高超，劉正洪，姬勇剛，李家和，袁剛，程賢明，周永祥

（1.國(guó)家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3.云南交投公路建設(shè)第二工程有限公司，云南 昆明 650228；4.云南臨云高速公路有限公司，云南 臨滄 675800）

蒸養(yǎng)能夠加快混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度，進(jìn)而加快預(yù)制構(gòu)件模板的周轉(zhuǎn)，提高生產(chǎn)效率，梁、地鐵盾構(gòu)管片、管樁、軌枕等混凝土預(yù)制構(gòu)件主要采用蒸養(yǎng)工藝進(jìn)行工廠化預(yù)制生產(chǎn)[1-4]。早期高溫養(yǎng)護(hù)在加速膠凝材料水化進(jìn)程時(shí)會(huì)造成水化產(chǎn)物分布不均勻、微結(jié)構(gòu)損傷等問題，從而導(dǎo)致經(jīng)蒸養(yǎng)的混凝土后期力學(xué)性能等低于標(biāo)養(yǎng)的預(yù)制構(gòu)件[5-6]。針對(duì)上述問題，有學(xué)者進(jìn)行了蒸養(yǎng)制度對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)、抗壓強(qiáng)度、抗沖擊性、脆性、耐久性的影響研究，并研究了減少蒸養(yǎng)對(duì)混凝土后期性能不利影響的改善措施。馬昆林等[7]的研究表明，蒸養(yǎng)造成混凝土大于200 nm 以上的有害孔比例遠(yuǎn)高于標(biāo)養(yǎng)。彭波[8]的研究表明，提高恒溫溫度可增加水化產(chǎn)物的粗短纖維狀晶體數(shù)量，從而提高早期強(qiáng)度，但易增加未水化顆粒周圍的屏蔽膜，不利于混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)。謝友均等[9]的研究表明，蒸養(yǎng)溫度的升高使混凝土峰值應(yīng)力顯著降低，應(yīng)變率效應(yīng)顯著提高。胡益彰[10]的研究表明，復(fù)合礦物摻合料可減輕高溫蒸養(yǎng)對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的不利影響，減小干燥收縮。賀智敏[11]的研究表明，隨著蒸養(yǎng)溫度的升高，混凝土的脆性增大，摻入礦物摻合料可改善蒸養(yǎng)混凝土的脆性。張國(guó)良等[12]的研究表明，復(fù)合摻合料能提高混凝土的脫模強(qiáng)度和模板周轉(zhuǎn)率。王發(fā)洲等[13]的研究表明，內(nèi)養(yǎng)護(hù)能加快蒸養(yǎng)水泥砂漿的總體水化程度。

基于上述研究，本試驗(yàn)研究蒸養(yǎng)溫度對(duì)C50 混凝土脫模強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗壓彈模、收縮和受壓徐變的影響，并進(jìn)一步研究了低堿速凝劑和硫鋁酸鹽水泥對(duì)C50 混凝土凝結(jié)時(shí)間、脫模強(qiáng)度、減水劑用量、標(biāo)養(yǎng)和經(jīng)蒸養(yǎng)后不同齡期強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)研究結(jié)果為預(yù)制構(gòu)件選擇蒸養(yǎng)溫度和配合比提供一定的參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）膠凝材料：P·O42.5 水泥（OPC）、Ⅱ級(jí)粉煤灰、S95 級(jí)礦渣粉、低堿速凝劑、42.5 級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥（R·SAC），主要技術(shù)性能分別見表1～表4。

表1 2種水泥的主要技術(shù)性能

表2 粉煤灰的主要技術(shù)性能

表3 礦渣粉的主要技術(shù)性能

表4 低堿速凝劑的主要技術(shù)性能

（2）骨料：粗骨料為5～25 mm 連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，堆積密度1461 kg/m3，飽和面干吸水率0.9%；細(xì)骨料為天然砂，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量0.8%。

（3）減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率28%，泌水率比≤20%，坍落度保留值（1 h）≥140 mm。

（4）水：自來水。

1.2 C50 混凝土配合比

參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》配制C50混凝土，配合比見表5，混凝土拌合物坍落度為150～180 mm。

表5 C50 混凝土配合比 kg/m3

1.3 養(yǎng)護(hù)條件

混凝土成型后分別采用4種不同養(yǎng)護(hù)條件：養(yǎng)護(hù)方式Y(jié)1為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)[溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度大于95%]；養(yǎng)護(hù)方式Y(jié)2、Y3、Y4 為先蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)制度為成型后靜停3 h，以15 ℃/h的速率升溫至恒溫溫度（Y2、Y3、Y4 分別為50、60、70 ℃），恒溫4 h，以15 ℃/h 的速率降溫至20 ℃后轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

1.4 試驗(yàn)方法

混凝土的凝結(jié)時(shí)間：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；混凝土的抗壓強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和靜力受壓彈性模量：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；混凝土的收縮、徐變性能：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土耐久性和長(zhǎng)期性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，收縮采用接觸法在3 d 齡期時(shí)從標(biāo)養(yǎng)室取出移入恒溫恒濕室[溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度（60±5）%]開始測(cè)試，徐變采用在28 d齡期時(shí)加荷。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土性能的影響

2.1.1 對(duì)力學(xué)性能的影響（見表6）

表6 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

由表6 可知：

（1）隨著蒸養(yǎng)恒溫溫度的升高，脫模強(qiáng)度大幅度提高，恒溫溫度為60 ℃與70 ℃的脫模強(qiáng)度分別為50 ℃時(shí)的127%、171%，這是由于膠凝材料水化速度與溫度在一定范圍內(nèi)正相關(guān)，蒸養(yǎng)時(shí)早期的溫度越高，水泥水化速度和礦物摻合料二次水化速度也越快，水泥水化產(chǎn)物和礦物摻合料二次水化反應(yīng)形成的低鈣硅比C-S-H，將骨料與未水化膠凝材料形成具有局部較高密實(shí)度的水泥石，從而使早期的脫模強(qiáng)度隨著恒溫溫度的升高而顯著提高[14]。

（2）隨著蒸養(yǎng)恒溫溫度的升高，28 d 齡期時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗壓彈性模量均逐漸降低，且均低于標(biāo)養(yǎng)混凝土。由此可知，蒸養(yǎng)會(huì)對(duì)混凝土后期力學(xué)性能發(fā)展產(chǎn)生不利影響，蒸養(yǎng)恒溫溫度50 ℃時(shí)對(duì)混凝土28 d 的力學(xué)性能影響較小，抗壓強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗壓彈性模量均可達(dá)到標(biāo)養(yǎng)混凝土的90%以上。

雖然經(jīng)過蒸養(yǎng)的混凝土早期強(qiáng)度較高，但高溫養(yǎng)護(hù)使水化產(chǎn)物沒有足夠的時(shí)間擴(kuò)散，分布不均勻，鈣礬石和氫氧化鈣結(jié)晶程度低、顆粒粗大，C-S-H 凝膠顆粒尺寸也變大、顆粒之間的邊界清晰，使得混凝土的密實(shí)程度變差[14]。不均勻的熱膨脹變形導(dǎo)致水化產(chǎn)物與骨料界面過渡區(qū)出現(xiàn)微裂紋，鈣礬石容易在微裂紋處形成并富集，進(jìn)一步導(dǎo)致微裂紋的擴(kuò)展。蒸養(yǎng)過程中水分向蒸汽轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的熱脹力會(huì)對(duì)水化產(chǎn)物及與骨料界面過渡區(qū)等產(chǎn)生膨脹壓，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞作用，繼而產(chǎn)生微裂紋[11]。這些因素會(huì)抵消一部分蒸養(yǎng)加速水化進(jìn)程帶來的正面作用，不利于混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展，都會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，低于同齡期的標(biāo)養(yǎng)混凝土。

隨著蒸養(yǎng)恒溫溫度從50 ℃升高至70 ℃，蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)進(jìn)一步促進(jìn)水化產(chǎn)物的形成，特別是加快了礦物摻合料的水化反應(yīng)，生成更多的C-S-H 凝膠，大量的凝膠孔使混凝土總孔隙率增加，C-S-H 凝膠表面及孔壁存在大量凝膠水。蒸養(yǎng)恒溫溫度升高，水由液體向氣體轉(zhuǎn)變的速度增加，膨脹壓力差逐漸增大，在混凝土內(nèi)部形成連通性孔隙，對(duì)混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的破壞作用也越強(qiáng)。隨著蒸養(yǎng)恒溫溫度的升高，水化產(chǎn)物分布的均勻性進(jìn)一步變差，混凝土的密實(shí)度降低。因此，蒸養(yǎng)恒溫溫度越高，28 d 抗壓強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗壓彈性模量降低幅度越大。

2.1.2 收縮性能

不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土收縮率的影響如圖1所示。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土收縮率的影響

由圖1 可知，標(biāo)養(yǎng)和蒸養(yǎng)混凝土的自收縮在60 d 以前增長(zhǎng)較快，60～180 d 增長(zhǎng)緩慢。標(biāo)養(yǎng)和蒸養(yǎng)恒溫溫度為50、60、70℃條件下，180 d 收縮率分別為346×10-6、319×10-6、301×10-6、274×10-6，60 d 收縮率占180 d 收縮率分別為89%、88%、92%、95%。隨著蒸養(yǎng)恒溫溫度的升高，各齡期收縮率逐漸降低，且均低于標(biāo)養(yǎng)。這主要是混凝土在蒸養(yǎng)期間水泥水化和礦物摻合料二次水化速度快，蒸養(yǎng)期間產(chǎn)生的混凝土自收縮占總的自收縮量較大的比例，而且高強(qiáng)混凝土的自收縮占總收縮量較大比例，因此蒸養(yǎng)混凝土在不同齡期的收縮率均小于標(biāo)養(yǎng)。隨著恒溫溫度升高，水泥水化和礦物摻合料二次水化的速度也越快，蒸養(yǎng)期間產(chǎn)生的混凝土自收縮占總的自收縮比例也就越大；另一方面，蒸養(yǎng)時(shí)混凝土內(nèi)部的大量凝膠水出現(xiàn)膨脹，使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微小裂縫和連通孔隙，孔徑分布往粗孔演化，由拉普拉斯方程可知毛細(xì)負(fù)壓因而下降，混凝土自干燥產(chǎn)生的收縮應(yīng)力降低。因此隨著蒸養(yǎng)溫度的升高，各齡期收縮率逐漸降低。

2.1.3 受壓徐變性能

不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土徐變度的影響如圖2所示。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土徐變度的影響

由圖2 可知，標(biāo)養(yǎng)和蒸養(yǎng)混凝土的徐變度從開始加載至30 d 時(shí)增長(zhǎng)較快，加載30～90 d 時(shí)混凝土的徐變度增長(zhǎng)幅度減緩，加載90～180 d 時(shí)混凝土的徐變度增長(zhǎng)緩慢，標(biāo)養(yǎng)和蒸養(yǎng)恒溫溫度為50、60、70 ℃條件下，加載至90 d 的徐變度占加載至180 d 徐變度的88%、92%、92%、95%。隨著恒溫溫度的升高，不同齡期的徐變度增大，均高于標(biāo)養(yǎng)的徐變度。蒸養(yǎng)時(shí)混凝土固液氣相均會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮行為，由于水泥和礦物摻合料在蒸養(yǎng)時(shí)快速水化，混凝土體系中液相含量降低，混凝土在經(jīng)歷蒸養(yǎng)階段迅速形成連通剛性骨架而具備較高強(qiáng)度，使得由蒸汽升溫造成的體積膨脹無法再恢復(fù)至初始狀態(tài)，蒸養(yǎng)后液相和氣相的體積冷縮相對(duì)固相較大，因此固相將受到較大的應(yīng)力作用，對(duì)于混凝土的凝膠孔和界面過度區(qū)產(chǎn)生一定的微觀裂縫[11]；另一方面，蒸養(yǎng)使C-S-H 凝膠、鈣礬石和氫氧化鈣等水化產(chǎn)物的顆粒粗大，分布不均勻，顆粒之間的邊界清晰，進(jìn)而水化產(chǎn)物之間接觸點(diǎn)變少，受壓時(shí)容易產(chǎn)生相對(duì)滑移。這2 方面原因均造成蒸養(yǎng)混凝土受壓徐變度較標(biāo)養(yǎng)混凝土大。

不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土從28 d 齡期加載至180 d 的徐變系數(shù)見表7。

表7 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土從28 d 齡期加載至180 d 的徐變系數(shù)

由表7 可知，隨著蒸養(yǎng)恒溫溫度的升高，不僅受壓徐變度增加，徐變系數(shù)也增大，且均高于標(biāo)養(yǎng)的徐變系數(shù)。綜合考慮蒸養(yǎng)溫度對(duì)混凝土的力學(xué)性能、收縮性能和受壓徐變性能的影響，后續(xù)選擇蒸養(yǎng)恒溫溫度50 ℃作為養(yǎng)護(hù)制度。

2.2 低堿速凝劑和硫鋁酸鹽水泥對(duì)混凝土性能的影響

為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率、縮短凝結(jié)時(shí)間、提高脫模強(qiáng)度，同時(shí)提高混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度，并研究對(duì)混凝土長(zhǎng)齡期強(qiáng)度的影響情況，試驗(yàn)在表5 配合比（JZ）的基礎(chǔ)上，研究不同摻量硫鋁酸鹽水泥和低堿速凝劑對(duì)減水劑用量、混凝土凝結(jié)時(shí)間、脫模強(qiáng)度、28～90 d 齡期的標(biāo)養(yǎng)與蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，拌合物坍落度控制在150～180 mm，結(jié)果見表8、表9。

表8 低堿速凝劑和硫鋁酸鹽水泥對(duì)減水劑用量、混凝土凝結(jié)時(shí)間及脫模強(qiáng)度的影響

由表8 可知：（1）低堿速凝劑和硫鋁酸鹽水泥的加入均一定程度上增加了減水劑用量，摻1%、2%低堿速凝劑時(shí)減水劑用量增加較多，較基準(zhǔn)分別增加22%、40%；摻6%、20%硫鋁酸鹽水泥時(shí)減水劑用量較基準(zhǔn)分別增加7%、9%。（2）低堿速凝劑和硫鋁酸鹽水泥均能加速水化進(jìn)程，水化初期就大量生成鈣礬石，大幅度縮短混凝土的凝結(jié)時(shí)間，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物不斷增多[15-16]，顯著提高混凝土的脫模強(qiáng)度。摻1%、2%低堿速凝劑時(shí)初凝時(shí)間分別縮短至190、150 min；摻6%硫鋁酸鹽水泥初凝時(shí)間由350 min 縮短至180 min，當(dāng)摻量增至20%時(shí)，初凝時(shí)間大幅度縮短至100 min；終凝時(shí)間也相應(yīng)縮短。（3）摻1%、2%低堿速凝劑與6%、20%硫鋁酸鹽水泥時(shí)的脫模強(qiáng)度較基準(zhǔn)分別提高16%、47%、10%、70%。

表9 低堿速凝劑與硫鋁酸鹽水泥對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表9 可知，基準(zhǔn)組和摻入低堿速凝劑、硫鋁酸鹽水泥后的混凝土在標(biāo)養(yǎng)下28、56、90 d 抗壓強(qiáng)度均高于經(jīng)過蒸養(yǎng)的混凝土；摻入低堿速凝劑、硫鋁酸鹽水泥均能提高標(biāo)養(yǎng)和蒸養(yǎng)的抗壓強(qiáng)度，且隨著齡期的延長(zhǎng)持續(xù)提高，說明低堿速凝劑和硫鋁酸鹽水泥在后期均持續(xù)促進(jìn)發(fā)生水化反應(yīng)，形成致密的鈣礬石骨架，使?jié){體形成致密的結(jié)構(gòu)[15-16]，但基準(zhǔn)組、摻入低堿速凝劑、硫鋁酸鹽水泥混凝土標(biāo)養(yǎng)條件下從28 d 至56 d、從56 d 至90 d 的強(qiáng)度增長(zhǎng)值均高于經(jīng)蒸養(yǎng)的混凝土；低堿速凝劑摻量1%、硫鋁酸鹽水泥摻量6%和20%時(shí)經(jīng)蒸養(yǎng)的28、56、90 d 抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組標(biāo)養(yǎng)的同齡期強(qiáng)度；而低堿速凝劑摻量2%經(jīng)蒸養(yǎng)的28、56、90 d 抗壓強(qiáng)度均略低于基準(zhǔn)組標(biāo)養(yǎng)的同齡期強(qiáng)度；低堿速凝劑摻量為1%時(shí)，標(biāo)養(yǎng)和經(jīng)蒸養(yǎng)后的混凝土28、56、90 d 抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組均大幅度提高，當(dāng)繼續(xù)增加摻量至2%時(shí)，雖然凝結(jié)時(shí)間縮短、脫模強(qiáng)度提高，但后期強(qiáng)度反而比摻量1%較低，低堿速凝劑摻量為1%和2%時(shí)，經(jīng)蒸養(yǎng)的混凝土28、56、90 d 抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)組經(jīng)蒸養(yǎng)的分別提高15%、22%、22%和7%、8%、8%；硫鋁酸鹽水泥摻量為6%時(shí)，標(biāo)養(yǎng)和經(jīng)蒸養(yǎng)后混凝土28、56、90 d 的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組均大幅度提高，當(dāng)繼續(xù)增加摻量至20%時(shí)，標(biāo)養(yǎng)和經(jīng)蒸養(yǎng)后混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度持續(xù)大幅度提高，硫鋁酸鹽水泥摻量為6%和20%時(shí)，經(jīng)蒸養(yǎng)的混凝土28、56、90 d 抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)組經(jīng)蒸養(yǎng)的分別提高10%、16%、16%和25%、36%、36%。

3 結(jié)論

（1）隨著蒸養(yǎng)溫度的升高，混凝土的脫模強(qiáng)度顯著提高，但蒸養(yǎng)溫度越高，對(duì)混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的破壞作用也越明顯，其28 d 抗壓強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗壓彈性模量均逐漸降低，而且均低于標(biāo)養(yǎng)。

（2）隨著蒸養(yǎng)溫度的升高，蒸養(yǎng)時(shí)產(chǎn)生的自收縮占總收縮的比例越大，微裂紋數(shù)量多使收縮應(yīng)力減小，混凝土180 d 收縮率逐漸降低，經(jīng)蒸養(yǎng)的混凝土收縮率均低于標(biāo)養(yǎng)。

（3）隨著蒸養(yǎng)溫度的升高，蒸養(yǎng)造成的微觀裂縫增多，受壓時(shí)水化產(chǎn)物之間更容易發(fā)生相對(duì)滑移，混凝土180 d 徐變度和徐變系數(shù)逐漸增大，經(jīng)蒸養(yǎng)的混凝土徐變度和徐變系數(shù)均高于標(biāo)養(yǎng)。

（4）與常規(guī)C50 混凝土配合比相比，摻加低堿速凝劑、硫鋁酸鹽水泥均能顯著縮短混凝土的凝結(jié)時(shí)間，提高混凝土的脫模強(qiáng)度，且大幅度提高標(biāo)養(yǎng)、經(jīng)蒸養(yǎng)后的28、56、90 d 抗壓強(qiáng)度。低堿速凝劑摻量為1%和2%時(shí)，經(jīng)蒸養(yǎng)的混凝土28、56、90 d 抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)組經(jīng)蒸養(yǎng)的分別提高15%、22%、22%和7%、8%、8%；硫鋁酸鹽水泥摻量為6%和20%時(shí)，經(jīng)蒸養(yǎng)的混凝土28、56、90 d 抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)組經(jīng)蒸養(yǎng)的分別提高10%、16%、16%和25%、36%、36%。