蒸養工藝對路緣石性能的影響

賈義衛,楊 曉,馮偉風,王先亮,程 志

(1.山東金鵬交通能源科技有限公司,濟寧 272413; 2.山東里海工程技術有限公司,濟南 250003)

預制構件生產中,熱處理會提高水泥水化反應速率,提高混凝土早期強度。為了提高混凝土構件的脫模效率和生產效率,通常會在養護前期使用蒸汽養護[1,2]。蒸汽養護包括靜停階段、升溫階段、恒溫階段和降溫階段。靜停階段是混凝土提高初始結構強度的重要時期,升溫階段是影響混凝土結構的形成的關鍵時期,恒溫階段是混凝土性能增強的關鍵時期[3,4]。目前,相關學者已經對混凝土蒸養工藝進行了大量研究,認為與混凝土的標準養護相比,雖然蒸養過程中水化產物并沒有發生明顯改變,但是其原材料反應的相變過程、相變順序和水化進程均有明顯的變化,其中涉及到的物理化學變化更加復雜,宏觀上表現出在不同階段采用不同的蒸養條件對混凝土力學性能和耐久性會產生明顯不同的影響[5]。對于不同強度等級、不同水灰比、不同制備條件下成型的混凝土,其蒸養工藝最佳條件也會產生較大差異。干硬性混凝土是采用較低水灰比制備的、需要在一定壓力條件下成型的混凝土。干硬性混凝土的蒸養工藝已有學者進行詳細的研究[6],但是,在超低水灰比條件下進行高強度振動壓制干硬性混凝土路緣石的蒸養工藝尚未有相關研究。水灰比的降低和振動成型荷載的進一步升高,有利于路緣石結構更加密實,但對路緣石的蒸養工藝要求也所有不同。蒸汽養護條件設置不合理會增加混凝土內部結構缺陷,導致混凝土綜合性能出現劣化。因此,有必要通過研究超低水灰比、高振動成型荷載條件下對干硬性混凝土路緣石抗壓強度和吸水率的影響,為干硬性混凝土路緣石生產工藝的優化和性能的提升提供技術支撐。

1 試 驗

1.1 原材料

干硬性混凝土路緣石生產用原材料包括水泥、粉煤灰、砂子、碎石、外加劑和水。水泥采用山水集團生產的PO42.5普通硅酸鹽水泥;粉煤灰采用市售二級粉煤灰;骨料中,河砂細度模數2.6,含泥量0.1%;石子粒徑為3～5 mm和5～8 mm,3～5 mm碎石針片狀含量為4%,泥塊含量0.2%;5～8 mm碎石針片狀含量3%,泥塊含量0.1%。外加劑包括聚羧酸減水劑、三萜皂甙引氣劑和羥丙基甲基纖維素保水劑,減水劑減水率為29.5%,推薦摻量為2%,三萜皂甙摻量為0.03%;保水劑為十萬粘度羥丙基甲基纖維素,摻量為0.03%。

水泥和粉煤灰化學組成如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰化學組成 /%

1.2 路緣石制備

干硬性路緣石混凝土基礎配合比如表2所示。

表2 干硬性混凝土路緣石配合比

按表2中的配合比制備干硬性混凝土,制備時將減水劑、引氣劑和保水劑倒入水中完全溶解后,再與固體材料混合。制備成干硬性混凝土拌合物后,將拌合物加入路緣石模具內,采用振動壓磚機壓制成型,脫模后進行蒸汽養護。蒸養過程包括靜停、升溫、恒溫和降溫階段,影響因素包括靜停時間、升溫速率、恒溫時間、恒溫溫度和蒸養濕度等。基于上述因素,設置不同蒸養工藝條件養護混凝土。同時,由于試驗包括五個因素、四個水平,進行全面試驗時試驗量較大,因此在試驗過程中選取正交試驗設計方法進行試驗設計。正交設計方法能夠依據試驗目的,對多種因素進行綜合考慮,擬定出的試驗方案克服了因缺乏經驗而盲目追求試驗次數的缺陷,試驗具有代表性且能夠對結果作出評估,結果可靠。按照試驗中因素個數及水平個數,選取L16(45)正交試驗表,正交試驗設計如表3所示。

蒸養時間達到24 h后取出,在室溫下靜置1 h后,測試混凝土的出窯抗壓強度。剩余樣品轉移苫蓋后,室溫養護至28 d齡期,測試混凝土的28 d抗壓強度。

表3 蒸養工藝參數

1.3 試驗方法

路緣石測試性能包括出窯抗壓強度、28 d抗壓強度和吸水率。出窯抗壓強度和28 d抗壓強度檢測是將路緣石從蒸養達到24 h和達到28 d齡期后取出,在室溫下靜置1 h,然后從面層中心處向下切割100 mm×100 mm×100 mm試樣,按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》的規定測試抗壓強度。混凝土路緣石吸水率的測試按JC/T 899—2016《混凝土路緣石》規定的試驗方法進行檢測。

2 結果與討論

正交試驗路緣石出窯抗壓強度、28 d抗壓強度和吸水率試驗結果如表4所示。

表4 正交試驗路緣石性能

從表4中可以看出,不同組合形成的蒸養工藝對混凝土路緣石出窯抗壓強度、28 d抗壓強度和吸水率影響較大。為更好地分析不同的蒸養條件對混凝土路緣石性能的影響,采用極差值分析法來分析不同的蒸養工藝條件對路緣石力學性能和吸水率的影響,結果如表5所示。

表5 路緣石抗壓強度和吸水率均值和極差值

從表5中可以看出,各影響因素對路緣石抗壓強度的影響程度重要性不同,對于不同齡期的路緣石抗壓強度主次影響因素也存在較大差異。對于路緣石出窯抗壓強度而言,影響程度從大到小依次為:恒溫溫度>靜停時間>蒸養濕度>恒溫時間>升溫速率。對于路緣石28 d抗壓強度而言,影響程度從大到小依次為:蒸養濕度>靜停時間>恒溫溫度>恒溫時間>升溫速率。對于路緣石吸水率而言,影響程度從大到小依次為:靜停時間>蒸養濕度>恒溫時間>升溫速度>恒溫溫度。

混凝土在高溫蒸養過程中易受到熱脹作用的影響。蒸養之前的靜停時間越長,其初期結構強度越高,抵抗熱脹作用的能力越高,那么蒸養過程中的熱脹作用對混凝土結構的不利影響就越能夠被消減,同時對混凝土后期強度的增長和耐久性的提升也具有重要意義。蒸養初期的升溫階段是需要蒸養試塊達到蒸養溫度的必經階段。升溫速率的高低對混凝土試件的性能影響較大。一般而言,隨著升溫速率的提升,水泥水化速度會明顯加快,快速提高混凝土的早期強度,但是當升溫速率過快,則會造成混凝土內部的水分子和空氣的熱脹作用出現快速增加,從而對混凝土結構造成內在破壞壓力,影響混凝土整體結構的穩定性,從而造成混凝土性能劣化。而且,在升溫過程中,升溫速率過快,也會加快混凝土內外部水分子通過毛細孔的遷移速率,從而造成更多的連通孔,對混凝土抗壓強度、吸水率、耐久性等造成不利影響。同時,升溫速率過快會造成內外溫差不均衡,外部水化反應劇烈,但是由于溫度傳導需要時間,內部反應速度較慢,使其內外強度發展不均勻,從而產生不同程度的微裂紋,對混凝土強度產生不利影響。蒸養升溫之后的恒溫階段是蒸養過程中水化反應的重要階段,是混凝土結構體進行強度提升和結構加固的重要階段。在該階段,影響蒸養工藝的主要因素包括恒溫的時間長短和恒溫的溫度高低。根據現有研究,恒溫溫度越高,越能夠促進水泥水化,也有助于加快摻合料粉煤灰活性的激發,提高混凝土路緣石的早期強度;但是當恒溫溫度過高時,則會造成蒸養過程中膠凝材料水化反應劇烈,內部結構變化加快,影響混凝土構件整體的穩定性。一般而言,隨著恒溫時間的延長,混凝土的水化反應程度越高,越能夠提高混凝土的早期強度。但是現有研究發現,恒溫時間過長,會造成混凝土強度出現上下波動發展,反而不會繼續對混凝土強度的提升產生積極作用。因此,控制恒溫階段的恒溫溫度和恒溫時間對混凝土性能的優化至關重要。除此之外,影響整個蒸養過程中的因素主要是蒸養濕度。蒸養濕度主要影響混凝土水化速率和進程,蒸養濕度越高,水泥水化過程中自由水含量越充足,水泥中參與水化離子溶出濃度和溶出速率增加,有利于水泥水化反應。反之,蒸養濕度越低,反而需要從混凝土表面逐漸吸收水分以達到內外濕度平衡,反而會造成混凝土微裂紋產生,造成混凝土強度下降。

根據上述蒸養工藝中不同因素的影響規律,結合路緣石出窯抗壓強度、28 d抗壓強度和吸水率影響因素影響程度的大小分析,可以看出,無論是出窯抗壓強度、28 d抗壓強度還是抗水滲透能力的提升,都需要保證混凝土結構的穩定,減少內部微裂紋的產生,保證混凝土試件結構的穩定性。因此,抵抗混凝土蒸養過程中熱脹作用影響的靜停時間、影響混凝土水化反應速度和反應穩定的蒸養濕度、影響混凝土反應速率的蒸養溫度是較為重要的因素。而升溫速率雖然是影響混凝土水化反應的重要因素,但是其本身升溫速率從5 ℃/h提高至20 ℃/h,其升溫時間較短,對于干硬性混凝土這種本身通過高強度壓制而成的混凝土結構本身的影響較小。恒溫時間的影響較小也說明在試驗條件下設置的養護時間內,其強度增長已達到相對穩定的趨勢,其本身的長短,對混凝土出窯抗壓強度和28 d抗壓強度影響較小,尤其是恒溫階段后期,采取的是被動降溫過程,在降溫過程中也能夠進行長時間的水化,整個蒸養過程的時間持續達24 h,因此可以極大地削弱恒溫時間的影響。而在靜停時間、蒸養濕度和蒸養溫度中,對于出窯抗壓強度而言,蒸養溫度的提升能夠最大程度提高混凝土水泥水化反應速率,對于其早期強度提升最為有利;而早期混凝土中的含水率相對充足,蒸養濕度影響相對較低,所以影響相對較小。但是對于28 d抗壓強度而言,早期蒸養濕度能夠極大程度地提高干硬性混凝土內部的濕度和含水量,在蒸養結束后的苫蓋室溫養護過程中能夠進一步促進水泥水化,提高混凝土抗壓強度。因為干硬性混凝土含水率極低,僅有0.18,所以濕度對其重要性至關重要,因此在28 d抗壓強度的影響因素中,蒸養濕度最為重要。對于吸水率而言,在混凝土配合比相同、密實度相同的情況下,要提高混凝土吸水率,則需要盡可能減少內部缺陷,減少內外連通孔隙的數量,因此蒸養前用于抵抗蒸養過程中熱脹影響的靜停時間最為重要,而蒸養濕度有利于提高后期強度,改善其吸水率,也較為重要。恒溫溫度和升溫速度的影響則相對較小。

通過對不同因素的均值分析,可知路緣石出窯抗壓強度最佳蒸養條件為靜停時間控制在4.5～6.5 h,升溫速率控制在5～15 ℃/h之間,恒溫時間9 h,恒溫溫度65 ℃,蒸養濕度85%～95%。路緣石28 d抗壓強度最佳蒸養條件為靜停時間6.5 h,升溫速率為10 ℃/h,恒溫時間9～12 h,恒溫溫度55 ℃,蒸養濕度85%～95%。路緣石吸水率最佳蒸養條件為靜停時間6.5 h,升溫速率為10 ℃/h,恒溫時間9 h,恒溫溫度55～65 ℃,蒸養濕度85%～95%。

3 結 語

通過對超低水灰比高成型壓力條件下制備的干硬性混凝土蒸養工藝的研究,基于正交試驗設計分析了蒸養過程中靜停時間、升溫速率、恒溫溫度、恒溫時間以及蒸養濕度對路緣石出窯抗壓強度、28 d抗壓強度和吸水率的影響。

研究結果表明,上述因素中,對路緣石出窯抗壓強影響程度從大到小依次為:恒溫溫度>靜停時間>蒸養濕度>恒溫時間>升溫速率;對路緣石28 d抗壓強度影響程度從大到小依次為:蒸養濕度>靜停時間>恒溫溫度>恒溫時間>升溫速率;對路緣石吸水率程度從大到小依次為:靜停時間>蒸養濕度>恒溫時間>升溫速度>恒溫溫度。通過對不同因素的均值分析,路緣石蒸養工藝的條件設定為靜停時間為4.5～6.5 h,升溫速率為10 ℃/h,恒溫時間9 h,恒溫溫度55 ℃,蒸養濕度85%～95%。