蒸汽养护对混凝土力学和耐久性能的影响研究

李顾媛，邓兆勋，周官封

(中国水利水电第十一工程局有限公司,河南 郑州 450001)

0 引言

建筑工程的迅速发展尤其是装配式结构占比的提高,对混凝土预制构件的生产提出了高质量、高效率的要求,蒸汽养护作为提高混凝土早期强度的重要措施,对其的研究及应用也掀起了新一轮的热潮。近期,装配式建筑在“新冠肺炎”疫情防控阻击战中的优异表现,使装配式结构呈现在世人的面前,引起强烈的反响。有研究表明,在相同水化程度条件下,蒸养混凝土的抗压强度低于标养混凝土,且蒸养混凝土的抗压强度随水化程度的增长率也低于标准养护混凝土[1];在电子显微镜下,可看出蒸养时,随升温速率的增加,混凝土内部C-S-H凝胶的晶体无序的堆积量逐步增加,不利于混凝土力学性能的增长[2];通过混凝土配合比的优化设计及矿物掺合料的使用,辅以合理的蒸汽养护工艺,可有效降低蒸汽养护过程中的不良影响[3-6]。

目前,为适应行业发展,本单位联合三家洛阳本地企业共同投资建设中电建(洛阳)装配式建筑科技有限公司产业基地。为加快装配式构件模具的周转效率和场地的使用效率,尽早满足预制构件的起吊要求,对预制构件采用蒸汽养护的措施,快速提高混凝土早期强度,以达到装配式构件的产能需求。为保证混凝土预制构件质量,适应建筑结构发展潮流,本文研究了蒸汽养护对混凝土力学性能、抗冻性能和抗渗性能的影响,并提出能够有效减少蒸汽养护对混凝土性能不利影响的措施。

根据研究内容和目的,结合实际生产需求,本次研究用混凝土配合比的技术要求如表1所示。

表1 混凝土技术要求

1 原材料

水泥:选用天瑞水泥集团有限公司生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥(P.O42.5),依据GB 175—2007通用硅酸盐水泥进行检测,其密度为3.02 g/cm3,标准稠度用水量为27.2%,碱的质量分数为5.57%,其余性能检测结果见表2。经检测,水泥质量符合GB 175—2007通用硅酸盐水泥中的相关技术要求。

表2 P.O42.5水泥性能试验结果

矿渣粉:使用S95矿渣粉,经检测,其质量符合GB/T 18046—2017用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉中相关技术要求,检测结果见表3。

粉煤灰:使用F类Ⅰ级粉煤灰,经检测,其质量符合GB/T 1596—2017用于水泥和混凝土的粉煤灰中相关技术要求,检测结果见表4。

表3 S95矿渣粉性能试验结果

表4 粉煤灰性能试验结果

细骨料:使用天然砂,依据JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准进行检测。经检测,其细度模数为3.0,紧密堆积密度为1 680 kg/m3,吸水率为1.4%,含泥量为1.2%,砂中无泥块含量,坚固性为3%;经过比对,有机质含量浅于标准色;通过砂浆棒快速法检测,该骨料为非活性骨料。细骨料筛分试验结果见表5。

表5 细骨料筛分检验结果

粗骨料:使用5 mm～10 mm,10 mm～20 mm两种粒径的人工碎石,依据JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准进行检测。通过砂浆棒快速法检测,该骨料为非活性骨料,其余性能指标检测结果见表6。根据检测结果,判定其质量符合规范中相关技术要求。5 mm～20 mm连续级配的石子比例按照最大容重法并结合混凝土拌合物的性能确定,经试验最终选择5 mm～10 mm与10 mm～20 mm两种人工碎石的质量比为D10∶D20=40∶60,并将两种石子按照比例配好备用。

表6 粗骨料品质检测结果

外加剂:根据混凝土技术要求,外加剂选用高性能减水剂(缓凝型、标准型、早强型)和引气剂,依据GB 8076—2008混凝土外加剂对外加剂进行检测,受检混凝土性能指标检测结果如表7所示。

表7 受检混凝土性能指标检测结果

2 混凝土配合比设计

依据JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程进行混凝土配合比设计,混凝土配合比计算采用质量法,混凝土容重按照2 380 kg/m3计算。根据混凝土强度等级,经过计算,混凝土配制强度为48.2 MPa。结合规范、技术要求和拌和经验,初步确定水胶质量比为0.35,0.40,0.45,基准砂率为40%,粉煤灰掺量为20%,矿渣粉掺量为10%,外加剂采用高性能(缓凝型)减水剂和引气剂双掺的方式,减水剂掺量为1.6%,引气剂掺量为1/10 000,进行试拌的配合比如表8所示。

表8 C40混凝土试拌配合比

按照上述配合比进行试拌,分别检测混凝土拌合物坍落度、含气量,然后成型100 mm3抗压试块、抗冻试块、抗渗试块,检测混凝土力学性能、抗冻性能和耐久性能,试验结果如表9所示。

表9 混凝土拌合物性能和硬化混凝土性能检测结果表

将所得28 d抗压强度与其水胶比进行回归分析,结合混凝土拌合物性能与耐久性能检测结果,得出C40混凝土配合比中,粉煤灰掺量为20%,矿渣粉掺量为10%,高性能(缓凝型)减水剂掺量为1.6%,引气剂掺量为1/10 000,所得C40混凝土推荐配合比如表10所示。

表10 推荐得出C40混凝土配合比

3 混凝土养护

3.1 养护方案

成型混凝土抗压强度试块、抗冻试块和抗渗试块,采用蒸汽养护、标准养护和同条件养护(冬季室外,湿布覆盖,日平均温度逐日累计达到600 ℃·d)的方式,对比分析混凝土力学性能和耐久性能的差异。混凝土蒸汽养护温度采用60 ℃,升温速率和降温速率均相同,通过静停时间和蒸养恒温时间的调整,研究蒸养养护对混凝土性能的影响,制定蒸养工艺如表11所示,蒸汽养护结束后,将试块转入标准养护室,养护至相应龄期,进行性能检测。

表11 试验采用的蒸汽养护工艺

3.2 混凝土检测结果

按照推荐得出的C40混凝土配合比试拌成型,采用拟定的养护方案分别进行蒸汽养护、标准养护、同条件养护,养护完成后检测不同龄期混凝土抗压强度、抗冻性能和抗渗性能,其中,同条件养护主要检测抗压强度。经检测,不同养护工艺下,混凝土抗渗等级均满足P8的要求,抗压强度试验结果如图1所示,抗冻等级如图2所示。

3.3 试验结果分析

在上述抗压强度试验结果中,冬季进行的同条件养护试块,1 d抗压强度较低,试块不易脱模,故同条件试块未进行1 d抗压强度检测。对得出的混凝土立方体抗压强度试验结果进行分析,可看出,混凝土采用蒸汽养护工艺时,与同条件养护方式相比,其强度在各个时期都有一定程度的提高,在3 d龄期时,蒸汽养护混凝土强度是同条件养护的2倍～2.5倍,随着龄期的增长,此种差距逐渐缩小,但28 d龄期时,强度仍为同条件养护的1.2倍以上。蒸汽养护与标准养护方式相比,其强度在7 d之前,比标准养护强度有所提高,尤其在1 d龄期时,蒸汽养护混凝土强度是标准养护混凝土的3倍～7倍,由此也可以看出,蒸养工艺对混凝土早期强度也至关重要,在3 d龄期时,强度为标养混凝土强度的1.3倍～1.5倍,到7 d时,蒸养强度略高于标养强度;但7 d之后,两种养护方式强度之间的差距会逐渐减少,14 d的龄期,部分标养混凝土强度已稍高于蒸汽养护强度,最终28 d龄期时,蒸养混凝土强度为标准养护强度的90%左右。经过蒸汽养护,混凝土的抗渗性能差异不大,均能达到抗渗等级为P8的技术要求;混凝土的抗冻性能均有所降低,但静停时间、蒸养时间的差异,也导致抗冻性能有较大的差别。

进一步对蒸汽养护混凝土的试验结果分析,在同一静停时间,比较不同的蒸养时间,随蒸汽养护时间的增加,早期混凝土强度提高明显,但28 d强度差异不大,且过长的蒸汽养护时间反而会降低28 d强度;抗冻性能则随蒸养时间的增加有所降低,过长的蒸汽养护时间,不利于混凝土耐久性能的形成。在同一蒸养时间下,比较不同的静停时间时,随静停时间的延长,有利于混凝土强度发展,混凝土强度基本上呈提高趋势,且早期强度提高明显;抗冻性能也随静停时间的延长,有所提高,但过长的静停时间与采用蒸汽养护的目的有冲突,因此,结合混凝土现场施工蒸汽养护的要求,合理制定蒸汽养护工艺,使混凝土强度和耐久性能发挥的恰到好处。

4 不同外加剂对蒸汽养护混凝土性能的影响

从上述的试验结果,选择混凝土性能较优异的g-5作为蒸汽养护工艺,比较早强型、标准型、缓凝型高性能减水剂分别与引气剂复合使用对蒸汽养护混凝土性能的影响。试验时仍使用推荐得出的C40混凝土配合比,通过减水剂掺量的调整,使三种混凝土的坍落度符合设计要求。经检测,蒸汽养护下,使用缓凝型、标准型、早强型减水剂的混凝土抗冻等级分别满足F150,F175,F200的技术要求,使用不同类型减水剂的混凝土抗压强度结果见图3。

由上述结果进行对比分析,在同一蒸汽养护工艺下,早强型减水剂的使用更加有利于混凝土早期强度的提高,使用早强型减水剂的混凝土,在1 d龄期时,其抗压强度较使用缓凝型减水剂混凝土提高1.4倍左右,较使用标准型减水剂混凝土提高1.2倍左右,随着龄期的增长,此种趋势逐渐缩小,最终28 d龄期时强度趋于相同;且早强型减水剂的使用,混凝土的抗冻性能表现优异。因此,在冬季施工过程中,由于低温的影响,采用蒸汽养护时,建议优先采用早强型减水剂。

5 结论

1)采用蒸汽养护工艺的混凝土,早期强度有明显提高,7 d龄期之后混凝土的力学性能与标准养护混凝土逐渐接近,14 d龄期时,被标准养护混凝土赶超,28 d龄期时强度均低于标准养护混凝土。蒸汽养护工艺使混凝土前期水化作用加速,在一定程度上提高了混凝土的力学性能[7]。2)采用同一蒸汽养护工艺时,早强型减水剂较其他类型的外加剂更有利于混凝土早期强度的提高和耐久性能的形成,且蒸汽养护工艺合理的情况下,可有效避免蒸汽养护对混凝土耐久性能的不利影响。3)采用蒸汽养护工艺时,随着静停时间的延长,有助于减少蒸汽养护对混凝土性能的影响,分析其原因,随静停时间的增加,混凝土自身形成一定的应力,来抵抗蒸养过程中,水化反应不均匀产生的温度应力;随蒸汽养护时间增加,混凝土早期力学性能增长较快,但过长的蒸汽养护时间,不利于混凝土最终力学性能和耐久性能的形成。