汪冬冬，田偉麗，王成啟

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

我國高強(qiáng)混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)，廣泛采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式。高速鐵路的箱梁、預(yù)制軌道板、地鐵混凝土管片、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁等均采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。實(shí)踐證明，蒸氣養(yǎng)護(hù)可以促進(jìn)混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)，縮短混凝土脫模時(shí)間，加快模具的周轉(zhuǎn)，縮短生產(chǎn)周期，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

但目前國內(nèi)外許多研究[1-5]發(fā)現(xiàn)蒸汽養(yǎng)護(hù)在提高混凝土早期硬化速度的前提下，對(duì)混凝土產(chǎn)生一定負(fù)面影響。在較高溫度下養(yǎng)護(hù)硅酸鹽水泥混凝土，會(huì)降低其對(duì)氯離子滲透的抵抗力，采用礦渣、硅灰等礦物摻合料可在一定程度上改善蒸養(yǎng)對(duì)混凝土的不利影響。美國上世紀(jì)60年代建造的舊金山海灣San Mateo-Hayward大橋采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的浪濺區(qū)預(yù)制橫梁，1980年不得不進(jìn)行耗資巨大的修補(bǔ)。Mehta等人[6]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)部分梁腐蝕嚴(yán)重，自然養(yǎng)護(hù)的梁未出現(xiàn)腐蝕。已有研究普遍認(rèn)為：蒸汽養(yǎng)護(hù)加速水泥水化，促進(jìn)強(qiáng)度發(fā)展的同時(shí)引起“腫脹”作用。升溫或降溫階段表里之間產(chǎn)生溫度梯度和氣壓差，并促成水、氣體的轉(zhuǎn)移，造成定向通路，形成連通孔隙，進(jìn)而對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能產(chǎn)生不利影響。

本研究?jī)?nèi)容為不同養(yǎng)護(hù)方式及摻礦粉對(duì)混凝土的力學(xué)性能、抗氯離子滲透性能和抗凍性能影響的試驗(yàn)研究。

1 原材料及試驗(yàn)特性

水泥為海螺牌PⅡ52.5水泥；礦渣為S95級(jí)?；郀t礦渣粉，比表面積為400m2/kg；減水劑為上海三瑞聚羧酸高效減水劑；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.70，級(jí)配區(qū)間Ⅱ區(qū)的河砂，表觀密度2.61 g/cm3；粗骨料為粒徑5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度2.71 g/cm3；水為自來水。

2 試驗(yàn)方案與方法

采用摻礦粉和不摻礦粉兩種C80混凝土配合比（表1）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并分別采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)兩種不同養(yǎng)護(hù)方式：1）標(biāo)養(yǎng)：混凝土成型后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，待齡期達(dá)到28 d后測(cè)試。2）蒸養(yǎng)：靜停2 h、升溫3 h、恒溫（70℃）7 h、降溫2 h。蒸養(yǎng)后混凝土移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，待齡期達(dá)到28 d后測(cè)試。分別對(duì)混凝土的力學(xué)性能和耐久性能指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)參照J(rèn)TJ 270-98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》；抗氯離子滲透試驗(yàn)采用ASTM C1202《混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、《混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定方法》（RCM法）和NTBUILD 443《北歐氯離子滲透試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》?；炷量箖鲈囼?yàn)參照GBJ82-85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》快凍法。

表1 混凝土配合比 kg·m-3

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表2試驗(yàn)結(jié)果看出，蒸養(yǎng)對(duì)提高混凝土早期強(qiáng)度有利，蒸汽養(yǎng)護(hù)使混凝土在較短的時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度迅速提高，但28 d齡期抗壓強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度。軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)出相似規(guī)律。由此可見，蒸汽養(yǎng)護(hù)可以促進(jìn)混凝土早期強(qiáng)度提高，但對(duì)最終強(qiáng)度可能有負(fù)面影響。

表2 標(biāo)養(yǎng)混凝土與蒸養(yǎng)混凝土力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比

根據(jù)表3及圖1～圖4，兩種不同養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的耐久性能指標(biāo)對(duì)比情況，蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生不利影響。經(jīng)過蒸汽養(yǎng)護(hù)后，混凝土的電通量、擴(kuò)散系數(shù)增大，抗凍等級(jí)降低，其中擴(kuò)散系數(shù)和抗凍性指標(biāo)受到影響較為明顯，尤其是抗凍。蒸養(yǎng)條件下和標(biāo)養(yǎng)條件下同種混凝土抗凍差別明顯，蒸養(yǎng)后的混凝土抗凍性明顯下降。

采用ASTM C1202快速氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果見表3及圖1，采用RCM法和NTBUILD 443兩種試驗(yàn)方法測(cè)試的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果見表3及圖2?？梢娊?jīng)過蒸養(yǎng)后的混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大，并且氯離子擴(kuò)散系數(shù)受到的影響更為顯著。摻加礦粉后混凝土的電通量和擴(kuò)散系數(shù)降低，可在一定程度上彌補(bǔ)蒸養(yǎng)對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的不利影響。

表3 標(biāo)養(yǎng)混凝土與蒸養(yǎng)混凝土耐久性能指標(biāo)對(duì)比

圖1 ASTM C1202混凝土電通量試驗(yàn)結(jié)果

圖2 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

采用NTBUILD 443高濃度鹽水自然浸泡試驗(yàn)的氯離子濃度—深度曲線見圖3。根據(jù)圖3，摻礦粉混凝土（KB、KZ）氯離子濃度隨深度衰減較快，由此可見礦粉對(duì)提高混凝土抗氯離子滲透性有利；對(duì)于同一配方混凝土，蒸養(yǎng)混凝土氯離子濃度隨深度衰減較慢，由此可見蒸養(yǎng)對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性不利。

圖3 NT BUILD 443法氯離子濃度曲線

采用GBJ82-85快凍法進(jìn)行的抗凍試驗(yàn)結(jié)果見表3及圖4。根據(jù)圖4相對(duì)動(dòng)彈性模量的試驗(yàn)曲線可見，不摻礦粉的蒸養(yǎng)混凝土JZ抗凍性極差，僅經(jīng)過100次凍融循環(huán)，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量已經(jīng)迅速衰減到60%，而在自然養(yǎng)護(hù)條件下的同種混凝土JB歷經(jīng)300次凍融循環(huán)，相對(duì)動(dòng)彈性模量幾乎無衰減，直到500次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量才衰減到60%。對(duì)于摻25%礦粉的標(biāo)養(yǎng)混凝土KB，歷經(jīng)1 000次凍融循環(huán)后混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量仍在90%以上，抗凍性極高，而摻25%礦粉的蒸養(yǎng)混凝土KZ的相對(duì)動(dòng)彈性模量也是在500次凍融循環(huán)后才開始衰減。

圖4 快凍法相對(duì)動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

4 蒸養(yǎng)混凝土微觀分析

為了進(jìn)一步分析蒸養(yǎng)對(duì)耐久性指標(biāo)影響較大的原因，分別對(duì)抗凍試驗(yàn)前后的混凝土進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）分析，研究硬化水泥石的微觀晶體結(jié)構(gòu)，并對(duì)比分析礦粉對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響。

4.1 蒸養(yǎng)混凝土硬化水泥石微觀結(jié)構(gòu)

圖5、圖6是摻25%礦粉與不摻礦粉的蒸養(yǎng)混凝土放大500倍的SEM照片，可以看出摻25%礦粉的混凝土硬化水泥漿體的相對(duì)密實(shí)，漿體比較均勻并缺陷較少；而不摻礦粉的混凝土硬化水泥漿體局部存在不夠密實(shí)和相對(duì)疏松的區(qū)域。圖7、圖8分別是摻25%礦粉與不摻礦粉混凝土放大15 000倍的SEM照片，可見摻25%礦粉的硬化漿體中的水化產(chǎn)物分布均勻且礦物搭接緊密、缺陷較少，不摻礦粉的漿體結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，局部可見氫氧化鈣晶體，并且在氫氧化鈣晶體的周圍礦物間的孔隙相對(duì)較大。根據(jù)上述分析說明礦粉對(duì)混凝土硬化水泥漿體的改善作用明顯，礦粉充分發(fā)揮“微集料密實(shí)填充”效應(yīng)和“火山灰活性效應(yīng)”，水化產(chǎn)物填充在氫氧化鈣的周圍使硬化漿體的密實(shí)程度提高。

圖5 凍融試驗(yàn)前混凝土KZ（500倍）

圖6 凍融試驗(yàn)前混凝土JZ（500倍）

圖7 凍融試驗(yàn)前混凝土KZ（15 000倍）

圖8 凍融試驗(yàn)前混凝土JZ（15 000倍）

4.2 凍融循環(huán)后混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

圖9是摻25%礦粉混凝土經(jīng)300次凍融循環(huán)后放大200倍的SEM照片，可見硬化漿體并未出現(xiàn)破壞，骨料和漿體之間的黏結(jié)仍然完好。此時(shí)的混凝土的宏觀狀態(tài)是外觀完好，相對(duì)動(dòng)彈性模量幾乎無衰減。圖10是不摻礦粉混凝土150～200次凍融循環(huán)后放大500倍的SEM照片，可見硬化水泥漿體已經(jīng)很疏松，并且漿體中存在局部可見的微細(xì)裂縫。與此狀態(tài)對(duì)應(yīng)的混凝土宏觀狀態(tài)是混凝土表面出現(xiàn)漿體剝落的顯現(xiàn)，相對(duì)動(dòng)彈性模量已經(jīng)衰減至60%以下。

圖9 KZ經(jīng)300次凍融循環(huán)后（200倍）

圖10 JZ經(jīng)150～200次凍融循環(huán)后（500倍）

圖11、圖12分別是上述兩種混凝土（KZ、JZ）兩種狀態(tài)下放大15 000倍的SEM照片。這兩張照片的差別更為明顯，摻礦粉的KZ圖11與圖7對(duì)比，硬化漿體變化不大，凍融300循環(huán)后漿體仍很密實(shí)；而從不摻礦粉混凝土JZ歷經(jīng)150～200次凍融循環(huán)后硬化漿體在被放大15 000倍的SEM照片可見，硬化漿體已經(jīng)被破壞得很嚴(yán)重，漿體結(jié)構(gòu)相當(dāng)疏松，殘留的氫氧化鈣晶體明顯可見。

圖11 KZ經(jīng)300次凍融循環(huán)后（15 000倍）

圖12 JZ經(jīng)150～200次凍融循環(huán)后（15 000倍）

5 小結(jié)

根據(jù)上述分析，得出以下主要結(jié)論：

1）蒸養(yǎng)對(duì)混凝土耐久性不利，降低混凝土的抗氯離子滲透性和抗凍性，尤其是對(duì)抗凍性不利影響更為明顯。

2）混凝土中摻入礦粉可改善硬化水泥石微觀結(jié)構(gòu)，緩解蒸養(yǎng)對(duì)混凝土的不利影響。

3）對(duì)有耐久性要求的工程，蒸汽養(yǎng)護(hù)需要慎重采用，建議對(duì)蒸養(yǎng)混凝土的耐久性指標(biāo)嚴(yán)格控制，并適當(dāng)采用礦物摻合料同時(shí)應(yīng)注意優(yōu)化蒸養(yǎng)工藝參數(shù)改善漿體結(jié)構(gòu)，弱化蒸養(yǎng)對(duì)耐久性的不利影響。

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