蒸養(yǎng)制度對路面快速修補用鋼纖維混凝土的性能影響

章 皓，高 帥，殷首義，林培桐，魯劉磊，汪峻峰*

(海南大學(xué)a.土木建筑工程學(xué)院；b.材料與化工學(xué)院，海南 海口 570228)

在道路鋪設(shè)工程中，混凝土是當(dāng)代應(yīng)用最為廣泛建筑材料，其具有強度高、承載能力強、耐久性好等優(yōu)點，同時也存在著抗拉和抗折強度低、易開裂、脆性高的缺點，長期在自然環(huán)境和使用環(huán)境的作用下，不可避免地會出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。因此，亟需進一步提升混凝土路面的性能。由于鋼纖維的增強、阻裂作用，對阻止硬化混凝土裂縫擴展有著良好的效果，可以提高混凝土路面的抗折強度和韌性[1]。國內(nèi)外已經(jīng)開始大量采用鋼纖維混凝土修補路面和機場跑道等，獲得了比較滿意的結(jié)果[2-6]。然而，為了解決混凝土路面修補材料存在的路面開放交通時間偏長等問題，還需要大幅提升混凝土路面的早期強度。

蒸汽養(yǎng)護(以下簡稱“蒸養(yǎng)”)是利用水蒸氣升溫加快混凝土中水泥水化的方法，蒸汽本身又具有生產(chǎn)運輸成本低、含熱量高、濕度大等優(yōu)勢。因此，蒸汽養(yǎng)護作為一種常用的加速養(yǎng)護方法，已被廣泛應(yīng)用于混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)等領(lǐng)域。但在快速水化的同時，蒸汽養(yǎng)護往往會對混凝土的后期強度和耐久性等產(chǎn)生不利影響[7]。鋼纖維混凝土在快速修補道路[8]、機場道面[9]，而蒸汽養(yǎng)護技術(shù)在橋梁構(gòu)件養(yǎng)護[10]、預(yù)制管樁[11]上都已有了一些應(yīng)用。然而，蒸汽養(yǎng)護制度對快速修補路面用鋼纖維混凝土有何影響，研究尚少。

本文制備出一種路面修補用鋼纖維混凝土，并利用蒸汽養(yǎng)護技術(shù)提高其早期強度，以達到快速修補高強路面的目的。采用紅外光譜(FTIR)檢測、X射線衍射檢測(XRD)等手段研究了蒸養(yǎng)制度包括預(yù)養(yǎng)時間、恒溫溫度、恒溫時間對其強度和水化的影響，旨在獲得行之有效的養(yǎng)護方案，為將鋼纖維混凝土應(yīng)用于快速修補路面提供技術(shù)支持。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

水泥：海南華盛天涯有限公司有限公司生產(chǎn)28d抗彎強度≥8.5 MPa,28 d抗壓強度≥57.5 MPa。硅灰：Elkem國際貿(mào)易有限公司生產(chǎn)，淺灰色粉末，SiO2含量≥90%，密度為2.3 g·cm-3。聚羧酸減水劑：山東省德州中科新材料有限公司生產(chǎn)ZK-9A聚羧酸系高性能減水劑，減水率達30%以上。礦粉：海南華盛天涯有限公司生產(chǎn)S95型礦渣粉。石子：海南省福山石場生產(chǎn)玄武巖碎石，粒徑3-5 mm。砂：海南產(chǎn)河砂。鋼纖維：銑削波浪型鋼纖維，長度約為35 mm，寬度約為2 mm，長徑比17.5。

1.2 基準(zhǔn)混凝土配合比和纖維參數(shù)

表1為基準(zhǔn)混凝土配合比。

表1 基準(zhǔn)混凝土配合比

1.3 試件制備與養(yǎng)護

(1)試件制備：按表1比例稱取各組分，將固體材料加入攪拌鍋中，干攪1 min。將減水劑溶解在一半量的水中加入攪拌3 min，然后加入剩余的水再攪拌3 min，加入鋼纖維，再攪拌3 min。最后，裝入模具，在振動臺上振實成型，蓋上塑料薄膜并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室。

(2)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護：24 h脫模，在(20±2) ℃水中養(yǎng)護至齡期28 d。

(3)蒸汽養(yǎng)護：根據(jù)表2進行蒸汽養(yǎng)護，其中P28為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護好10 h 30 min強度，即與蒸養(yǎng)完成最長時間相同齡期強度，P29為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d強度。使用儀器為蘇州東華試驗儀器有限公司生產(chǎn)ZKY-400型蒸汽快速養(yǎng)護箱。養(yǎng)護程序為：預(yù)養(yǎng)-升溫-恒溫-降溫。其中初始溫度為30 ℃，升溫時間為2 h，溫度為蒸汽快速養(yǎng)護箱顯示溫度，降溫方式為自然降溫30 min。

表2 蒸汽養(yǎng)護制度

(4)凈漿制備：取膠凝材料并按上述步驟(1)制備凈漿試件，在不同養(yǎng)護方式養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

1.4 試驗方式

1.4.1 抗壓強度及抗折強度

試件養(yǎng)護至齡期后取出，按照《水泥膠砂強度檢測方法》(GB/T 17671-1999)中的測定步驟進行。

1.4.2 X射線衍射(XRD)

取養(yǎng)護3 d齡期的凈漿試件，破碎后去除表面層并浸泡在無水乙醇中，分析前取出后于40 ℃干燥至衡重，研磨后過200目篩，取過篩粉末進行XRD分析，衍射角度(2θ)為5°～80°，40 kV，40 mA。

1.4.3 紅外光譜(FTIR)

取養(yǎng)護3d齡期的凈漿試件，破碎后去除表面層并浸泡在無水乙醇中，分析前取出后于40℃干燥至衡重，研磨后過200目篩，取過篩粉末進行紅外光譜分析。選擇天津港東科技公司的FTIR-650傅立葉變換紅外光譜儀，光譜波長范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4.0 cm-1。

1.5 路面快速修補現(xiàn)場試驗

(1)損壞路面的切割和鑿除

損壞路面的切割區(qū)域外形切割成規(guī)則的矩形，切割區(qū)域為長50 cm×寬50 cm×深10 cm。

(2)混凝土的澆筑

按表1配合比和上述制備方法拌和混凝土，拌和完成后立即進行澆筑施工，并使用振搗棒振搗，搗實后抹平。同時成型10 cm×10 cm×10 cm混凝土試塊置于修補部分旁，與修補部分在相同條件下養(yǎng)護。

(3)混凝土的養(yǎng)護

在混凝土澆筑和抹面完成后，立即在混凝土表面上覆蓋一層塑料薄膜并澆水保持濕潤。一定時間后用保溫材料將修補部分和試塊覆蓋，保溫材料周邊用重物壓實，使用全自控電加熱蒸汽發(fā)生器LDR-0.4-220V輸入蒸汽，開始蒸汽養(yǎng)護，使用溫度傳感器測定保溫材料下的溫度。蒸汽養(yǎng)護制度分別為預(yù)養(yǎng)2 h，恒溫2/4 h，預(yù)養(yǎng)4 h，恒溫2/4 h，編號為Q1-Q4。路面快速修補現(xiàn)場試驗示意如圖1所示。

圖1 路面快速修補現(xiàn)場試驗示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸汽養(yǎng)護制度對纖維混凝土性能的影響

2.1.1 抗壓強度

(1)預(yù)養(yǎng)時間

預(yù)養(yǎng)期是指從混凝土試件澆筑成型后到使用蒸汽升溫之前在常溫下放置的時間段。如圖2所示，在蒸養(yǎng)溫度、恒溫時間相同的情況下，混凝土抗壓強度隨預(yù)養(yǎng)時間的增長而增強，且預(yù)養(yǎng)時間從2增長至4 h時和從0增長至2 h時強度提升幅度前者提升幅度明顯高于后者。預(yù)養(yǎng)時間的增長可以提高混凝土的初始強度，增強抵抗蒸汽養(yǎng)護對結(jié)構(gòu)破壞和殘余變形的能力[12]。預(yù)養(yǎng)時間 4 h后，蒸養(yǎng)抗壓強度均達100 MPa以上，其中經(jīng)90 ℃和100 ℃蒸養(yǎng)強度到達120 MPa以上，最高達到137.3 MPa，為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d強度的91%，可認(rèn)為4h預(yù)養(yǎng)時間能夠提供足夠的初始強度抵抗蒸汽養(yǎng)護帶來的負(fù)面效果，本文選擇4h為適宜的預(yù)養(yǎng)時間。

Rest period/h

(2)恒溫溫度和恒溫時間

如圖3所示，在預(yù)養(yǎng)時間、恒溫時間相同時，抗壓強度并不一定隨恒溫溫度的升高而增強，多組試驗強度在恒溫溫度從80 ℃升高至90 ℃時增強，從90 ℃升高至100 ℃時出現(xiàn)下降。混凝土水化程度越高強度越高，適當(dāng)提高恒溫時間和溫度可以加快膠凝材料的水化反應(yīng)速率，進而提高混凝土的早期強度。但恒溫時間和恒溫溫度越高，其對混凝土膨脹的影響也就越大，混凝土的孔隙率和有害孔含量隨之增大，造成混凝土后期強度的損失和耐久性下降[13]。此外，高溫蒸汽養(yǎng)護可能會導(dǎo)致早期結(jié)晶成核及晶體生長無序混亂，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)無序化，結(jié)構(gòu)松散，強度不足[14]。同理，恒溫時間的延長也不一定促進強度的進一步發(fā)展，特別是100 ℃時，恒溫蒸養(yǎng)4 h的強度相較于3 h的強度更低。在蒸養(yǎng)過程中，水汽的熱脹作用將增大混凝土中的空隙量，撐裂水泥石結(jié)構(gòu)，造成內(nèi)部質(zhì)量缺陷，最終導(dǎo)致強度降低[15]。

T/℃

t/h

綜上，恒溫和恒溫時間共同決定溫度應(yīng)力和殘余變形，而預(yù)養(yǎng)期提供時間給混凝土發(fā)展足夠的初始強度抵抗溫度應(yīng)力和殘余變形，這三者相互關(guān)聯(lián)。

2.2.2 X射線衍射分析(XRD)

(1)預(yù)養(yǎng)時間

由圖5可知，Ca(OH)2(CH)衍射峰(2θ=18.089，34.088，47.123)強度隨著預(yù)養(yǎng)時間的增長而增強，這可能是因為在預(yù)養(yǎng)的水化過程中試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，對水化反應(yīng)的進行有一定的控制作用，劇烈的火山灰反應(yīng)受到抑制，CH無法快速大量消耗[16]。隨著預(yù)養(yǎng)時間的增加，C-S-H衍射峰強(2θ=29.355，32.053)明顯降低，說明在水泥水化早期升溫會增加C-S-H凝膠的結(jié)晶程度。

2θ/degree

(2)恒溫溫度和恒溫時間

不同恒溫溫度和時間的XRD如圖6、圖7所示，恒溫溫度和時間對CH的含量影響不明顯。CH含量接近，而強度出現(xiàn)差異是因為蒸養(yǎng)條件不同造成的殘余變形不同。C-S-H的凝膠結(jié)晶程度會隨著恒溫時間的延長和恒溫溫度的升高而增高，但C-S-H凝膠的化學(xué)組成不固定，常隨著溫度、養(yǎng)護程度而發(fā)生變化，形態(tài)不固定，因此出現(xiàn)了恒溫溫度較低和恒溫時間較短時，C-S-H衍射峰強度較低的情況。

2.2.3 紅外光譜分析(FTIR)

(1)預(yù)養(yǎng)時間

2θ/degree

2θ/degree

λ/cm-1

(2)恒溫溫度和恒溫時間

由圖9，10可知，970 cm-1處的吸收峰隨著恒溫溫度和恒溫時間的提高而加強，可見適當(dāng)提高恒溫時間和溫度同樣有利于加快水化反應(yīng)的進行，促進水化程度更完全。但結(jié)合強度數(shù)據(jù)可知，這兩項參數(shù)的提升不一定有利于強度的發(fā)展。可能是因為蒸汽養(yǎng)護在提升水化反應(yīng)速率的同時也會增大生成的凝膠密度，導(dǎo)致孔隙率增大[19]。也有研究指出，蒸汽養(yǎng)護會對混凝土產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，且負(fù)效應(yīng)是由于水化產(chǎn)物不均勻分布引起，與水泥水化程度無關(guān)[20]。因此，盡管水化程度更完全，卻不一定更有利于強度的提高。

2.3 路面快速修補現(xiàn)場試驗

圖11(a)為路面修補試驗對破損路面的處理，圖11(b)為便攜式蒸汽發(fā)生器，圖11(c)(d)為混凝土澆筑和蒸汽養(yǎng)護。

λ/cm-1

λ/cm-1

受蒸汽發(fā)生器性能、材料保溫性能和環(huán)境等多方面因素影響，現(xiàn)場試驗溫度無法進行定量控制。使用溫度傳感器測得蒸養(yǎng)過程中溫度變化曲線如圖13所示，在現(xiàn)場試驗過程中，經(jīng)過約85 min溫度從36 ℃升高至峰值80 ℃，隨后在65 ℃～80 ℃間波動。蒸養(yǎng)完成后測得同時成型相同養(yǎng)護的試塊強度如圖12所示，在蒸汽養(yǎng)護條件下，6，8，10 h混凝土抗壓強度分別達到60，70，80 MPa，且抗壓強度均隨預(yù)養(yǎng)時間和恒溫時間的增長而增強，現(xiàn)場試驗結(jié)果已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)高強度路面快速修復(fù)需求。路面修補試驗效果圖如圖14所示。

(a) 前置處理 (b)蒸汽發(fā)生器 (c)混凝土澆筑 (d)蒸汽養(yǎng)護

Steam curing condition

t/min

圖14 路面修補效果圖

3 結(jié)論

蒸汽養(yǎng)護可有效提高水泥早期水化反應(yīng)的速率，但過高的恒溫溫度和過長的恒溫時間不利于提高強度提升。預(yù)養(yǎng)時間、恒溫溫度和恒溫時間三者應(yīng)優(yōu)化設(shè)計并經(jīng)試驗驗證，適當(dāng)提高預(yù)養(yǎng)時間可提供足夠高的初始強度，使鋼纖維混凝土能夠承受較高的恒溫溫度和恒溫時間。在實驗室條件下，鋼纖維混凝土最適宜的蒸養(yǎng)制度為：預(yù)養(yǎng)4 h后，以30 ℃·h-1升溫2h至90 ℃后恒溫4 h。蒸汽養(yǎng)護應(yīng)用于鋼纖維混凝土快速修補路面是一種行之有效的方法，現(xiàn)場試驗8、10 h強度可分別達到70、80 MPa，現(xiàn)場試驗結(jié)果能夠滿足大多數(shù)高強度路面快速修復(fù)需求。