蒸汽養(yǎng)護對混凝土力學性能和耐久性的影響

劉書程

（1. 中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2. 中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北 武漢 430040）

0 前言

蒸汽養(yǎng)護混凝土通常以蒸汽的熱濕作用來促進強度發(fā)展，主要用于生產(chǎn)預制混凝土構(gòu)件。自二十世紀 50年代以來，我國大力發(fā)展裝配式結(jié)構(gòu)，蒸養(yǎng)預制混凝土構(gòu)件得到了較快發(fā)展，到 80 年代中期達到鼎盛[1]。蒸養(yǎng)混凝土已成為 21 世紀混凝土技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，由于蒸養(yǎng)可提高混凝土早期強度、加快模具周轉(zhuǎn)速率、提高生產(chǎn)效率，已成為混凝土預制構(gòu)件常用的生產(chǎn)工藝。采用該方法制備的高強混凝土已在各類工程，特別是大型重點基礎設施的混凝土結(jié)構(gòu)中得到越來越廣泛的應用[2]。但是蒸汽養(yǎng)護在提高混凝土早期硬化速率的同時，也會對混凝土耐久性，特別是抗?jié)B透性能產(chǎn)生一定的負面影響[3]。

混凝土耐久性，是指其抵抗環(huán)境介質(zhì)的作用，并長期保持良好的使用性能和外觀完整性，從而維持混凝土結(jié)構(gòu)的安全和正常使用的能力[4]。混凝土是近現(xiàn)代使用最廣泛的建筑材料。長期以來，人們一直以為混凝土是一種非常耐久的材料，從而忽視了它的耐久性問題[5]。然而，近四五十年來，混凝土結(jié)構(gòu)物因材料耐久性不足而過早劣化的事例在國內(nèi)外屢見不鮮，各國為此付出了慘重代價。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的日益突出，引起了世界各國學術(shù)機構(gòu)、學者和工程技術(shù)人員對加強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的重視[6]。

在新疆這種鹽堿富集區(qū)的基礎設施建設中，由于混凝土在澆筑成型后直接與地下水或土中的鹽堿溶液接觸，混凝土比較容易受鹽堿溶液的侵蝕。鹽堿溶液中同時存在氯離子和硫酸鹽，氯離子能夠擴散到混凝土內(nèi)部，引起鋼筋銹蝕，從而降低結(jié)構(gòu)的承載力，硫酸鹽可導致混凝土膨脹開裂，導致結(jié)構(gòu)破壞而縮短混凝土的使用壽命[7]。新疆依若高速某標段地處阿爾金山，平均海拔 3000m，十月底平均氣溫降至 5℃ 以下，冬季時間長、氣溫低，而該標段箱梁設計總數(shù)一千多片，為了加快工期，冬季施工采取蒸汽養(yǎng)護來提高效率。該地區(qū)地質(zhì)條件惡劣、冬季氣溫低，對混凝土耐久性要求高。本文以新疆依若高速為依托，以 C50 箱梁混凝土為例，研究蒸汽養(yǎng)護對混凝土強度和耐久性的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用若羌天山 P·O42.5 水泥；粉煤灰采用巴州泛宇 F 類Ⅱ級粉煤灰。

粗集料采用若羌石廠所產(chǎn)碎石兩種單粒徑級配搭配，粒徑范圍分別為 4.75～9.5mm、9.5～19.0mm 以4:6 的比例摻配，表觀密度 2730kg/m3，滿足連續(xù)級配，碎石針片狀含量為 10.1%，含泥量為 1.9%。

細集料選用天然砂，細度模數(shù)為 3.0，屬于Ⅱ區(qū)中砂，含泥量 2.7%，表觀密度 2620kg/m3。

1.2 試驗配合比及養(yǎng)護方式

試驗用混凝土為現(xiàn)場使用的混凝土，由攪拌站生產(chǎn)，所有混凝土拌合物從同一盤混凝土中取樣，并在試驗室成型。試驗所用配合比如表 1，并在混凝土配合比中單摻 15% 粉煤灰取代水泥，研究其對強度、耐久性的影響。試樣制備完成后分別采取兩種養(yǎng)護方式：

表1 耐久性能試驗配合比 kg/m3

（1）標準養(yǎng)護：試件成型后，移至試驗室養(yǎng)護，靜置 1 天后拆模放入溫度為 (20±2)℃、相對濕度為95% 以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，養(yǎng)護 28d 后取出試件，放在自然條件下。

（2）蒸汽養(yǎng)護：試件成型后將其放入梁廠箱梁下方，隨箱梁一同進行蒸汽養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度為 65℃ 左右，蒸養(yǎng)時間為 5h，蒸汽養(yǎng)護結(jié)束后便拆模，然后在室溫下自然冷卻，之后移至環(huán)境下與產(chǎn)品一同進行自然養(yǎng)護。

每一項試驗分為兩組配合比、兩種養(yǎng)護方式，共四組，記為 A-1、A-2 和 B-1、B-2，A-1 為純水泥混凝土經(jīng)標準養(yǎng)護的試件；A-2 為純水泥混凝土經(jīng)蒸汽養(yǎng)護的試件；B-1 為摻粉煤灰混凝土經(jīng)標準養(yǎng)護的試件；B-2為摻粉煤灰混凝土經(jīng)蒸汽養(yǎng)護的試件。

1.3 試驗方法

耐久性試驗包括抗凍試驗、抗氯離子滲透試驗、碳化試驗和抗硫酸鹽侵蝕試驗，試驗方法依據(jù) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的相關(guān)規(guī)定進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 長齡期強度

試件分別養(yǎng)護到至 1d、7d、28d、56d、90d 和180d 齡期，測試各齡期的抗壓強度。試驗抗壓強度值見表 2，強度隨齡期變化見圖 1。

表2 混凝土抗壓強度 MPa

圖1 混凝土抗壓強度

經(jīng)過蒸汽養(yǎng)護的混凝土早期抗壓強度要高于標準養(yǎng)護的，但是后期強度（28d、56d、90d、180d）要低于標準養(yǎng)護；同時可以看出摻粉煤灰混凝土早期抗壓強度明顯低于純水泥混凝土的，但是后期強度增長較快，摻粉煤灰混凝土經(jīng)標準養(yǎng)護后抗壓強度在 180d 時達到最大，均高于其他組，而標準養(yǎng)護的純水泥混凝土 90d 抗壓強度在各組中最高，之后抗壓強度增長變緩；在蒸汽養(yǎng)護條件下，摻粉煤灰混凝土 180d 的強度要高于純水泥混凝土的，表明在原配合比中摻入粉煤灰能提高蒸養(yǎng)混凝土的后期強度。

2.2 抗氯離子滲透性

本文采用快速氯離子擴散系數(shù)法（Rapid Chloride Permeability Test，簡稱 RCM）測定氯離子在混凝土中非穩(wěn)態(tài)遷移的遷移系數(shù)來評價混凝土的抗氯離子滲透性能。制作試件使用Φ100mm×100mm 試模。試件的養(yǎng)護齡期為 28d 和 56d。

各試驗混凝土不同齡期的氯離子擴散系數(shù) DRCM結(jié)果 如表 3 所示。

表3 不同齡期混凝土氯離子擴散系數(shù) ×10-12m2/s

圖 2 顯示了不同養(yǎng)護制度下不同膠凝材料混凝土的抗氯離子滲透性能的試驗結(jié)果，分析結(jié)果可以看出：混凝土氯離子擴散系數(shù)隨著養(yǎng)護齡期的延長而減小，而且，蒸汽養(yǎng)護下的混凝土氯離子擴散系數(shù)的衰減要更加明顯；與標準養(yǎng)護相比，蒸汽養(yǎng)護條件下純水泥混凝土和摻粉煤灰混凝土的氯離子擴散系數(shù)均要更高，無論是 28d 還是 56d 的氯離子擴散系數(shù)，表明蒸養(yǎng)混凝土抗氯離子滲透性能較差；同樣的養(yǎng)護條件下，呈現(xiàn)出摻粉煤灰混凝土的氯離子擴散系數(shù)要低于純水泥混凝土的現(xiàn)象，表明在混凝土中摻入粉煤灰取代水泥能明顯地提高箱梁混凝土的抗氯離子滲透性能。

圖2 氯離子擴散系數(shù) DRCM

2.3 抗凍融循環(huán)

抗凍融循環(huán)試驗本文采用快凍法。試塊尺寸為100mm×100mm×400mm 的棱柱體試塊，試件養(yǎng)護24d 后放入 (20±2)℃ 水中浸泡，浸泡 4d 后取出，用濕布擦干試件表面水分，然后測量試件的初始質(zhì)量和橫向基頻。然后將試件放在混凝土快速凍融試驗機中進行凍融試驗，每隔 25 次測量一下試件的質(zhì)量和橫向基頻，直至達到規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)，或試件的相對動彈性模量下降到 60%，或者試件的質(zhì)量損失率達到 5%。

相對動彈性模量試驗結(jié)果見表 4 和圖 3。

表4 相對動彈性模量 %

圖3 相對動彈性模量

圖3 顯示了養(yǎng)護制度對不同膠凝材料混凝土的抗凍性能影響的試驗結(jié)果，分析結(jié)果可以看出：隨著凍融循環(huán)試驗的進行，各組的相對動彈性模量都在降低，蒸汽養(yǎng)護的下降幅度高于標準養(yǎng)護；可以看出蒸汽養(yǎng)護對混凝土的抗凍性能有較為明顯的影響，蒸汽養(yǎng)護的純水泥混凝土在凍融循環(huán) 125 次時，相對動彈性模量便低于60%，結(jié)構(gòu)遭到破壞，而標準養(yǎng)護的混凝土在凍融循環(huán)150 次后，還未被破壞，與蒸汽養(yǎng)護的混凝土試件對比來看，標準養(yǎng)護的混凝土抗凍融性能更加優(yōu)異；同時還可以看出，不論是蒸汽養(yǎng)護還是標準養(yǎng)護，加入粉煤灰之后，都能提高混凝土的抗凍性能。

2.4 抗碳化

混凝土的碳化試驗采用棱柱體試件，試件尺寸為100mm×100mm×400mm。試件養(yǎng)護到 26d 時取出，在 60℃ 下烘干 48h，然后再進行碳化試驗。試件在碳化到 3d、7d、14d 和 28d 時，取出試件，在壓力試驗機上劈裂，測定碳化深度。

試件不同齡期混凝土的碳化深度如表 5，碳化深度與時間關(guān)系曲線如圖 4。

表5 混凝土不同齡期的碳化深度 mm

由圖 4 可知，各組試件的碳化深度均較小，碳化28d 時的碳化深度很小，最大也只有 2.11mm；前期 A-1的碳化深度最小，其次依次為 B-1、A-2、B-2，碳化到28d 時，摻粉煤灰混凝土在蒸汽養(yǎng)護條件下的碳化深度最大，但在標準養(yǎng)護條件下碳化深度最小，隨著碳化齡期的延長，碳化深度越來越大，可以很明顯地看出標準養(yǎng)護試件的碳化深度要小于蒸汽養(yǎng)護試件的碳化深度；蒸汽養(yǎng)護方式下，摻粉煤灰混凝土的碳化深度要高于純水泥混凝土的碳化深度，而標準養(yǎng)護條件下，對比純水泥混凝土，摻粉煤灰混凝土的碳化深度呈現(xiàn)早期較大而后期較小的規(guī)律。

圖4 混凝土碳化深度

2.5 抗硫酸鹽侵蝕

本文主要采用抗壓強度的變化來表征混凝土損壞的程度。試件養(yǎng)護 56d 后，開始用 5% Na2SO4溶液進行干濕循環(huán)試驗，在 120d 及 150d 時測試一次抗壓強度，并與未經(jīng)干濕循環(huán)的同齡期試件進行對比。

各組試件養(yǎng)護到 56d 測試強度，試驗養(yǎng)護強度及干濕循環(huán) 120d、150d 強度如表 6，抗壓強度耐蝕系數(shù)見表 7。

表6 試驗抗壓強度

表7 抗壓強度耐蝕系數(shù)

所有試驗組的混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)都大于75%，抗硫酸鹽等級都能達到 KS150，表明混凝土硫酸鹽抗侵蝕能力較好。可以看到經(jīng)蒸汽養(yǎng)護的混凝土的抗硫酸鹽性能要低于標準養(yǎng)護的混凝土；在經(jīng)過 150 次干濕循環(huán)后，摻粉煤灰混凝土的耐蝕系數(shù)要高于純水泥混凝土的。

3 結(jié)論

本文從 C50 箱梁混凝土的物理力學性能、抗氯離子滲透性、碳化、抗凍性、抗硫酸鹽侵蝕性能等方面研究混凝土構(gòu)件在蒸汽養(yǎng)護條件下和標準養(yǎng)護條件下的差異，可以得到如下結(jié)論：

（1）蒸汽養(yǎng)護方式能加快膠凝材料的水化速度，提高混凝土的早期強度，但后期強度增長變緩，相較于標準養(yǎng)護方式，蒸汽養(yǎng)護方式對混凝土的耐久性會產(chǎn)生影響，降低混凝土的耐久性，現(xiàn)場施工中還應調(diào)整蒸汽養(yǎng)護的升溫速度、養(yǎng)護溫度。

（2）在混凝土中加入粉煤灰摻合料，雖然早期強度較低，但粉煤灰能改善混凝土后期強度和耐久性，粉煤灰可以減弱蒸養(yǎng)對混凝土性能的負面影響。