蒸养制度对路面快速修补用钢纤维混凝土的性能影响

章 皓，高 帅，殷首义，林培桐，鲁刘磊，汪峻峰*

(海南大学a.土木建筑工程学院；b.材料与化工学院，海南 海口 570228)

在道路铺设工程中，混凝土是当代应用最为广泛建筑材料，其具有强度高、承载能力强、耐久性好等优点，同时也存在着抗拉和抗折强度低、易开裂、脆性高的缺点，长期在自然环境和使用环境的作用下，不可避免地会出现破坏现象。因此，亟需进一步提升混凝土路面的性能。由于钢纤维的增强、阻裂作用，对阻止硬化混凝土裂缝扩展有着良好的效果，可以提高混凝土路面的抗折强度和韧性[1]。国内外已经开始大量采用钢纤维混凝土修补路面和机场跑道等，获得了比较满意的结果[2-6]。然而，为了解决混凝土路面修补材料存在的路面开放交通时间偏长等问题，还需要大幅提升混凝土路面的早期强度。

蒸汽养护(以下简称“蒸养”)是利用水蒸气升温加快混凝土中水泥水化的方法，蒸汽本身又具有生产运输成本低、含热量高、湿度大等优势。因此，蒸汽养护作为一种常用的加速养护方法，已被广泛应用于混凝土预制构件生产等领域。但在快速水化的同时，蒸汽养护往往会对混凝土的后期强度和耐久性等产生不利影响[7]。钢纤维混凝土在快速修补道路[8]、机场道面[9]，而蒸汽养护技术在桥梁构件养护[10]、预制管桩[11]上都已有了一些应用。然而，蒸汽养护制度对快速修补路面用钢纤维混凝土有何影响，研究尚少。

本文制备出一种路面修补用钢纤维混凝土，并利用蒸汽养护技术提高其早期强度，以达到快速修补高强路面的目的。采用红外光谱(FTIR)检测、X射线衍射检测(XRD)等手段研究了蒸养制度包括预养时间、恒温温度、恒温时间对其强度和水化的影响，旨在获得行之有效的养护方案，为将钢纤维混凝土应用于快速修补路面提供技术支持。

1 试验方法

1.1 试验材料

水泥：海南华盛天涯有限公司有限公司生产28d抗弯强度≥8.5 MPa,28 d抗压强度≥57.5 MPa。硅灰：Elkem国际贸易有限公司生产，浅灰色粉末，SiO2含量≥90%，密度为2.3 g·cm-3。聚羧酸减水剂：山东省德州中科新材料有限公司生产ZK-9A聚羧酸系高性能减水剂，减水率达30%以上。矿粉：海南华盛天涯有限公司生产S95型矿渣粉。石子：海南省福山石场生产玄武岩碎石，粒径3-5 mm。砂：海南产河砂。钢纤维：铣削波浪型钢纤维，长度约为35 mm，宽度约为2 mm，长径比17.5。

1.2 基准混凝土配合比和纤维参数

表1为基准混凝土配合比。

表1 基准混凝土配合比

1.3 试件制备与养护

(1)试件制备：按表1比例称取各组分，将固体材料加入搅拌锅中，干搅1 min。将减水剂溶解在一半量的水中加入搅拌3 min，然后加入剩余的水再搅拌3 min，加入钢纤维，再搅拌3 min。最后，装入模具，在振动台上振实成型，盖上塑料薄膜并放入标准养护室。

(2)标准养护：24 h脱模，在(20±2) ℃水中养护至龄期28 d。

(3)蒸汽养护：根据表2进行蒸汽养护，其中P28为标准养护室养护好10 h 30 min强度，即与蒸养完成最长时间相同龄期强度，P29为标准养护28 d强度。使用仪器为苏州东华试验仪器有限公司生产ZKY-400型蒸汽快速养护箱。养护程序为：预养-升温-恒温-降温。其中初始温度为30 ℃，升温时间为2 h，温度为蒸汽快速养护箱显示温度，降温方式为自然降温30 min。

表2 蒸汽养护制度

(4)净浆制备：取胶凝材料并按上述步骤(1)制备净浆试件，在不同养护方式养护至规定龄期。

1.4 试验方式

1.4.1 抗压强度及抗折强度

试件养护至龄期后取出，按照《水泥胶砂强度检测方法》(GB/T 17671-1999)中的测定步骤进行。

1.4.2 X射线衍射(XRD)

取养护3 d龄期的净浆试件，破碎后去除表面层并浸泡在无水乙醇中，分析前取出后于40 ℃干燥至衡重，研磨后过200目筛，取过筛粉末进行XRD分析，衍射角度(2θ)为5°～80°，40 kV，40 mA。

1.4.3 红外光谱(FTIR)

取养护3d龄期的净浆试件，破碎后去除表面层并浸泡在无水乙醇中，分析前取出后于40℃干燥至衡重，研磨后过200目筛，取过筛粉末进行红外光谱分析。选择天津港东科技公司的FTIR-650傅立叶变换红外光谱仪，光谱波长范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4.0 cm-1。

1.5 路面快速修补现场试验

(1)损坏路面的切割和凿除

损坏路面的切割区域外形切割成规则的矩形，切割区域为长50 cm×宽50 cm×深10 cm。

(2)混凝土的浇筑

按表1配合比和上述制备方法拌和混凝土，拌和完成后立即进行浇筑施工，并使用振捣棒振捣，捣实后抹平。同时成型10 cm×10 cm×10 cm混凝土试块置于修补部分旁，与修补部分在相同条件下养护。

(3)混凝土的养护

在混凝土浇筑和抹面完成后，立即在混凝土表面上覆盖一层塑料薄膜并浇水保持湿润。一定时间后用保温材料将修补部分和试块覆盖，保温材料周边用重物压实，使用全自控电加热蒸汽发生器LDR-0.4-220V输入蒸汽，开始蒸汽养护，使用温度传感器测定保温材料下的温度。蒸汽养护制度分别为预养2 h，恒温2/4 h，预养4 h，恒温2/4 h，编号为Q1-Q4。路面快速修补现场试验示意如图1所示。

图1 路面快速修补现场试验示意图

2 结果与讨论

2.1 蒸汽养护制度对纤维混凝土性能的影响

2.1.1 抗压强度

(1)预养时间

预养期是指从混凝土试件浇筑成型后到使用蒸汽升温之前在常温下放置的时间段。如图2所示，在蒸养温度、恒温时间相同的情况下，混凝土抗压强度随预养时间的增长而增强，且预养时间从2增长至4 h时和从0增长至2 h时强度提升幅度前者提升幅度明显高于后者。预养时间的增长可以提高混凝土的初始强度，增强抵抗蒸汽养护对结构破坏和残余变形的能力[12]。预养时间 4 h后，蒸养抗压强度均达100 MPa以上，其中经90 ℃和100 ℃蒸养强度到达120 MPa以上，最高达到137.3 MPa，为标准养护28 d强度的91%，可认为4h预养时间能够提供足够的初始强度抵抗蒸汽养护带来的负面效果，本文选择4h为适宜的预养时间。

Rest period/h

(2)恒温温度和恒温时间

如图3所示，在预养时间、恒温时间相同时，抗压强度并不一定随恒温温度的升高而增强，多组试验强度在恒温温度从80 ℃升高至90 ℃时增强，从90 ℃升高至100 ℃时出现下降。混凝土水化程度越高强度越高，适当提高恒温时间和温度可以加快胶凝材料的水化反应速率，进而提高混凝土的早期强度。但恒温时间和恒温温度越高，其对混凝土膨胀的影响也就越大，混凝土的孔隙率和有害孔含量随之增大，造成混凝土后期强度的损失和耐久性下降[13]。此外，高温蒸汽养护可能会导致早期结晶成核及晶体生长无序混乱，造成内部结构无序化，结构松散，强度不足[14]。同理，恒温时间的延长也不一定促进强度的进一步发展，特别是100 ℃时，恒温蒸养4 h的强度相较于3 h的强度更低。在蒸养过程中，水汽的热胀作用将增大混凝土中的空隙量，撑裂水泥石结构，造成内部质量缺陷，最终导致强度降低[15]。

T/℃

t/h

综上，恒温和恒温时间共同决定温度应力和残余变形，而预养期提供时间给混凝土发展足够的初始强度抵抗温度应力和残余变形，这三者相互关联。

2.2.2 X射线衍射分析(XRD)

(1)预养时间

由图5可知，Ca(OH)2(CH)衍射峰(2θ=18.089，34.088，47.123)强度随着预养时间的增长而增强，这可能是因为在预养的水化过程中试件内部结构逐渐稳定，对水化反应的进行有一定的控制作用，剧烈的火山灰反应受到抑制，CH无法快速大量消耗[16]。随着预养时间的增加，C-S-H衍射峰强(2θ=29.355，32.053)明显降低，说明在水泥水化早期升温会增加C-S-H凝胶的结晶程度。

2θ/degree

(2)恒温温度和恒温时间

不同恒温温度和时间的XRD如图6、图7所示，恒温温度和时间对CH的含量影响不明显。CH含量接近，而强度出现差异是因为蒸养条件不同造成的残余变形不同。C-S-H的凝胶结晶程度会随着恒温时间的延长和恒温温度的升高而增高，但C-S-H凝胶的化学组成不固定，常随着温度、养护程度而发生变化，形态不固定，因此出现了恒温温度较低和恒温时间较短时，C-S-H衍射峰强度较低的情况。

2.2.3 红外光谱分析(FTIR)

(1)预养时间

2θ/degree

2θ/degree

λ/cm-1

(2)恒温温度和恒温时间

由图9，10可知，970 cm-1处的吸收峰随着恒温温度和恒温时间的提高而加强，可见适当提高恒温时间和温度同样有利于加快水化反应的进行，促进水化程度更完全。但结合强度数据可知，这两项参数的提升不一定有利于强度的发展。可能是因为蒸汽养护在提升水化反应速率的同时也会增大生成的凝胶密度，导致孔隙率增大[19]。也有研究指出，蒸汽养护会对混凝土产生负效应，且负效应是由于水化产物不均匀分布引起，与水泥水化程度无关[20]。因此，尽管水化程度更完全，却不一定更有利于强度的提高。

2.3 路面快速修补现场试验

图11(a)为路面修补试验对破损路面的处理，图11(b)为便携式蒸汽发生器，图11(c)(d)为混凝土浇筑和蒸汽养护。

λ/cm-1

λ/cm-1

受蒸汽发生器性能、材料保温性能和环境等多方面因素影响，现场试验温度无法进行定量控制。使用温度传感器测得蒸养过程中温度变化曲线如图13所示，在现场试验过程中，经过约85 min温度从36 ℃升高至峰值80 ℃，随后在65 ℃～80 ℃间波动。蒸养完成后测得同时成型相同养护的试块强度如图12所示，在蒸汽养护条件下，6，8，10 h混凝土抗压强度分别达到60，70，80 MPa，且抗压强度均随预养时间和恒温时间的增长而增强，现场试验结果已经能够满足大多数高强度路面快速修复需求。路面修补试验效果图如图14所示。

(a) 前置处理 (b)蒸汽发生器 (c)混凝土浇筑 (d)蒸汽养护

Steam curing condition

t/min

图14 路面修补效果图

3 结论

蒸汽养护可有效提高水泥早期水化反应的速率，但过高的恒温温度和过长的恒温时间不利于提高强度提升。预养时间、恒温温度和恒温时间三者应优化设计并经试验验证，适当提高预养时间可提供足够高的初始强度，使钢纤维混凝土能够承受较高的恒温温度和恒温时间。在实验室条件下，钢纤维混凝土最适宜的蒸养制度为：预养4 h后，以30 ℃·h-1升温2h至90 ℃后恒温4 h。蒸汽养护应用于钢纤维混凝土快速修补路面是一种行之有效的方法，现场试验8、10 h强度可分别达到70、80 MPa，现场试验结果能够满足大多数高强度路面快速修复需求。