蒸養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a.土木建筑工程學院；b.材料與化工學院，海南 海口 570228)

在道路鋪設工程中，混凝土是當代應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，長期在自然環境和使用環境的作用下，不可避免地會出現破壞現象。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]。國內外已經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。

蒸汽養護(以下簡稱“蒸養”)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運輸成本低、含熱量高、濕度大等優勢。因此，蒸汽養護作為一種常用的加速養護方法，已被廣泛應用于混凝土預制構件生產等領域。但在快速水化的同時，蒸汽養護往往會對混凝土的后期強度和耐久性等產生不利影響[7]。鋼纖維混凝土在快速修補道路[8]、機場道面[9]，而蒸汽養護技術在橋梁構件養護[10]、預制管樁[11]上都已有了一些應用。然而，蒸汽養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，并利用蒸汽養護技術提高其早期強度，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)等手段研究了蒸養制度包括預養時間、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護方案，為將鋼纖維混凝土應用于快速修補路面提供技術支持。

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28d抗彎強度≥8.5 MPa,28 d抗壓強度≥57.5 MPa。硅灰：Elkem國際貿易有限公司生產，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S95型礦渣粉。石子：海南省福山石場生產玄武巖碎石，粒徑3-5 mm。砂：海南產河砂。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 基準混凝土配合比和纖維參數

表1為基準混凝土配合比。

表1 基準混凝土配合比

1.3 試件制備與養護

(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準養護室。

(2)標準養護：24 h脫模，在(20±2) ℃水中養護至齡期28 d。

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

表2 蒸汽養護制度

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

1.4 試驗方式

1.4.1 抗壓強度及抗折強度

試件養護至齡期后取出，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 路面快速修補現場試驗

(1)損壞路面的切割和鑿除

損壞路面的切割區域外形切割成規則的矩形，切割區域為長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護。

(3)混凝土的養護

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生器LDR-0.4-220V輸入蒸汽，開始蒸汽養護，使用溫度傳感器測定保溫材料下的溫度。蒸汽養護制度分別為預養2 h，恒溫2/4 h，預養4 h，恒溫2/4 h，編號為Q1-Q4。路面快速修補現場試驗示意如圖1所示。

圖1 路面快速修補現場試驗示意圖

2 結果與討論

2.1 蒸汽養護制度對纖維混凝土性能的影響

2.1.1 抗壓強度

(1)預養時間

預養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，在蒸養溫度、恒溫時間相同的情況下，混凝土抗壓強度隨預養時間的增長而增強，且預養時間從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。預養時間的增長可以提高混凝土的初始強度，增強抵抗蒸汽養護對結構破壞和殘余變形的能力[12]。預養時間 4 h后，蒸養抗壓強度均達100 MPa以上，其中經90 ℃和100 ℃蒸養強度到達120 MPa以上，最高達到137.3 MPa，為標準養護28 d強度的91%，可認為4h預養時間能夠提供足夠的初始強度抵抗蒸汽養護帶來的負面效果，本文選擇4h為適宜的預養時間。

Rest period/h

(2)恒溫溫度和恒溫時間

如圖3所示，在預養時間、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 ℃時出現下降。混凝土水化程度越高強度越高，適當提高恒溫時間和溫度可以加快膠凝材料的水化反應速率，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，高溫蒸汽養護可能會導致早期結晶成核及晶體生長無序混亂，造成內部結構無序化，結構松散，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展，特別是100 ℃時，恒溫蒸養4 h的強度相較于3 h的強度更低。在蒸養過程中，水汽的熱脹作用將增大混凝土中的空隙量，撐裂水泥石結構，造成內部質量缺陷，最終導致強度降低[15]。

T/℃

t/h

綜上，恒溫和恒溫時間共同決定溫度應力和殘余變形，而預養期提供時間給混凝土發展足夠的初始強度抵抗溫度應力和殘余變形，這三者相互關聯。

2.2.2 X射線衍射分析(XRD)

(1)預養時間

由圖5可知，Ca(OH)2(CH)衍射峰(2θ=18.089，34.088，47.123)強度隨著預養時間的增長而增強，這可能是因為在預養的水化過程中試件內部結構逐漸穩定，對水化反應的進行有一定的控制作用，劇烈的火山灰反應受到抑制，CH無法快速大量消耗[16]。隨著預養時間的增加，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，而強度出現差異是因為蒸養條件不同造成的殘余變形不同。C-S-H的凝膠結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凝膠的化學組成不固定，常隨著溫度、養護程度而發生變化，形態不固定，因此出現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)預養時間

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，可見適當提高恒溫時間和溫度同樣有利于加快水化反應的進行，促進水化程度更完全。但結合強度數據可知，這兩項參數的提升不一定有利于強度的發展。可能是因為蒸汽養護在提升水化反應速率的同時也會增大生成的凝膠密度，導致孔隙率增大[19]。也有研究指出，蒸汽養護會對混凝土產生負效應，且負效應是由于水化產物不均勻分布引起，與水泥水化程度無關[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)為便攜式蒸汽發生器，圖11(c)(d)為混凝土澆筑和蒸汽養護。

λ/cm-1

λ/cm-1

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

(a) 前置處理 (b)蒸汽發生器 (c)混凝土澆筑 (d)蒸汽養護

Steam curing condition

t/min

圖14 路面修補效果圖

3 結論

蒸汽養護可有效提高水泥早期水化反應的速率，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。預養時間、恒溫溫度和恒溫時間三者應優化設計并經試驗驗證，適當提高預養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制度為：預養4 h后，以30 ℃·h-1升溫2h至90 ℃后恒溫4 h。蒸汽養護應用于鋼纖維混凝土快速修補路面是一種行之有效的方法，現場試驗8、10 h強度可分別達到70、80 MPa，現場試驗結果能夠滿足大多數高強度路面快速修復需求。