静养与蒸养温度对PHC 管桩混凝土体积形变影响研究

肖英男 王 磊

（1 广东宏基管桩有限公司；2 中山市宏基混凝土有限公司）

1 前言

预应力高强度混凝土管桩简称PHC 管桩。为加快管桩的生产速度，加快模具周转速率、节省生产车间场地，国内PHC 管桩的生产普遍采用二级蒸汽养护工艺。即常压蒸汽养护（本文简称蒸汽养护）和高压蒸汽养护，蒸汽养护过程分为静养、升温、恒温、降温四个阶段。蒸汽养护在提高水泥水化硬化速度的同时，对混凝土体积也产生了一定的影响。

2 蒸养混凝土的体积形变机理分析

混凝土的体积变形一直伴随混凝土整个过程，包括搅拌，浇筑成型，硬化服役，混凝土浇筑成型后的体积形变才对混凝土构件产生影响。蒸汽养护PHC 管桩混凝土经历了温度变化和水泥水化凝结，水泥水化的化学减缩、水密度体积受温度而改变、空气气泡受温度等条件的尺寸大小改变、钙矾石生成与相变密度改变，引起混凝土的体积变形。当然也包括砂石等材料的热胀冷缩，其未发生材料本质的改变或引起体积形变量较小而不做讨论。

2.1 水泥水化的化学减缩

水泥水化是指水泥的主要矿物质与水所起的化合作用，即水泥矿物质从无水状态转变到含结合水状态的反应。水泥水化减缩是指胶凝物质水化硬化时总体积减少的现象，其原因是水化前后反应物和生成物的平均密度不同所致。对于大部分普通水泥，每100 克水泥的减缩总量为7～9 毫升，减缩作用反映着水化过程，它和结合水量之间有直线关系，可以通过各龄期减缩量的测定来研究水化速度。减缩是不可逆的，脱水并不会使体积恢复。凝胶膜是水泥熟料颗粒表面的胶体表层，依靠表面张力的作用保持着。水和水泥颗粒反应生成胶状水化物包围在水泥颗粒周围，水只能透过这层膜与内部固体颗粒继续反应，这将妨碍水和无水矿物的接触，阻滞进一步的水化作用。水泥熟料矿物溶解和温度有关，温度上升溶解速度加快，溶液中的Ca2+的溶解度随着温度上升而降低，这将增加了C-S-H(Ⅰ)生成量与Ca(OH)2析晶体。所以说，水泥水化将使得混凝土的体积收缩，温度升高加速了这一过程。随着时间的延长水泥有较大的水化程度或水化深度，混凝土体积收缩也将加大。

2.2 混凝土中水随温度密度体积变化

水为混凝土中不可缺少的组分，其可以结合水、凝胶水、毛细孔水、自由水形式存在。水分子缔合结构的大小受温度与压力的影响，水分子缔合结构决定水的密度。依据《1990 国际温标纯水密度表》绘制标准大气压下纯水密度随温度变化曲线及130 公斤水体积曲线图1。

2.3 混凝土中气泡随温度等因素体积的变化

图1 1990 国际温标纯水密度及130 公斤水体积

混凝土中的气泡按照边界情况可以分为液相包裹气泡、固液相包裹气泡和固相包裹气泡三种，其体积受到温度、压力、水泥水化作用变化机理有所不同，随着混凝土的水化进行逐步成为固相包裹的孔液相气泡或进一步成为固相气泡趋势。混凝土硬化早期气泡主要以液相包裹和固液相包裹为主，固液相包裹气泡的固相可以为同一固体颗粒表面孔隙或相邻多个固体颗粒的空隙。气泡中为空气和饱和水蒸汽的混合物，边界有液相时，其内的压力和液相的表面张力及液固相迁移速率相关。液相表面张力受减水剂，溶解盐影响。固液包裹气泡存在毛细现象，这与液相表面张力、液固浸润及其动力学相关。固体粉粒间和固体粉粒表面的孔隙空气桥有被液体桥取代的趋势。液相及固液包裹气泡中的压力上升与减小导致空气融入与析出液相。固液相包裹和固相包裹气泡内部压力的升降会产生固体侧壁的应力。

液相包裹气泡，其边界为水，受内部压强和液体表面张力的作用，近乎为球形，这样可以简化拉普拉斯方程▽p=γ/（R1+R2）。球形气泡，大小用半径r 表示。这时，相界的球形表面是弹性外壳。气泡由于被水所包裹，其中充满饱和的水蒸汽与空气混合物，其压力等于空气分压和水蒸汽分压的总和。必须使其内部压力和以下3 种压力达到平衡：

⑴对液体的外部压力；

⑵决定于液体表面张力压力；

⑶气泡上面液柱的静水压力。

在上述情况下，相界面上的力平衡如所示：

P气=P液+P+2σ/r×10-6式中，

P气——气相压力；

P液——液相压力（对液体的外部压力）；

P——气泡上液柱的静水压力；

σ——水的表面张力系数，随温度的升高而减小；

r——球型气泡半径。

固液包裹气泡主要有两种，一是粉体颗粒表面的孔隙作为固体边界，二是颗粒间的空隙，这些气泡的固体边界距离较小，毛细管作用明显。液相润湿粉体颗粒作用影响毛细管内气泡压力，润湿角越小，压力越大。固液包裹气泡也符合上式。

固相包裹气泡是由液相包裹气泡或固液相包裹气泡随着混凝土中水泥水化产物消耗水，凝胶封堵而形成，其内部含有一定量的水汽。固液包裹气泡内部水蒸汽压力较大时会有毛细凝结现象。由于孔小，此液态吸附膜是弯月形液面，与此弯月形液面成平衡的蒸气压力P 的大小服从Kelvin 公式：

RTln(P/P0)=-2σVLCOSθ/r式中，

P——弯月形液面蒸气压；

P0——平液面的饱和蒸气压；

σ——液态吸附质表面张力；

VL——液态吸附质的摩尔体积；

θ——液态吸附质与孔壁接触角，润湿有关；

r——弯月形液面曲率半径。

气泡内的压力也适用查理定律，理想气体的状态方程：PV=nRT。气泡内的水蒸气会随着温度和压力上升而提高，运用查理定律解释气泡的压力和体积是要考虑水蒸气的影响。

水的表面张力对于气泡体积与内部压力有较大的关系，表面张力增加，气泡内的压力增加，体积减小。水的表面张力几个影响因素是温度上升水的表面张力下降，溶解无机盐增加水表面张力，减水剂高分子降低水表面张力。

混凝土中气泡按照形状可以分为，球形、椭球形、水滴形、内凹形等，其边界的曲率半径随着形状变化，表面边界为液相时候，受水的表面张力影响，将有发展为球形趋势。

混凝土中的气泡在高压力下，空气在水中的溶解度增加，气泡会溶解。相比小气泡，大气泡内部的压力更小，气泡内空气的扩散速度也更小，因此应该是有更长的寿命。但是大气泡的边界情况也更为复杂，表层更为不均匀，尤其有粉体颗粒的嵌入或是局部曲率半径的减小，这样容易有空气溢出，大气泡分解为多个小气泡。由于小气泡的压力比大气泡高，这样形成的多个小气泡的总体积小于大气泡的体积。

所以说，混凝土中的气泡，由水泥水化产生的盐增加水的表面张力，水在粉体等表面的润湿过程，大气泡的分解等因素，总的趋势是体积减小，进而导致混凝土的体积减小。当体系温度上升气泡内部的压力上升，水的表面张力下降，其体积增加，混凝土的体积也随温度的增加而增加。

2.4 混凝土中钙矾石生成与相变

延迟生成钙矾石的产生主要是因为反应初期生成的钙矾石(AFt)在高温或其它条件下转变为单硫盐(AFm)，硫酸根、钙离子、Al3+，被C-S-H 凝胶吸附，在混凝土使用过程中，这些离子或单硫盐又被释放出来，硫酸根重新与C3A 反应生成钙矾石或AFm 吸水直接发生晶型转变而形成AFt。在硬化混凝土中生成钙矾石会造成混凝土开裂。一般认为，当混凝土经过70℃以上的温度养护后，就会产生延迟生成钙矾石[1-2]。钙矾石的晶型转变，密度变化，也是蒸汽养护中混凝土体积形变的一个因素。

3 试验方案

3.1 原材料

水泥为华润水泥P·Ⅱ42.5R、磨细砂比表面积400kg/m3，硅含量90%、减水剂为萘系减水剂、大石为1～2 石子，压碎指标8.0%、小石为0～5 石子，压碎指标13.0%、砂为河砂与机制砂复配，混合后细度模数为2.5、水为自来水。

3.2 仪器

混凝土搅拌机、混凝土振动台、混凝土贯入阻力仪、蒸汽养护箱及自制体积形变检测装置如图2，在蒸养箱出水口处安装水泵，水泵水管与模具进水口相连，出水口也与蒸养箱相连。利用循环水模拟常压养护，用形变测量传感器（数显千分表）在养护时间之内全程进行监控（通过电脑软件控制，每两分钟测一次数据）。

图2 体积形变试验装置图

3.3 配方及养护制度

混凝土在常温常压下静养，使试样到达一定的贯入阻力（试验选取0、2.0MPa、3.5MPa），升温1 个小时到达一定的温度（试验选取60℃、80℃、95℃），温度恒温5个小时，自然冷却至常温。

表1 混凝土配方(kg/m3)

4 试验结果及分析讨论

为测量方便起见，体积变化的量通常采用线性单位而不是体积单位。本文长度的变化表示为长度千分之几的系数，简化为10-3，适用于任何长度单位（一般标记为m/m）。在本文中，减缩为负值，膨胀为正值。

4.1 静养的体积形变

PHC 管桩混凝土水灰比为0.3，坍落度3～7cm，按照新拌混凝土工作性能，PHC 管桩混凝土为塑性混凝土，初凝前逐渐失去可塑性，一般收缩，大气压力推动测试端部圆形铁片跟随混凝土的塑性变形，真实的测量混凝土体积形变。成型以及试验仪器的安装需要大约15min，本试验对体积形变的测量存在15min 的真空期。图3 可以看出，混凝土在初凝前，体积收缩，不加掺和料配方的混凝土体积收缩为0.19×10-3m/m，掺磨细砂配方的混凝土体积收缩为0.42×10-3m/m，混凝土在初凝凝前期收缩值很大，已经不可以忽视。初凝前期，水泥水化进行较慢刚刚进入加速期，消耗了部分水，水泥水化的化学减缩量不大；温度不是影响混凝土收缩的因素；试验塑性混凝土含气在3%以下，其在混凝土失去可塑性的时候，自由水被消耗，气泡边界条件被改变，低压的气泡变为高压气泡，其体积减小较多；钙矾石优先形成包裹水泥矿物C3A 颗粒表面，其反应应为膨胀，或者说在搅拌混凝土，制作测试试件前已经反应大部分，不是此阶段混凝土体积收缩的因素。图3 中还可以看出掺磨细砂混凝土的体积收缩量和速度大于不加掺和料配方的混凝土，这和水泥颗粒周边水量有关，水较多，水泥颗粒的矿物溶解速度较快，水泥颗粒3um 以下水化迅速反映，水泥颗粒表面孔隙较难形成气泡或是迅速转为高压气泡，磨细砂表面孔隙形成气泡量大于水泥颗粒表面且相对压力低。气泡体积的减小是这时期混凝土减缩的主要因素。PHC 管桩的生产过程中，混凝土搅拌到离心成型完毕超过40 分钟，混凝土在离心后持续体积收缩才对结构有影响，制定PHC 管桩生产工艺制度不容忽视。径向形变，混凝土离开管模，留下空隙，纵向变形被钢筋束缚。

图3 初凝前时间与PHC 混凝土体积形变图

4.2 升温的体积形变

PHC 管桩混凝土温度升高过程中，体积膨胀，如图4，没有经过静养的混凝土，即成型混凝土贯入阻力为0MPa，混凝土在温升过程中，体积急剧膨胀，无掺和料配方混凝土膨胀值达到了2.52×10-3m/m，掺磨细砂配方混凝土膨胀值达到了1.39×10-3m/m，掺磨细砂混凝土较多的低压气泡存在，膨胀值相对低，这说明磨细砂掺和料能够在一定程度上抵御混凝土温升而产生的膨胀。混凝土有较长时间的静养，贯入阻力强度3.5MPa，混凝土前期有一定的收缩能够抵消部分温度上升带来的膨胀，不加掺和料配方混凝土膨胀值达到了1.08×10-3m/m，掺磨细砂配方混凝土膨胀值达到了1.08×10-3m/m。在1 小时的温升时间内磨细砂掺和料不仅能够抵御混凝土温升而产生的膨胀，1 小时温升时间后进入恒温期内，磨细砂掺和料混凝土还在继续延缓膨胀，这说明有延缓作用。钱荷雯[2]等人试验研究表明蒸养过程中的游离水、空气及其他组分体积膨胀对蒸养后水泥石强度存在显著不利影响。混凝土温度上升，水泥水化反应加速，化学减缩加快；30℃到95℃，130kg 自由水体积带来的体积膨胀有0.46%；气泡内部压力上升，体积增大，综合表现混凝土升温期间体积增大。

图4 恒温95℃升温阶段时间与PHC 混凝土体积形变图

4.3 恒温的体积形变

PHC 管桩混凝土恒温过程中，体积变化和静养历程有关。如图5，没有经过静养的混凝土，即成型混凝土贯入阻力为0MPa，混凝土在恒温过程中，体积急剧减小，减小达到值达到了0.60×10-3m/m，这是水泥水化的化学收缩，在达到一定强度后即70 分钟后体积稳定，残留值也达到0.79×10-3m/m；混凝土预养时间延长，即混凝土由塑性达到初凝状态，恒温体积形变受到混凝土强度影响，有初始强度的平缓。T.K.Erdem 等人认为蒸养混凝土的预养（静养）时间长短应为混凝土初凝所需的时间，从而使混凝土不产生过大的肿胀变形，并且有利于蒸养混凝土的后期强度发展[3]。彭波给出的结论，静养时间的延长会增强混凝土在蒸养过程中抵抗肿胀变形的能力，因此对混凝土孔结构具有改善的作用[4]。对比图6，同为预养混凝土贯入阻力3.5MPa，掺磨细砂混凝土与不掺，恒温体积变形量大0.35×10-3m/m，说明掺合料增加混凝土温升变形。刘友华认为在低水胶比下，掺入适量的粉煤灰、矿渣能进一步降低浆体及砂浆蒸养肿胀变形，但当粉煤灰掺量超过20%，矿渣掺量超过30%时不能有效降低蒸养肿胀变形量[5]。抵御混凝土温升变形，掺和料存在一个最佳掺量及适用区间。图5、图6 中可以看出恒温时间在超过120 分钟后，混凝土体积几乎稳定。

图5 恒温时间与PHC 混凝土体积形变图

图6 中，混凝土在达到初凝状态升温，混凝土恒温体积形变受恒温温度影响较大，恒温温度低，混凝土体积变形量小，60℃恒温温度和95℃，体积变形量差0.6×10-3m/m。恒温温度是影响混凝土体积形变的重要因素。

图6 恒温时间与PHC 混凝土体积形变图

4.4 降温的体积形变

图7 降温阶段时间与PHC 混凝土体积形变图

图8 时间与PHC 混凝土体积形变图

蒸养混凝土在降温阶段的变形是混凝土构件开裂的主要阶段，图7、图8 中显示降温过程混凝土体积形变变化时间较长，600 分钟后混凝土体积还在逐渐减小，仍能检测到体积形变。经过蒸汽养护的混凝土体积变形为膨胀。

图9 中显示，蒸汽养护的PHC 混凝土在降温过程中，蒸养恒温温度60℃体积在降温1 小时内收缩，而80℃和95℃体积有一小阶段体积膨胀，其膨胀值为0.01-0.02×10-3m/m，这应是钙矾石相变过程，不加掺和料混凝土变形为0.04×10-3m/m，如此微小的膨胀可以定论PHC 混凝土蒸养过程可以忽略钙矾石延迟生成产生膨胀带来的破坏作用。掺和料可以减弱蒸养混凝土钙矾石延迟生成带来的膨胀。

图9 降温1 小时内时间与PHC 混凝土体积形变图

图10 中曲线是蒸养全过程中，PHC 管桩混凝土体积形变随时间的变化，混凝土在早期收缩值0.3×10-3m/m，升温膨胀到1.0×10-3m/m，混凝土长期残留膨胀值0.38～0.39×10-3m/m，足以造成束缚较小的大尺寸混凝土构件破坏，而对于PHC 管桩生产，模具的限定作用，混凝土的体积膨胀在混凝土弹性范围内，混凝土弹性形变或徐变，不产生结构性破坏。

图10 养护全过程时间与PHC 混凝土体积形变图

5 结论

⑴PHC管桩混凝土在初凝前，体积收缩，不加掺和料配方的混凝土体积收缩为0.19×10-3m/m；掺磨细砂的混凝土体积收缩为0.42×10-3m/m。混凝土在初凝前期收缩值很大，已经不可以忽视。预养强度与恒温温度是PHC 管桩混凝土蒸养体积形变的重要影响因素，预养强度提高，体积变形量小，恒温温度高体积变形量大，恒温时间仅是在恒温早期对混凝土膨胀有一定作用，超过恒温体积稳定最短时间后恒温时间无影响。有一定预养强度条件下，磨细砂掺和料影响混凝土体积变形，60℃时增大，95℃时减小。综合考虑PHC 管桩生产带模具养护，模具能够抵御混凝土升温养护变形，混凝土产生弹性形变，制定养护工艺时候，反而预养时间不易过长，尤其是用磨细砂做掺和料，养护温度也可以适当提高。

⑵60～70℃钙矾石的相变在本次试验研究过程中被验证，其在相变温度降温时候引起混凝土体积膨胀，相对膨胀率不加掺和料配方0.04×10-3m/m，加磨细砂掺和料0.01～0.02×10-3m/m，其膨胀对混凝土体积影响微乎其微，磨细砂掺和料能降低钙矾石延迟生成引起的膨胀。PHC 管桩生产过程中，蒸汽养护温度超过70℃，钙矾石延迟生成不会造成危害。

⑶PHC 管桩混凝土中气泡的体积减小是早期收缩的主要因素，也是蒸汽养护过程中体积膨胀的主要因素，其受温度因素影响明显。PHC 管桩混凝土不易含气量过大。

⑷以混凝土中砂浆贯入阻力强度评价混凝土蒸汽养护静停比静停时间更为准确，以静停时间来控制混凝土蒸养制度的工艺中要注意混凝土凝结时间稳定。

⑸在PHC 管桩混凝土蒸养过程中，体积形变在静停期间是收缩的，管桩混凝土离开管模，留下空隙给混凝土水化产物钙相析出，混凝土在升温与降温过程中相对原体积又是膨胀的，会引起管桩外表面的白霜现象和挂凸起斑点，造成管桩外表面颜色不一和不光滑。管桩生产过程中辅材脱模剂对混凝土有缓凝作用，混凝土静停收缩与升温膨胀，导致脱模剂积聚与渗入混凝土中，而引起混凝土的凝结差异，造成管桩混凝土表面凝结时间长，引起管桩外表面粘皮及粘模具。●