摘要：文章對不同養(yǎng)護條件下的混凝土力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)特征進行分析，以探究智慧梁場蒸汽養(yǎng)護對其早期力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：蒸汽養(yǎng)護期間混凝土力學(xué)強度發(fā)展可分為三個階段，第一、二階段（0～30 h）是混凝土強度的關(guān)鍵養(yǎng)護時期；蒸汽養(yǎng)護的混凝土力學(xué)強度增長率高于標準養(yǎng)護，其動彈性模量主要形成于前期，呈線性快速增長特征，可以加速生成水泥水化產(chǎn)物，從而提高混凝土的早期強度，而標準養(yǎng)護下混凝土動彈性模量的增速相對較慢；標準養(yǎng)護下混凝土水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更加致密。研究結(jié)果可為蒸汽養(yǎng)護在工程中的應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；智慧梁場；蒸汽養(yǎng)護；力學(xué)性能

中圖分類號：U445.8

0 引言

預(yù)制混凝土橋梁構(gòu)件在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中占有重要地位，其質(zhì)量直接關(guān)系到橋梁的安全與耐久性［1］。蒸汽養(yǎng)護作為預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，對提高構(gòu)件的早期強度、縮短生產(chǎn)周期具有顯著效果［2］。然而，在蒸汽養(yǎng)護過程中，加速了水泥水化過程，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從而影響其長期力學(xué)性能。因此，蒸汽養(yǎng)護常用于橋梁和隧道等預(yù)制混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)［3］。

已有研究結(jié)果表明，蒸汽養(yǎng)護會影響混凝土表面孔隙的脆性和水化反應(yīng)，使得蒸汽養(yǎng)護混凝土的力學(xué)性能和耐久性變差［4］。高溫養(yǎng)護條件下短齡期混凝土水化產(chǎn)物擴散時間不足，孔隙結(jié)構(gòu)較大，往往導(dǎo)致混凝土強度降低。C-S-H凝膠是混凝土的主要水化產(chǎn)物，也是混凝土強度的主要來源［5］。與標準養(yǎng)護條件相比，蒸汽養(yǎng)護下生成的C-S-H凝膠具有更高的聚合度以及更少且致密的層間孔隙，但生成的水合產(chǎn)物體積減少［6］。一般來說，蒸汽養(yǎng)護可以促進混凝土早期力學(xué)性能的快速增長，但高溫蒸汽養(yǎng)護會使水化產(chǎn)物沉積在未水化顆粒表面，形成致密外殼，阻礙游離水與未水化水泥顆粒之間的接觸，影響后期水化程度，導(dǎo)致后期強度降低。

目前有關(guān)蒸汽養(yǎng)護混凝土力學(xué)性能的研究主要集中在蒸汽養(yǎng)護末期，對蒸汽養(yǎng)護混凝土早期力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的研究較少。本文通過分析不同養(yǎng)護條件下混凝土的力學(xué)強度、動彈性模量和微觀結(jié)構(gòu)特征，研究蒸汽養(yǎng)護對混凝土早期力學(xué)性能的影響，以期為優(yōu)化蒸汽養(yǎng)護工藝、提高預(yù)制混凝土構(gòu)件的質(zhì)量提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗原材料及配合比設(shè)計

試驗原材料來自廣西某高速公路智慧梁場，水泥采用廣西右江水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，細度為2.0%，水泥的物理力學(xué)性能見表1。細集料為機制砂，細度模數(shù)2.64，含泥量0.5；粗集料分別為粒徑5～10 mm、10～20 mm的礫石。所用聚羧酸高效減水劑的減水率為30%。試驗制備的混凝土配合比如表2所示，其28 d抗壓強度標準值為55 MPa。采用現(xiàn)場攪拌的方式制備混凝土，在預(yù)制T梁的同時制備抗壓、劈裂與抗折強度測試試件，抗壓、劈裂強度測試試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，抗折強度測試試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm。

為了探究養(yǎng)護方法對混凝土力學(xué)性能的影響，試驗采用標準養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護兩種養(yǎng)護方法。結(jié)合智慧梁場預(yù)制T梁養(yǎng)護工藝，在澆筑12 h后進行拆卸，取出試樣并放置在標準養(yǎng)護室和智慧梁場蒸汽養(yǎng)護室中分別進行養(yǎng)護，養(yǎng)護方案如圖1所示。標準養(yǎng)護室溫度為20 ℃±2 ℃，相對濕度＞95%。已有研究表明50 ℃更適合作為蒸汽養(yǎng)護溫度，不僅對水泥水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)影響較小，而且適合施工現(xiàn)場。因此，本試驗中智慧梁場蒸汽養(yǎng)護室溫度為50 ℃，升溫速率為10 ℃/h，試樣在標準養(yǎng)護室和智慧梁場蒸汽養(yǎng)護室中分別養(yǎng)護6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同養(yǎng)護條件下混凝土力學(xué)強度分析

圖2為蒸汽養(yǎng)護和標準養(yǎng)護期間混凝土抗壓、劈裂和抗折強度隨養(yǎng)護時間的變化規(guī)律。試件脫模后，其抗壓、劈裂和抗折強度分別為8.5 MPa、2.1 MPa和1.0 MPa。根據(jù)抗壓、劈裂和抗折強度測試結(jié)果可知，在蒸汽養(yǎng)護過程中，混凝土力學(xué)強度的發(fā)展大致可分為三個階段。第一階段：蒸養(yǎng)初期混凝土力學(xué)強度快速增長階段（即0～12 h），蒸汽養(yǎng)護下力學(xué)強度可達到設(shè)計強度的50%以上；第二階段：混凝土力學(xué)強度穩(wěn)步增長階段（即12～30 h），該階段混凝土力學(xué)強度增長較快，蒸汽養(yǎng)護下力學(xué)強度可達到設(shè)計強度的80%以上；第三階段：混凝土力學(xué)強度增速衰減階段（即30～48 h），混凝土力學(xué)強度仍能持續(xù)增長，但混凝土強度增長率開始降低。從蒸汽養(yǎng)護過程下混凝土力學(xué)強度變化規(guī)律來看，前30 h是混凝土力學(xué)強度增長的關(guān)鍵時期，在此期間水泥水化反應(yīng)迅速進行，混凝土力學(xué)強度在第一階段和第二階段迅速增長。此后，智慧梁場預(yù)制T梁混凝土構(gòu)件可滿足預(yù)應(yīng)力施加的要求。相較而言，在標準養(yǎng)護過程中，混凝土力學(xué)強度發(fā)展大致可分為兩個階段。第一階段：標準養(yǎng)護前期（即0～24 h），這是標準養(yǎng)護條件下混凝土力學(xué)強度增長最快的時期，然而其增長率明顯低于蒸汽養(yǎng)護環(huán)境下第一階段；第二階段：標準養(yǎng)護后期（即24～48 h），也是混凝土力學(xué)強度持續(xù)增長階段，在這一階段的混凝土力學(xué)強度繼續(xù)增加，但增長率明顯低于第一階段。因此，對于標準養(yǎng)護條件而言，前48 h是混凝土力學(xué)強度增長的關(guān)鍵時期。[FL）]

2.2 不同養(yǎng)護條件下混凝土動彈性模量分析

混凝土的動彈性模量是混凝土抵抗力變形能力的重要指標，蒸汽養(yǎng)護和標準養(yǎng)護期間混凝土動彈性模量結(jié)果如圖3所示。在蒸汽養(yǎng)護條件下，混凝土動彈性模量的變化可分為兩個階段。在第一階段（0～12 h），混凝土動彈性模量呈線性快速增長特征，達到最終動彈性模量的82%，這表明蒸養(yǎng)條件下混凝土動彈性模量主要形成于養(yǎng)護第一階段。在第二階段，混凝土動彈性模量的增長速率明顯放緩。相較于標準養(yǎng)護而言，混凝土在標準養(yǎng)護條件下動彈性模量持續(xù)增長且變化相對平緩。標準養(yǎng)護過程中混凝土動彈性模量比蒸汽養(yǎng)護過程中混凝土動彈性模量增長緩慢。但在養(yǎng)護后期（30～48 h），標準養(yǎng)護過程中混凝土動彈性模量的增長速率明顯高于蒸汽養(yǎng)護下混凝土。究其原因是蒸汽養(yǎng)護條件促進了混凝土中水泥水化反應(yīng)，從而加速了動彈性模量增長。然而，由于水泥快速水化，混凝土中一些微小氣泡在蒸汽養(yǎng)護過程中沒有及時排出而硬化。因此，混凝土內(nèi)部微孔率增加，后期動彈性模量增長較緩慢。說明蒸汽養(yǎng)護可能影響混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，進而影響其后期強度和耐久性。

2.3 不同養(yǎng)護條件下混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

對于不同養(yǎng)護條件，混凝土的宏觀力學(xué)性能通常受水泥水化程度及其產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)影響。圖4（a）（b）分別為標準養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護12 h后混凝土微觀結(jié)構(gòu)，其中，標準養(yǎng)護下水泥水化產(chǎn)物覆蓋面積較小且水泥水化不充分，導(dǎo)致試件早期強度較低；蒸汽養(yǎng)護條件下水泥水化程度更高，但微觀結(jié)構(gòu)受高溫影響而出現(xiàn)一些微裂紋。因此，如若蒸汽養(yǎng)護條件不適當(dāng)，不僅影響水泥的早期水化產(chǎn)物，還會影響水泥的微觀結(jié)構(gòu)，溫度越高對微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響就越顯著。圖4（c）（d）所示為標準養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護24 h后，試樣充分水化，水化產(chǎn)物顯著增加，兩者均產(chǎn)生大量鈣礬石（AFt），混凝土強度顯著提高。與標準養(yǎng)護條件相比，50 ℃下蒸汽養(yǎng)護條件產(chǎn)生的AFt更為充分，這表明蒸汽養(yǎng)護促進了水泥水化過程，蒸汽養(yǎng)護混凝土強度顯著高于標準養(yǎng)護混凝土。從圖4（e）（f）可以看出，在標準養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護條件48 h后，產(chǎn)物AFt減少，但C-S-H顯著增加，這是因為在高溫狀態(tài)下AFt不穩(wěn)定，產(chǎn)生了更穩(wěn)定的C-S-H。通過比較不同養(yǎng)護時間下混凝土的微觀結(jié)構(gòu)可以看出，盡管標準養(yǎng)護下水化產(chǎn)物數(shù)量明顯較少，但水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更致密，這也是標準養(yǎng)護后期混凝土動彈性模量增長率高于蒸汽養(yǎng)護的主要原因。

3 結(jié)語

文章研究了蒸汽養(yǎng)護對混凝土早期力學(xué)性能的影響，根據(jù)試驗結(jié)果和分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）蒸汽養(yǎng)護混凝土的早期強度增速明顯高于標準養(yǎng)護，蒸汽養(yǎng)護混凝土強度發(fā)展過程可分為三個階段。第一（0～12 h）、第二（12～30 h）階段是混凝土強度的關(guān)鍵養(yǎng)護時期，可分別達到設(shè)計強度的50%和80%。實際工程中應(yīng)注重蒸汽養(yǎng)護混凝土前30 h性能。

（2）蒸汽養(yǎng)護混凝土的動彈性模量主要形成于前期（0～12 h），呈線性快速增長特征，達到動彈性模量的82%，而標準養(yǎng)護混凝土動彈性模量的增速相對較慢。

（3）蒸汽養(yǎng)護期間會加速生成AFt和C-S-H凝膠，這些水化產(chǎn)物可有效提高混凝土的早期強度。然而，標準養(yǎng)護條件下混凝土的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更致密。

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收稿日期：2024-03-08

作者簡介：黃航韜（1988—），工程師，主要從事公路建設(shè)管理工作。