曹繼濤 謝永江 董全霄 程冠之 栗少清

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

混凝土管片的質(zhì)量直接關(guān)系著隧道整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全，影響隧道結(jié)構(gòu)的防水性能及耐久性能。預(yù)制混凝土管片澆筑成型后，其混凝土強(qiáng)度仍會(huì)隨水化程度的提升而進(jìn)一步發(fā)展。為使混凝土充分水化，保證混凝土達(dá)到預(yù)期的性能要求，避免出現(xiàn)早期收縮不均、易產(chǎn)生裂縫等問題，應(yīng)進(jìn)行合理的養(yǎng)護(hù)［1-2］。

水是混凝土水化凝結(jié)過程中的重要成分，也是影響混凝土強(qiáng)度及耐久性能發(fā)展的重要因素。混凝土結(jié)構(gòu)在水化凝結(jié)的過程中通常會(huì)形成豐富的納米級(jí)凝膠孔和微米級(jí)毛細(xì)孔道。Powers［3］建立了硬化水泥漿體相體積分布經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將水泥漿體中的水分為化學(xué)結(jié)合水、物理結(jié)合水及游離水。水化反應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)合水一般不會(huì)發(fā)生遷移和擴(kuò)散，吸附在凝膠孔表面的物理結(jié)合水不易蒸發(fā)，而可蒸發(fā)和可遷移的水分通常存在毛細(xì)孔和大孔中。在混凝土早期水化過程中，毛細(xì)孔隙中的游離水易受外界環(huán)境影響而發(fā)生遷移和蒸發(fā)，從而引起混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度下降。當(dāng)毛細(xì)孔內(nèi)的相對(duì)濕度低于80%時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)中膠凝材料的水化反應(yīng)會(huì)很難進(jìn)行，這將對(duì)混凝土強(qiáng)度及耐久性能的發(fā)展造成不利影響。保持高濕度養(yǎng)護(hù)環(huán)境可以抑制混凝土內(nèi)部水分散失，保障混凝土性能發(fā)展［4-6］。

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

高效保濕養(yǎng)護(hù)毯作為一種新型保濕養(yǎng)護(hù)材料，具備高效儲(chǔ)水、有效保濕、強(qiáng)度高且重復(fù)使用性能好的特點(diǎn)。它由高強(qiáng)度高韌性薄膜材料、可控儲(chǔ)水釋水高分子材料以及高強(qiáng)度吸水土工紡織材料復(fù)合而成。本文通過試驗(yàn)研究高效保濕養(yǎng)護(hù)毯的養(yǎng)護(hù)效果以及該養(yǎng)護(hù)工藝對(duì)混凝土保濕效果和收縮性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

高效保濕養(yǎng)護(hù)毯（簡稱養(yǎng)護(hù)毯）采用中國鐵道科學(xué)研究院研發(fā)的TK-YH-CT型高效保濕養(yǎng)護(hù)毯材料。

預(yù)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(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.8的天然河砂；粗骨料選用粒徑為5～20 mm連續(xù)級(jí)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(jí)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(yàn)用水為自來水。

管片混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60，坍落度控制在80 ～100 mm。質(zhì)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(duì)濕度監(jiān)測

制備3 組尺寸為100 mm×100 mm×400 mm 的混凝土試件，每組6個(gè)。為模擬混凝土生產(chǎn)工藝，混凝土試件成型后蒸汽養(yǎng)護(hù)6 h，養(yǎng)護(hù)溫度為50 ℃，相對(duì)濕度大于95%。蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后拆模，分別進(jìn)行露天養(yǎng)護(hù)、覆蓋+灑水養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)毯養(yǎng)護(hù)（覆蓋養(yǎng)護(hù)毯并進(jìn)行一次性飽水處理）。在14 d 養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)對(duì)每組混凝土試件所處養(yǎng)護(hù)環(huán)境進(jìn)行相對(duì)濕度數(shù)據(jù)采集并繪制數(shù)據(jù)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(gè)。試件養(yǎng)護(hù)條件同1.1節(jié)。在28 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)對(duì)每組混凝土試件的收縮數(shù)值進(jìn)行采集。取每組3個(gè)試件的平均值作為該組的試驗(yàn)結(jié)果。

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，使用立式混凝土收縮儀進(jìn)行接觸法測試。各試件之間的間隙大于30 mm。測試結(jié)果按標(biāo)準(zhǔn)公式進(jìn)行計(jì)算，得出混凝土收縮率。

1.3 混凝土抗壓強(qiáng)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(gè)。試件蒸汽養(yǎng)護(hù)條件同1.1 節(jié)。拆模后分別進(jìn)行水池養(yǎng)護(hù)+露天養(yǎng)護(hù)（水池養(yǎng)護(hù)7 d 后取出，放置露天環(huán)境下自然養(yǎng)護(hù)至28 d）、養(yǎng)護(hù)毯養(yǎng)護(hù)。參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，到達(dá)7 d 和14 d 齡期時(shí)從不同養(yǎng)護(hù)條件下取出試件并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。取每組3個(gè)試件的平均值作為該組的試驗(yàn)結(jié)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(gè)。試件養(yǎng)護(hù)條件同1.3節(jié)。養(yǎng)護(hù)28 d后對(duì)每組試件進(jìn)行混凝土耐久性測試［9］。取每組3個(gè)試件的平均值作為該組的試驗(yàn)結(jié)果。

混凝土耐久性能測試參照GB/T 50082—2009 中的相關(guān)方法進(jìn)行。電通量測試時(shí)，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(xù)通電6 h，以該時(shí)間內(nèi)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(kuò)散系數(shù)采用滲透系數(shù)法進(jìn)行測試，將試件放置在正負(fù)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(jì)算滲透系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土保濕效果的影響

不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土試件所處環(huán)境的相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化曲線見圖1?？芍煌B(yǎng)護(hù)條件下混凝土試件的環(huán)境濕度不同。其中，覆蓋+灑水養(yǎng)護(hù)下的相對(duì)濕度略高于露天養(yǎng)護(hù)；14 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，養(yǎng)護(hù)毯覆蓋下的混凝土試件穩(wěn)定于90%以上的相對(duì)濕度環(huán)境，這說明養(yǎng)護(hù)毯能夠創(chuàng)造更穩(wěn)定的高濕度養(yǎng)護(hù)條件，為混凝土后期水化及性能發(fā)展提供可靠條件。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)方式下的養(yǎng)護(hù)濕度變化曲線

2.2 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土收縮性能的影響

混凝土收縮應(yīng)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(guān)?；炷羶?nèi)部的毛細(xì)水分不斷地向外部遷移和蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力梯度，形成收縮態(tài)勢，引發(fā)微裂紋甚至結(jié)構(gòu)破壞。

不同養(yǎng)護(hù)方式下C60混凝土試件的相對(duì)收縮率隨時(shí)間的變化曲線見圖2。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)方式下C60混凝土試件的相對(duì)收縮率

由圖2可知：①露天養(yǎng)護(hù)和覆蓋+灑水養(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)毯養(yǎng)護(hù)的混凝土28 d 收縮率為1.03 × 10-4，與前兩種養(yǎng)護(hù)方式相比分別降低了52%和46%，收縮微應(yīng)變明顯降低。②在養(yǎng)護(hù)毯的高濕度養(yǎng)護(hù)下，混凝土收縮變形的發(fā)展速率一直保持在較低水平，這進(jìn)一步說明高濕度養(yǎng)護(hù)條件對(duì)抑制混凝土內(nèi)部毛細(xì)水分的遷移和蒸發(fā)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(jìn)凝膠孔和毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化，減少應(yīng)力收縮形變，提升混凝土的耐久性能。

2.3 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土試件7 d 和14 d 抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表1?？芍孩僭? d 養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，水池養(yǎng)護(hù)和養(yǎng)護(hù)毯養(yǎng)護(hù)的混凝土試件強(qiáng)度增長速率基本相當(dāng)，抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到54.1 MPa 和53.4 MPa。這說明養(yǎng)護(hù)毯的高濕度養(yǎng)護(hù)條件與水池養(yǎng)護(hù)作用相當(dāng)，可以有效抑制混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)，保障混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)的進(jìn)行。②露天養(yǎng)護(hù)條件下，14 d 齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度僅比7 d抗壓強(qiáng)度增長了1.6 MPa，而養(yǎng)護(hù)毯養(yǎng)護(hù)下的混凝土抗壓強(qiáng)度增長了2.8 MPa。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)毯覆蓋下穩(wěn)定的高濕度環(huán)境促使了混凝土的水化發(fā)展。因此，長時(shí)間維持養(yǎng)護(hù)環(huán)境的高濕度，有利于保障混凝土的后期強(qiáng)度發(fā)展。

表1 不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土試件的抗壓強(qiáng)度

2.4 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土耐久性能的影響

對(duì)不同養(yǎng)護(hù)方式下的混凝土試件的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測試。結(jié)果表明，28 d齡期時(shí)，水池養(yǎng)護(hù)+自然養(yǎng)護(hù)下混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為 3 137 C 和 11.36 × 10-12m2/s，而養(yǎng)護(hù)毯養(yǎng)護(hù)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?yàn)榛炷猎谳^高的濕度養(yǎng)護(hù)條件下內(nèi)部的水化發(fā)展程度較高，混凝土整體結(jié)構(gòu)密實(shí)程度較高。因此，持續(xù)保持較高的養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土耐久性能的發(fā)展是非常重要的。

3 養(yǎng)護(hù)毯保濕效果現(xiàn)場驗(yàn)證

預(yù)制混凝土管片在生產(chǎn)過程中，為加快模具的周轉(zhuǎn)速率、提升生產(chǎn)效率，通常采用蒸汽養(yǎng)護(hù)→水池養(yǎng)護(hù)→自然養(yǎng)護(hù)的模式。在混凝土管片澆筑成型后先進(jìn)行靜停養(yǎng)護(hù)，然后進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，經(jīng)歷升溫、恒溫和降溫三個(gè)階段，待管片的抗壓強(qiáng)度大于20 MPa時(shí)便可脫模。脫模后將混凝土管片由室內(nèi)運(yùn)往室外放置在養(yǎng)護(hù)水池中7 d，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至存放區(qū)完成自然養(yǎng)護(hù)至28 d齡期［10-11］。

為進(jìn)一步驗(yàn)證養(yǎng)護(hù)毯對(duì)預(yù)制混凝土管片的保濕效果，預(yù)制混凝土管片完成脫模后由室內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)至室外，用飽水養(yǎng)護(hù)毯進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)。14 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，養(yǎng)護(hù)毯內(nèi)相對(duì)濕度和外部環(huán)境相對(duì)濕度的變化曲線見圖3?？芍?，采用養(yǎng)護(hù)毯養(yǎng)護(hù)可實(shí)現(xiàn)一次性飽水處理，在14 d 養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，混凝土管片所處養(yǎng)護(hù)環(huán)境的相對(duì)濕度始終大于90%，這與之前的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖3 養(yǎng)護(hù)毯現(xiàn)場試驗(yàn)保濕效果

相對(duì)于水池養(yǎng)護(hù)來說，采用養(yǎng)護(hù)毯養(yǎng)護(hù)在創(chuàng)造穩(wěn)定且較高濕度養(yǎng)護(hù)環(huán)境的同時(shí)，可以節(jié)省水池的施工建造成本，實(shí)現(xiàn)混凝土管片脫模后一次性轉(zhuǎn)運(yùn)至存放區(qū)完成后期養(yǎng)護(hù)，減少管片吊裝搬運(yùn)次數(shù)，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)，在避免浪費(fèi)大量水資源的同時(shí)提升養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

4 結(jié)論

1）高效保濕養(yǎng)護(hù)毯作為一種新型養(yǎng)護(hù)材料，能夠?qū)崿F(xiàn)一次性飽水，14 d 高效保濕，相對(duì)濕度始終大于90%，為混凝土的水化反應(yīng)及性能發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

2）與覆蓋+灑水養(yǎng)護(hù)方式相比，采用高效保濕養(yǎng)護(hù)毯養(yǎng)護(hù)的混凝土強(qiáng)度發(fā)展較快，28 d 收縮率降低了46%。

3）與混凝土管片的水池養(yǎng)護(hù)+露天養(yǎng)護(hù)方式相比，采用高效保濕養(yǎng)護(hù)毯養(yǎng)護(hù)的混凝土28 d 電通量和28 d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別降低了5.1%和15.9%，促進(jìn)毛細(xì)孔道進(jìn)一步水化發(fā)展，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性能，提升了混凝土的耐久性能。

4）高效保濕養(yǎng)護(hù)毯材料在保障養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)省了水池建造成本，降低了綜合養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，滿足工程需求，為混凝土管片制品的后期養(yǎng)護(hù)提供了新的方法和思路。