京雄城际铁路混凝土桥墩不同养护方式效果对比

杨斌 张言 程冠之 陈民文 李国栋 于本田

（1.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100844；2.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；4.中交二公局铁路工程有限公司，西安 710065；5.雄安高速铁路有限公司，雄安 071800）

京雄城际铁路于2018 年2 月正式开工建设，线路北起北京西站，经广安门、李营、大兴区、大兴国际机场，河北省固安县、霸州市，终至雄安新区，全长106 km。京雄城际铁路是支撑国家战略的重要干线，对完善京津冀区域高速铁路网，便利沿线群众出行，提高雄安新区对全国的辐射能力具有重要意义。京雄城际铁路地处华北平原北缘，历史平均降水量507 mm，蒸发量1 788.4 mm，春季干燥，且常见大风天气，对混凝土尤其是现浇混凝土早期的养护方式要求严格。合理的养护方式对混凝土中水泥水化程度、强度、耐久性有着重要影响，是保证混凝土不产生收缩开裂，确保混凝土质量的关键环节［1-3］。

混凝土桥墩多为竖立、高大、不定型尺寸结构，一般采用现浇施工，采用何种养护方式能够降低其在温度应力和干燥收缩耦合作用下的开裂风险，一直是混凝土界研究的热点［4-8］。目前现浇混凝土养护方式主要有两大类：一是防止混凝土水分向外散失，如喷洒养护剂或包裹塑料薄膜；二是由外部补充水分，如包裹土工布洒水［9-11］。但实际桥墩养护过程中涂刷养护剂有可能会存在漏刷，包裹塑料薄膜在风大地区易撕毁、吹开导致保湿功能不足，包裹土工布洒水难以确定洒水频次和水量。为保证京雄城际铁路桥墩混凝土强度和耐久性，本文在试验室模拟了相对湿度30%的干燥环境，进行了不同养护方式对同一种混凝土养护效果的试验研究，并采用化学结合水法分析了不同养护方式下混凝土中水泥的水化程度，得到了养护方式对混凝土的强度、耐久性和水泥水化进程的影响规律。研究结果可为京雄城际铁路混凝土桥墩的养护提供参考。

1 试验研究

1.1 混凝土原材料与配合比

水泥采用甘肃祁连山水泥集团股份有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，其主要性能见表1；粉煤灰采用白银聚合建材有限公司生产的F 类Ⅱ级粉煤灰，45 m 方孔筛筛余率为28.3%，需水量比为95%，烧失量为5.65%；粒化高炉矿渣采用兰州宏盛建材有限公司生产的S95矿渣粉，比表面积为425 m2/kg，流动度比为98%，28 d活性指数为97%；细骨料采用兰州永登水洗河沙，细度模数为2.8，符合2区级配；粗骨料采用甘肃永靖5～31.5 mm 连续级配石灰岩碎石；减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA-I聚羧酸高性能减水剂，减水率为28%；引气剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的GYQ-Ⅲ引气剂，含气量为4.3%，减水率为8%。混凝土设计强度为C35，配合比见表2。

表1 水泥物理力学性能

表2 混凝土试验配合比 kg·m-3

1.2 养护用材料

试验用土工布为市售无膜土工布，质量吸水率为353%；养护剂为市售养护剂；养护膜采用中国铁道科学研究院集团有限公司研发的节水保湿新型养护膜，该养护膜由高强度高韧性薄膜、储释水材料和亲水性微孔无纺布3 部分组成，如图1 所示。其中储释水材料吸水量不小于0.5 kg/m2，标准测试条件下内部湿度保持率不小于95%［12-13］。

图1 节水保湿新型养护膜

1.3 养护方式与制度

按表2配合比配制成型4组尺寸100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱体试件，每组3 块，共计12 块。在实验室内带模养护24 h 拆模后，除对照组置于标准养护室进行养护外，其余试件分别涂刷养护剂、包裹土工布、包裹养护膜后置于温度20 ℃，相对湿度30%的环境模拟箱中养护，养护龄期为28 d。为模拟桥墩实际状态，所有试件均采用竖立状态进行养护，并在试件外侧标注方向，如图2所示。

图2 混凝土棱柱体试件养护

养护膜在包裹前采用喷壶在亲水性微孔无纺布侧洒水，直至储释水材料吸水饱和。养护期间对土工布进行洒水，洒水频次为1 次/d，从试件顶部开始洒水，直至土工布完全湿透。涂刷养护剂和包裹养护膜的试件养护期间不再进行其他处理。同时，制作直径100 mm、高 50 mm 的圆柱体试件 4 组，每组 3 块，养护方式和养护制度同棱柱体试件。

1.4 测试方法

1.4.1 混凝土强度测试

将在不同养护方式下养护28 d的混凝土棱柱体试件由上到下切割成4 块尺寸100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件并进行编号。试件表面自然风干后，按GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定进行抗压强度和劈裂抗拉强度测试。

1.4.2 混凝土抗氯离子渗透性能测试

按GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定，取不同养护方式下养护28 d 的混凝土圆柱体试件进行电通量测试，以评价不同养护方式下混凝土的抗氯离子渗透性能。

1.4.3 水化程度测试

取不同养护方式下混凝土碎屑，用无水乙醇浸泡24 h终止水泥水化，在坩埚内研磨成粉，过75 μm的方孔筛，将粒径小于75 μm 的颗粒装入密封袋备用。试验时称取样品3 g，首先在105 ℃的烘箱中烘干至恒重，除去自由水及无水乙醇，试样冷却后称取1.5 g，在1 050 ℃的高温炉内灼烧至恒重，在干燥皿中冷却后称取质量，灼烧前后的质量差即为化学结合水含量，用以评价混凝土在不同养护方式下的水化程度。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度和劈裂抗拉强度

不同养护方式下混凝土抗压强度见图3。可以看出：①在温度20 ℃，相对湿度30%的干燥环境中，养护剂、土工布、养护膜养护混凝土的抗压强度均低于标准养护的混凝土。当环境湿度较低时，混凝土内部的水会向外部迁移，在混凝土内部形成连通孔，且表面失水产生干燥收缩，甚至开裂，因此养护过程中保证混凝土周围环境湿度至关重要。②4 种养护方式中，标准养护的混凝土试件强度最高；养护剂养护的混凝土试件强度总体最低，未达到设计强度35 MPa 的要求；土工布养护的混凝土试件的部分位置强度未达到设计要求；养护膜养护的混凝土试件强度接近标准养护，达到设计要求。原因可能是采用养护剂养护时存在涂刷不到位情况，使混凝土内部水分在未涂刷到位的局部向外散失，从而影响了混凝土强度增长。在干燥环境中养护膜对所包裹的混凝土水分补给要强于土工布，主要原因是养护膜外侧的高强度高韧性薄膜是不透水材料，储释水材料所蓄水分只能通过微孔无纺布向混凝土一侧定向迁移，从而实现对混凝土外表面水分的补给。而土工布养护由于土工布外侧不存在阻水薄膜，因此其内部所蓄水分会双向迁移，在干燥环境中向空气中散失速度较快，而每天1 次的洒水频次在相对湿度30%的环境中明显不足。若采用带薄膜土工布又会影响后期养护时洒水作业。③土工布养护的混凝土试件上下部强度存在明显差别，出现上部强度偏低、下部强度偏高的现象，而养护剂和养护膜养护的混凝土试件上下部强度较一致。主要是土工布所蓄水分由于重力作用会向下流淌，使试件上部湿度较小、下部湿度较大。实际工程中桥墩尺寸远比试件尺寸大，这种现象将表现得更加明显。

图3 不同养护方式下混凝土抗压强度

不同养护方式下混凝土劈裂抗拉强度见图4。对比图3 和图4 可知，不同养护方式下混凝土劈裂抗拉强度呈现的规律与抗压强度基本一致。

图4 不同养护方式下混凝土劈裂抗拉强度

2.2 抗氯离子渗透性

一般认为混凝土结构发生耐久性破坏主要是腐蚀性介质渗入到混凝土内部，与其中易受腐蚀物质发生了化学反应所致。电通量法是评价混凝土抗氯离子渗透性能的试验方法，电通量越小说明混凝土的耐久性越好。

不同养护方式下混凝土电通量见图5。可以看出：4种养护方式下28 d龄期混凝土试件6 h电通量由大到小排序为养护剂养护、土工布养护、养护膜养护、标准养护。说明在温度20 ℃、相对湿度30%干燥环境中，采用养护膜养护混凝土试件的抗氯离子渗透性最好。这是因为养护膜内的水分使混凝土表面湿度较大，混凝土内部水分不会向外散失，连通孔隙相对较少。TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》中规定，对于设计使用年限100 年的混凝土结构，其强度为C30～C45 时56 d 电通量应小于1 200 C。在干燥环境中养护膜养护的混凝土试件28 d 电通量小于1 200 C，满足规范要求，而养护剂养护和土工布养护的混凝土电通量不满足要求。

图5 不同养护方式下混凝土电通量

2.3 化学结合水

水泥石中的水可分为化学结合水和非化学结合水两大类。化学结合水以OH-或中性水分子形式存在，通过化学键或氢键与其他元素连接。水泥石中的化学结合水随水化物增多而增多［14-15］，因此可通过高温煅烧测试混凝土中化学结合水含量，判定混凝土中水泥水化程度，从而评价不同养护方式的养护效果。因标准养护、养护剂养护和养护膜养护试件上下部强度没有明显差别，故对该3 种养护方式的混凝土试件仅随机取一个部位进行化学结合水试验，而土工布养护的试件上下部分别取样进行试验。

不同养护方式下28 d 龄期混凝土中化学结合水含量见表3。可以看出：①以标准养护混凝土试件中水泥水化程度为100%，其他养护方式养护的混凝土试件均未达到100%，说明在干燥环境中混凝土若得不到足够的水分补给，其水化程度将不充分，且存在明显滞后现象。②土工布养护试件上下部水泥水化程度差别明显，试件最上部水泥水化程度仅是标准养护试件水泥水化程度的66.27%，而试件最下部水泥水化程度达到了91.72%，这也是导致最终强度明显不同的原因。

表3 不同养护方式下混凝土中化学结合水含量

3 实际应用效果

室内试验结果表明，在干燥环境中养护膜养护效果最好。为验证养护膜在实际工程中的养护效果，在京雄城际铁路六标段对实体桥墩进行了养护膜养护现场试验，见图6。在养护膜内侧，桥墩混凝土表面布置无线湿度传感器，测试桥墩混凝土表面相对湿度，见图7。并在桥墩同一高度处养护膜外侧布置另外一个无线湿度传感器，用以测试环境相对湿度。养护28 d龄期内混凝土桥墩表面相对湿度和环境相对湿度测试结果见图8。可以看出，即使外界环境相对湿度变化较大，甚至出现相对湿度小于20%的极端干燥天气，养护膜养护的桥墩混凝土表面相对湿度基本保持在90%以上，一直在饱和湿度范围内，仅发生微小变化，说明养护膜的保湿效果良好，不会随着龄期的增长出现水分散失、相对湿度下降的问题。

图6 养护膜养护的桥墩

图7 无线湿度传感器

图8 养护期间湿度测试结果

4 结论与建议

1）干燥环境中由于养护膜内部储释水材料的水分单向迁移，保证了混凝土表面相对湿度，使混凝土中水泥水化相对充分，因此其养护效果优于养护剂养护和土工布养护。

2）对竖立、高大、不定型尺寸的桥墩包裹土工布洒水养护时，要注意由于水的自重作用桥墩混凝土上下部相对湿度存在差异，最终导致上下部性能差别明显。

3）养护膜养护易于操作；采用养护剂养护时必须保证不漏刷；土工布养护必须保证洒水的频次和水量，后期养护工作量较大。