混凝土構件采用全程智能控制的蒸汽養生來縮短混凝土養護齡期，保證養護質量，提高生產效率[2-3]。

目前關于機制砂混凝土的力學性能和蒸汽養生混凝土技術已有較多研究，并取得了一定的成果。機制砂由于顆粒形狀較為粗糙，且所含石粉會增加固體表面積與水體積的比例，因此在相同配合比下，機制砂混凝土的流動性較河砂混凝土差[4-5]，但由于機制砂擁有較多的棱角和尖銳部位，顆粒之間會產生填充和咬合效應，其力學性能會優于河砂混凝土[6-7]。 Lawrence 等[8]在研究蒸養混凝土制品的過程中，首次提到了蒸汽養生的方法。 蒸汽養生是一種常用的加速混凝土養護方法，可通過升溫促進混凝土中水泥的水化速度，顯著提高混凝土的早期強度，但對后期強度的發展可能存在不利的影響[9-11]。然而，關于蒸汽養生條件下機制砂混凝土力學性能，尤其是其長期力學性能的變化研究甚少。 基于此，本項目擬對蒸汽養生機制砂混凝土的長期力學性能進行較為系統的研究，以期為后續進一步推廣應用提供參考。

1 原材料與配合比

1.1 原材料

原材料：（1）細骨料：所使用的機制砂為福建當地自產的機制砂， 細度模數為2.97，MB 值為0.95，泥塊含量為0.3%，石粉含量為6.5%；河砂選用普通中砂，細度模數為2.52；（2）粗骨料：采用福州市閩侯縣竹岐石料廠生產的粒徑為5～20 mm 的級配碎石；（3）水泥：采用福建永富水泥集團公司生產的PO.52.5硅酸鹽水泥；（4）粉煤灰：某材料有限公司生產的I 級粉煤灰；（5）礦粉：采用福州某材料有限公司生產的S95 礦粉；（6）減水劑：福州創先工程材料有限公司提供的CX-8 聚羧酸減水劑。

1.2 配合比

為探究蒸汽養生條件下不同機制砂摻量（0%、25%、50%、75%、100%） 對機制砂混凝土長齡期（28、56、90、180、360 d）基本力學性能的影響，通過控制砂總質量不變，調整機制砂與河砂摻配比例進行C60 混凝土配合比設計，見表1。

表1 機制砂混凝土配合比 （單位:kg/m3）

2 機制砂混凝土試樣成型與試驗設計

2.1 試樣的制備

按照配合比在稱量好各種原材料質量后，首先將膠凝材料和細骨料倒入混凝土攪拌機中進行干拌，然后加入粗骨料，最后將減水劑與水混合均勻后加入攪拌機拌合。 攪拌均勻后，將新拌混凝土倒入混凝土多類型基本力學性能測試試模中，并進行插搗密實。 為防止試樣水分蒸發流失，試模表面及時覆蓋塑料薄膜。 待試件在標準養護室養護24 h后脫模，再分別放入標準養護室和蒸養篷布內進行密閉蒸汽養生。 試樣制備情況見圖1。

圖1 機制砂混凝土試樣制作與養護

2.2 試樣的養護

本研究通過文獻調查得出[12-14]，蒸汽養生混凝土的恒溫溫度范圍通常為50℃～65℃，升降溫速率在5℃/h～15℃/h，恒溫時間為12～24 h。 綜合考慮前期預試驗結果以及蒸汽養生機制砂混凝土的實際工程應用情況后，選擇機制砂混凝土蒸汽養生恒溫溫度為60℃，升降溫速率為10℃/h，恒溫時間為18 h，蒸汽養生制度見圖2。待試樣完成蒸汽養護后，再次放入標準養護室養護至齡期為360 d。

圖2 蒸汽養生制度

2.3 機制砂混凝土基本力學性能試驗

在機制砂混凝土蒸汽養生和標準養生的齡期達到28、56、90、180 和360 d 時，參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行不同機制砂摻量的機制砂混凝土基本力學性能測試，見圖3。

圖3 機制砂混凝土力學性能測試

3 結果與分析

3.1 抗壓強度

不同機制砂摻量對混凝土抗壓強度影響試驗結果見圖4、表2。 由圖4、表2 可知，蒸汽養生機制砂混凝土各齡期的抗壓強度均隨著混凝土中機制砂摻量的增加而提高，并且在28～90 d 呈逐漸增長趨勢，在90～180 d 略有降低，降幅低于小于3.60%，而在180 d 以后基本趨于穩定；標準養生的機制砂混凝土28 d 的強度略低于蒸汽養生，在90 d 后基本趨于穩定，并且蒸汽養生與標準養生機制砂混凝土360 d 的強度偏差僅為1.7%。 蒸汽養生機制砂混凝土JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 組360 d 齡期的抗壓強度相較于28 d 齡期分別提高了6.95%、16.14%、11.22%、10.19%、13.45%；在28 d 和180 d齡期時，JZS100、JZS75、JZS50、JZS25 組的抗壓強度較HS 組分別提高了27.53%、10.76%、9.97%、5.54%和18.66%、10.84%、7.68%、1.78%。 此外JZS100 組在90 d 時抗壓強度最大為87.9 MPa，而HS 組則為75.6 MPa。

圖4 不同齡期機制砂混凝土抗壓強度

表2 不同齡期機制砂混凝土抗壓強度 （單位：MPa）

上述變化原因主要在于機制砂顆粒粗糙的表面結構能使其與水泥石之間的結合更為牢固，且石粉能夠進一步填充混凝土內部的孔隙，增強了微觀結構內部的密實性，從而提高了機制砂混凝土的抗壓強度。

3.2 彈性模量

不同機制砂摻量對混凝土彈性模量的影響試驗結果見圖5、表3。 由圖5、表3 可知，蒸汽養生機制砂混凝土各齡期的彈性模量均隨著混凝土中機制砂摻量的增加而提高，并且彈性模量在28～90 d 呈增幅逐漸減小的增長，且在90～180 d 呈現的降低現象，降幅小于2.43%，但仍均大于28 d 齡期的彈性模量，在齡期達到360 d 以后才基本趨于穩定；標準養生的機制砂混凝土28 d 的彈性模量略低于蒸汽養生，但其隨時間呈緩慢增長趨勢，在180 d 后達到最大值且逐漸趨于穩定，此時蒸汽養生與標準養生機制砂混凝土彈性模量偏差僅為1.9%。

圖5 不同齡期機制砂混凝土彈性模量

表3 不同齡期機制砂混凝土彈性模量（單位：GPa）

蒸汽養生機制砂混凝土JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 組360 d 齡期的彈性模量相較于28 d 齡期分別提高了3.20%、4.51%、4.31%、2.89%、3.92%；在28 d 和360 d 齡期時，JZS100、JZS75、JZS50、JZS25組的彈性模量較HS 組分別提高了7.35%、3.19%、2.45%、1.72%和6.60%、3.77%、2.83%、0.71%。 此外JZS100 組在90 d 時抗壓強度最大為46.2 GPa，而HS 組則為44.0 GPa；其變化原因主要在于機制砂顆粒粗糙的表面結構及石粉具備細微填充特性，較河砂混凝土結構內部骨料與膠凝材料粘結咬合緊密，提高其彈性模量。 但是較高溫度的蒸汽養生在加快水化反應的同時，也生成了少量的鈣礬石，在中期約90～180 d 時少量膨脹性的鈣礬石可能會因析出結晶而對內部產生細小的微裂紋，從而使彈性模量略有降低。

3.3 抗折強度

不同機制砂摻量對混凝土抗折強度影響試驗結果見圖6、表4。 由圖6、表4 可知，蒸汽養生機制砂混凝土各齡期的抗折強度均隨著混凝土中機制砂摻量的增加而提高，并且在28～90 d 呈逐漸增長趨勢但增幅減小，在90～180 d 略有降低，降幅小于5.41%，而在180 d 以后基本趨于穩定；標準養生的機制砂混凝土抗折強度均略高于蒸汽養生機制砂混凝土，但最大增幅小于5.9%，且其抗折強度在56 d后基本趨于穩定。 蒸汽養生機制砂混凝土JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 組360 d 齡期的抗折強度相較于28 d 齡期分別提高了4.88%、12.33%、9.72%、6.76%、4.62%；JZS100、JZS75、JZS50、JZS25 組在28 d齡期時抗折強度最低，分別為8.2、7.3、7.2 和6.9 MPa，其相較于HS 組仍分別提高了26.15%、12.31%、10.77%、6.15%；在趨于穩定的180 d 齡期時，抗折強度分別為8.6、8.2、8.0 和7.5 MPa，其相較于HS 組分別提高了22.86%、17.14%、14.29%、7.14%。 主要原因在于機制砂顆粒粗糙的表面物理特性以及合理的石粉含量，能有效提高混凝土結構內部的密實性，增大骨料與膠凝材料的粘結面積，從而提高了機制砂混凝土的抗折強度。

圖6 不同齡期機制砂混凝土抗折強度

表4 不同齡期機制砂混凝土抗折強度（單位：MPa）

4 結論

（1）設計了不同機制砂摻量（0%、25%、50%、75%和100%）的混凝土配合比，制定了機制砂混凝土恒溫溫度為60℃，升降溫速率為10℃/h，恒溫時間為18 h 的蒸汽養生制度，進行了不同齡期蒸汽養生和標準養生機制砂混凝土長期力學性能試驗，結果表明，所有測試組均滿足C60 混凝土基本力學性能指標要求，并且蒸汽養生和標準養生機制砂混凝土長期力學性能指標偏差較小。 （2）蒸汽養生機制砂與河砂混凝土的長期力學性能均能逐漸提高。 其中JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 組360 d 相較于28 d 齡期的抗壓強度提高了6.95%～16.14%；彈性模量提高了2.89%～4.51%； 抗折強度提高了4.62%～12.33%。（3）蒸汽養生機制砂混凝土各齡期的力學性能指標均隨著混凝土中機制砂摻量的增加而顯著提高，并且在28～90 d 呈逐漸增長趨勢，在90～180 d 略有降低，降幅低于小于5.5%，并且其抗壓、抗折強度在180 d 以后基本趨于穩定，彈性模量則在360 d以后基本趨于穩定。 其中JZS100 相較HS 組在180 d齡期時，抗壓強度和抗折強度組分別提高了18.66%和22.86%，在360 d 齡期時彈性模量提高6.60%。