預制混凝土管片的高效保濕養護方法

曹繼濤 謝永江 董全霄 程冠之 栗少清

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081

混凝土管片的質量直接關系著隧道整體結構的質量和安全，影響隧道結構的防水性能及耐久性能。預制混凝土管片澆筑成型后，其混凝土強度仍會隨水化程度的提升而進一步發展。為使混凝土充分水化，保證混凝土達到預期的性能要求，避免出現早期收縮不均、易產生裂縫等問題，應進行合理的養護［1-2］。

水是混凝土水化凝結過程中的重要成分，也是影響混凝土強度及耐久性能發展的重要因素?；炷两Y構在水化凝結的過程中通常會形成豐富的納米級凝膠孔和微米級毛細孔道。Powers［3］建立了硬化水泥漿體相體積分布經驗模型，將水泥漿體中的水分為化學結合水、物理結合水及游離水。水化反應產生的結合水一般不會發生遷移和擴散，吸附在凝膠孔表面的物理結合水不易蒸發，而可蒸發和可遷移的水分通常存在毛細孔和大孔中。在混凝土早期水化過程中，毛細孔隙中的游離水易受外界環境影響而發生遷移和蒸發，從而引起混凝土內部相對濕度下降。當毛細孔內的相對濕度低于80%時混凝土結構中膠凝材料的水化反應會很難進行，這將對混凝土強度及耐久性能的發展造成不利影響。保持高濕度養護環境可以抑制混凝土內部水分散失，保障混凝土性能發展［4-6］。

不同混凝土養護方式的保濕養護效果可能相差很大。水池養護、覆蓋+灑水養護（覆蓋土工布并進行不定期灑水處理）、噴淋養護是混凝土管片在完成蒸養預制后常用的養護方式。水池養護占用大量場地，綜合造價較高［7-8］；覆蓋+灑水養護和噴淋養護在后期的保濕效果仍存在明顯不足。因此，開展新型保濕養護方法的研究很有必要。

高效保濕養護毯作為一種新型保濕養護材料，具備高效儲水、有效保濕、強度高且重復使用性能好的特點。它由高強度高韌性薄膜材料、可控儲水釋水高分子材料以及高強度吸水土工紡織材料復合而成。本文通過試驗研究高效保濕養護毯的養護效果以及該養護工藝對混凝土保濕效果和收縮性能的影響。

1 試驗方案

高效保濕養護毯（簡稱養護毯）采用中國鐵道科學研究院研發的TK-YH-CT型高效保濕養護毯材料。

預制混凝土管片（簡稱管片）選用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積為375 m2/kg；細骨料選用細度模數為2.8的天然河砂；粗骨料選用粒徑為5～20 mm連續級配的碎石；粉煤灰選用符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的Ⅰ級粉煤灰；減水劑選用符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》的聚羧酸系高性能減水劑。試驗用水為自來水。

管片混凝土的設計強度等級為C60，坍落度控制在80 ～100 mm。質量配合比為水泥∶粉煤灰∶河砂∶碎石∶減水劑∶水=370∶70∶620∶1 200∶1.7∶145。按配合比稱取原材料并攪拌2 min，制成混凝土試件。

1.1 相對濕度監測

制備3 組尺寸為100 mm×100 mm×400 mm 的混凝土試件，每組6個。為模擬混凝土生產工藝，混凝土試件成型后蒸汽養護6 h，養護溫度為50 ℃，相對濕度大于95%。蒸汽養護結束后拆模，分別進行露天養護、覆蓋+灑水養護、養護毯養護（覆蓋養護毯并進行一次性飽水處理）。在14 d 養護齡期內對每組混凝土試件所處養護環境進行相對濕度數據采集并繪制數據變化曲線。

1.2 混凝土收縮率測試

制備3 組尺寸為100 mm×100 mm×515 mm 的混凝土試件，每組3個。試件養護條件同1.1節。在28 d養護齡期內對每組混凝土試件的收縮數值進行采集。取每組3個試件的平均值作為該組的試驗結果。

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，使用立式混凝土收縮儀進行接觸法測試。各試件之間的間隙大于30 mm。測試結果按標準公式進行計算，得出混凝土收縮率。

1.3 混凝土抗壓強度測試

制備2 組尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的混凝土試件，每組3 個。試件蒸汽養護條件同1.1 節。拆模后分別進行水池養護+露天養護（水池養護7 d 后取出，放置露天環境下自然養護至28 d）、養護毯養護。參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，到達7 d 和14 d 齡期時從不同養護條件下取出試件并進行抗壓強度測試。取每組3個試件的平均值作為該組的試驗結果。

1.4 混凝土耐久性能測試

制備 2 組直徑(100 ± 1) mm、高度(50 ± 2) mm 的圓柱體混凝土試件，每組3 個。試件養護條件同1.3節。養護28 d后對每組試件進行混凝土耐久性測試［9］。取每組3個試件的平均值作為該組的試驗結果。

混凝土耐久性能測試參照GB/T 50082—2009 中的相關方法進行。電通量測試時，將圓柱體試件放置在盛有陰極溶液為3.0% NaCl 溶液和陽極溶液為0.3 mol/L NaOH 溶液的水槽中，在60 V 的外加電場下持續通電6 h，以該時間內通過混凝土電量的高低來判斷混凝土的抗氯離子滲透能力。氯離子擴散系數采用滲透系數法進行測試，將試件放置在正負極分別為0.2 mol/L KOH 溶液和含 5%NaCl的 0.2 mol/L KOH 溶液的水槽中，采用30 V 直流電加速氯離子的滲透，以劈裂試件測量氯離子的滲透高度，計算滲透系數。

2 試驗結果與分析

2.1 養護方式對混凝土保濕效果的影響

不同養護方式下混凝土試件所處環境的相對濕度隨時間的變化曲線見圖1。可知，不同養護條件下混凝土試件的環境濕度不同。其中，覆蓋+灑水養護下的相對濕度略高于露天養護；14 d養護齡期內，養護毯覆蓋下的混凝土試件穩定于90%以上的相對濕度環境，這說明養護毯能夠創造更穩定的高濕度養護條件，為混凝土后期水化及性能發展提供可靠條件。

圖1 不同養護方式下的養護濕度變化曲線

2.2 養護方式對混凝土收縮性能的影響

混凝土收縮應變是影響微裂紋形成的主要因素，更與其耐久性能密切相關?；炷羶炔康拿毸植粩嗟叵蛲獠窟w移和蒸發，導致混凝土結構產生應力梯度，形成收縮態勢，引發微裂紋甚至結構破壞。

不同養護方式下C60混凝土試件的相對收縮率隨時間的變化曲線見圖2。

圖2 不同養護方式下C60混凝土試件的相對收縮率

由圖2可知：①露天養護和覆蓋+灑水養護下的混凝土 28 d 的收縮率分別為 2.13 × 10-4和 1.90 × 10-4，采用養護毯養護的混凝土28 d 收縮率為1.03 × 10-4，與前兩種養護方式相比分別降低了52%和46%，收縮微應變明顯降低。②在養護毯的高濕度養護下，混凝土收縮變形的發展速率一直保持在較低水平，這進一步說明高濕度養護條件對抑制混凝土內部毛細水分的遷移和蒸發是有利的，可以保證混凝土后期水化所需的水分，有利于促進凝膠孔和毛細孔結構的細化，減少應力收縮形變，提升混凝土的耐久性能。

2.3 養護方式對混凝土抗壓強度的影響

不同養護方式下混凝土試件7 d 和14 d 抗壓強度測試結果見表1。可知：①在7 d 養護齡期內，水池養護和養護毯養護的混凝土試件強度增長速率基本相當，抗壓強度分別達到54.1 MPa 和53.4 MPa。這說明養護毯的高濕度養護條件與水池養護作用相當，可以有效抑制混凝土內部水分蒸發，保障混凝土內部水化反應的進行。②露天養護條件下，14 d 齡期的混凝土抗壓強度僅比7 d抗壓強度增長了1.6 MPa，而養護毯養護下的混凝土抗壓強度增長了2.8 MPa。這是因為養護毯覆蓋下穩定的高濕度環境促使了混凝土的水化發展。因此，長時間維持養護環境的高濕度，有利于保障混凝土的后期強度發展。

表1 不同養護方式下混凝土試件的抗壓強度

2.4 養護方式對混凝土耐久性能的影響

對不同養護方式下的混凝土試件的電通量和氯離子擴散系數進行測試。結果表明，28 d齡期時，水池養護+自然養護下混凝土的電通量和氯離子擴散系數分別為 3 137 C 和 11.36 × 10-12m2/s，而養護毯養護下分別為 2 976 C 和 9.55 × 10-12m2/s，分別降低了 5.1%和15.9%。這是因為混凝土在較高的濕度養護條件下內部的水化發展程度較高，混凝土整體結構密實程度較高。因此，持續保持較高的養護濕度對混凝土耐久性能的發展是非常重要的。

3 養護毯保濕效果現場驗證

預制混凝土管片在生產過程中，為加快模具的周轉速率、提升生產效率，通常采用蒸汽養護→水池養護→自然養護的模式。在混凝土管片澆筑成型后先進行靜停養護，然后進行蒸汽養護，經歷升溫、恒溫和降溫三個階段，待管片的抗壓強度大于20 MPa時便可脫模。脫模后將混凝土管片由室內運往室外放置在養護水池中7 d，然后轉運至存放區完成自然養護至28 d齡期［10-11］。

為進一步驗證養護毯對預制混凝土管片的保濕效果，預制混凝土管片完成脫模后由室內轉運至室外，用飽水養護毯進行覆蓋養護。14 d養護齡期內，養護毯內相對濕度和外部環境相對濕度的變化曲線見圖3?？芍捎灭B護毯養護可實現一次性飽水處理，在14 d 養護期內，混凝土管片所處養護環境的相對濕度始終大于90%，這與之前的試驗結果是一致的。

圖3 養護毯現場試驗保濕效果

相對于水池養護來說，采用養護毯養護在創造穩定且較高濕度養護環境的同時，可以節省水池的施工建造成本，實現混凝土管片脫模后一次性轉運至存放區完成后期養護，減少管片吊裝搬運次數，降低開裂風險，在避免浪費大量水資源的同時提升養護質量。

4 結論

1）高效保濕養護毯作為一種新型養護材料，能夠實現一次性飽水，14 d 高效保濕，相對濕度始終大于90%，為混凝土的水化反應及性能發展創造有利條件。

2）與覆蓋+灑水養護方式相比，采用高效保濕養護毯養護的混凝土強度發展較快，28 d 收縮率降低了46%。

3）與混凝土管片的水池養護+露天養護方式相比，采用高效保濕養護毯養護的混凝土28 d 電通量和28 d 氯離子擴散系數分別降低了5.1%和15.9%，促進毛細孔道進一步水化發展，增強混凝土結構密實性能，提升了混凝土的耐久性能。

4）高效保濕養護毯材料在保障養護質量的同時，節省了水池建造成本，降低了綜合養護費用，滿足工程需求，為混凝土管片制品的后期養護提供了新的方法和思路。