压力养护钢管混凝土的力学性能和微观结构

王开强，孙 庆，董耀武，*，林 琦，杨 辉

（1.中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430070；2.中国建筑先进技术研究院，湖北 武汉 430070）

水泥水化早期阶段的养护是水化产物微观结构形成的关键，决定混凝土力学性能的发展［1-2］.不同的养护制度对水泥水化进程、微观结构形成及强度发展的影响具有显著差异，但普遍存在“高温、高压、潮湿环境可以促进水化”的规律［3-6］.目前学者们多关注于温度制度对水泥水化进程和混凝土强度发展的影响［7-9］，而对压力养护制度的研究较少.

压力养护工艺可追溯至20 世纪70 年代，前苏联利用加压和热养护使混凝土快速凝结硬化，提高了模具使用周转率［10］.中国针对铁路配重坠砣、路面砖及离心成型管桩等混凝土制品采用压力成型工艺，所用的混凝土多为干硬性，且成型压力小、持续时间短［11-12］.另外，在蒸压养护中所采用的加压通常是提高所处环境的气相压强，增加的压强通常小于1 MPa，压力对拌和物内部的影响有限［1］.

为实现流态化混凝土拌和物能够在更高压力下养护的目的，本文采用两段式钢管，利用钢管约束混凝土拌和物，通过自制加压装置直接对钢管内的混凝土施加压力，并维持此压力来养护混凝土至终凝硬化.研究压力养护条件下混凝土内部的物料分布、微观结构、水化进程和强度发展，测试钢管混凝土（CFST）试件的轴压力学性能，探索压力养护工艺对CFST 材料和性能的影响机理.

1 试验

1.1 原材料及配合比

采用C70SF 钢纤维混凝土和C70 混凝土制备钢管混凝土试件.表1 为2 种混凝土的配合比和表观密度.其中，水泥（C）为华新水泥股份有限公司产P·O 42.5 普通硅酸盐水泥；矿粉（K）为武汉武新新型建材有限公司产S95 级矿粉；硅灰（Si）为四川朗天资源综合利用有限责任公司产微硅粉，SiO2含量（质量分数，文中涉及的含量、含固量等除特别注明外均为质量分数）大于等于93%；砂（S）为湖北孝感产水洗机制砂，细度模数为2.6；石（G）为湖北咸宁产5～25 mm 连续级配玄武岩青石；外加剂（PCE）为武汉优城科技有限公司提供的UC-300 聚羧酸高性能减水剂，含固量为25%；钢纤维（SF）为镀铜钢纤维，长度为12～14 mm，抗拉强度大于等于2 800 MPa；拌和水（W）为自来水.

表1 2 种混凝土的配合比和表观密度Table 1 Mix proportions and apparent density of two kinds of concretes

1.2 试件及加压装置

两段式CFST 试件示意图如图1 所示.由图1 可见，钢管由行程段钢管和试验段钢管这两段Q355 钢管焊接而成，其中试验段钢管一端闭合，另一端连接行程段钢管，行程段钢管直径较小，目的是能够在较小的顶推力下达到更高的养护压强.自制加压装置示意图见图2.该加压装置由液压千斤顶、反力架、托架、张拉螺杆和顶推活塞杆等构成，其中液压千斤顶的最大顶撑力为200 t，可自动锁闭.

图1 两段式CFST 试件Fig.1 CFST specimen welded together in two sections

图2 自制加压装置Fig.2 Self-designed hydraulic device

CFST 试件制作步骤如下：（1）通过行程段钢管开口向钢管内浇筑混凝土，待浇筑至距开口50 mm 处停止，放置可活动的密封垫片进行封口；（2）将钢管混凝土试件整体卧式放入自制加压装置中，顶推活塞杆一端伸入行程段钢管内接触密封垫片，一端接触液压千斤顶，进行压力养护；（3）压力养护结束后，取出灌注混凝土的两段式钢管混凝土试件，用盘锯将试验段和行程段切割分离，并将试验段断面打磨平整，即制备得到轴压试验用CFST试件.

1.3 试验方案

试验方案如表2 所示.由表2 可见：（1）当采用C70SF 钢纤维混凝土填充钢管时，压力F设置为0（仅用震动棒振捣密实成型）、29、45、63 t，折合压强P为0、16、26、36 MPa，压 力 养 护 持续时间t设置为24 h；随着施加压力的增加，试验段钢管的壁厚T适当增加，以防止钢管因压力而出现屈服.（2）当采用C70 混凝土填充钢管时，压力F统一设置为45 t，折合压强P为26 MPa，压力养护持续时间t设置为4、8、

表2 试验方案Table 2 Experiment scheme

24 h.

1.4 测试方法

浇筑两段式钢管的同时，取部分混凝土制作边长为150 mm 的立方体试块，同条件下养护至规定龄期.对行程段钢管中的核心混凝土和立方体试块进行钻芯取样，均制备成尺寸为φ70.7×70.7 mm 的试件，依据JGJ/T 384—2016《钻芯法检测混凝土强度技术规程》进行抗压强度检测.

对试验段钢管进行切割，将混凝土断面打磨平整，在同条件下养护至56 d，采用30 000 kN 电液伺服压力试验机进行轴压试验，加载速率为0.5 mm/min，至试件破坏后停止加载.

在试验段钢管外表面上部（1-1）、中部（2-2）和下部（3-3）布置应变片和位移传感器，如图3 所示.监测数据处理需要考虑到试件各方向变形不均匀及试验结果的离散性，每个截面上均以应力为基准，对4 个方向的测点应变数据取平均值，获得该截面的平均应力-应变曲线；荷载-位移曲线同理，取4 个方向的位移平均值.

图3 试验段钢管的应变片和位移传感器布置Fig.3 Strain gauge and displacement sensor arrangement of test steel pipe

将行程段钢管混凝土断面处的20 mm×20 mm砂浆碎片，与作为对比样品的同条件养护试块的砂浆碎片，放入无水乙醇中密闭保存24 h 以终止水化；随后在105 ℃烘干24 h 后制得微观试样，采用日本电子JSM-IT300 型扫描电子显微镜（SEM）进行微观结构表征.

2 结果与讨论

2.1 物理性能

2.1.1 核心混凝土的工作性能和力学性能

表3 为核心混凝土的工作性能和力学性能.图4为核心混凝土的抗压强度和表观密度变化.

计算如下：TLI（∑）=∑Wj·TLI（j）[5]，采用总磷（TP）、总氮（TN）、 叶绿素 a（Chla）、高锰酸盐指数（CODMn）、透明度（SD）作为水质综合营养状态指标的评价参数，式中Wj是第j种参数的营养状态指数的相关权重，TSI（j）是第j种参数的营养状态指数。

表3 核心混凝土的工作性能和力学性能Table 3 Workability and mechanical property of core concrete

图4 核心混凝土的抗压强度和表观密度变化Fig.4 Changes in compressive strength and apparent density of core concrete

结合表3 和图4 可知，2 种新拌混凝土均满足大流态工作性，特别是C70SF 钢纤维混凝土由于掺有钢纤维，微硅粉用量大且聚羧酸减水剂掺量高，导致混凝土拌和物黏度增大、倒置坍落度桶的排空时间延长、凝结时间延长.核心混凝土的抗压强度和表观密度受配合比、养护压力和压力持续时间等因素的综合影响，总体呈现下述规律：（1）压力养护下，2 种核心混凝土的表观密度均有所增加，增幅为25～30 kg/m3；（2）相较未加压的C70SF 钢纤维混凝土芯样对照组，随着养护压力的提高，加压C70SF 钢纤维混凝土芯样抗压强度的增幅为21.1%～24.5%；但最大养护压力（36 MPa）与最小养护压力（16 MPa）下的2 组C70SF 钢纤维混凝土芯样抗压强度增幅接近，仅相差1.9 MPa，表明过高的养护压力对核心混凝土强度的提升效果并不显著.（3）相较未加压的C70 混凝土芯样对照组，随着压力养护时间的延长，加压C70 混凝土的表观密度和抗压强度均有所增加；与压力养护时间为4 h 的C70 混凝土相比，压力养护时间为24 h 的C70 混凝土强度仅提高3.5 MPa，表明混凝土流态阶段时的加压养护可以显著提高混凝土密实度，但初凝后的持续加压对混凝土密实度的改善效果有所降低.

2.1.2 CFST 试件的轴压性能

表4 为10 个CFST 试件单轴压缩时的特征参数.图5 对比了试验段钢管外径D＝273.0 mm 的6 个CFST 试件的荷载-位移曲线.结合表4 和图5 可知：（1）CFST 试件受压时，荷载-位移曲线呈现弹性段、弹塑性段和塑性段3 个阶段；（2）弹性段时CFST 试件的荷载-位移曲线近似线性关系，且随着钢管壁厚的增加，曲线斜率显著增加，表明CFST 试件整体刚度增加；而相同壁厚的压力养护试件（S2A10、S2B10和S2C10）的刚度较振捣成型对照组试件（D2A10、D2B10 和D2C10）提升幅度为13%～23%.（3）进入弹塑性段时CFST 试件的轴压刚度降低，直至到达极限荷载，相同壁厚的压力养护组试件的极限承载力较对照组提升20%以上.（4）随着钢管壁厚的减小，压力养护对CFST 试件极限承载力的提升幅度基本一致.（5）随着压力养护时间的延长，特别是混凝土终凝后的持续加压对CFST 试件承载力提升效果有限.

表4 CFST 试件单轴压缩时的特征参数Table 4 Characteristic parameters of CFST specimens under uniaxial compression

图5 CFST 试件的荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement curves of CFST specimens

图6 为试件S2A10 和D2A10 在3-3 截面处的荷载-应变曲线.由图6 可见：S2A10 试件的环向和轴向曲线拐点处的应变值稍小，表明钢管中残存的应力导致钢材更早进入屈服状态；但由于钢管增强了对核心混凝土的约束作用，提升了核心混凝土强度，使试件的极限承载力显著增加.

图6 试件S2A10 和D2A10 在3-3 截面处的荷载-应变曲线Fig.6 Load-strain curves at sections 3-3 of specimen S2A10 and D2A10

2.1.3 CFST 试件的破坏特征

图7 为CFST 试件的破坏特征.由图7 可见：随着轴向压力的逐渐增大，在试验段钢管上部1-1 截面处率先出现鼓胀变形现象，该处钢管在极限荷载出现前就已进入屈服状态；当荷载到达极限时，钢管呈现两端小、中间大的整体鼓胀变形状，并逐渐产生斜向45°的变形纹路，这是混凝土受压产生剪切滑移的典型破坏特征，表明钢管内部的混凝土已经完全破坏；继续加载后，钢管变形继续增大，压力下降到一定程度时维持稳定，此时钢管整体出现明显鼓胀屈服变形.由此可见，虽然压力养护的核心混凝土具有更高的表观密度和抗压强度，CFST 试件的极限承载力有一定提升，但其变形破坏特征并无显著差别.

图7 CFST 试件的破坏特征Fig.7 Damage characteristics of CFST specimens

2.2 压力下的钢-砼协同效应

2.2.1 压力下的混凝土拌和物

图8 混凝土拌和物的固-液-气三相体系Fig.8 Solid-liquid-gas dispersion system of concrete mixture

图9 振动成型的混凝土立方体试块断面的孔隙分布Fig.9 Pore distribution in the cross-section of concrete cube specimens formed by vibration

图10 为试件S2A10 的切割断面及其二值化图像.由图10 可见，压力养护的混凝土试件断面骨料分布均匀，宏观观测几乎无明显的气孔或孔洞，经Image J 软件分析可知，该处断面的宏观孔隙率为0.35%，与振捣成型的试件断面相比，改善效果显著.这表明，在外部压力增加过程中，混凝土拌和物中的颗粒之间相互错动挤压、重新组合排布，气泡通过颗粒间隙排出，拌和物体积被显著压缩，从而达到紧密堆积的效果.

图10 试件S2A10 的切割断面及其二值化图像Fig.10 Cutting section of specimen S2A10 and its binarization image

2.2.2 压力下的水泥早期水化的微观结构

有研究认为，养护条件可以促使C-S-H 凝胶的类型发生变化，从而影响混凝土的微观力学性能和形貌结构［4］.

图11 为同条件养护和压力养护试件的断面微观形貌.由图11 可见：（1）同条件养护试件的断面存在较多微孔隙，且有较多贯穿孔结构和界面过渡区的微裂纹；同条件养护下水化产物多为聚合度较低的絮状或颗粒状，少量水化产物交叉生长于孔洞、微裂纹和界面过渡区（ITZ）中.（2）压力养护试件的断面上的水化产物多为纤维状的AFt 和无定形状凝胶状的C-S-H，形貌更粗壮和丰富，晶体的生长发育更粗大，相互交联更紧密，遍布界面过渡区.这表明，压力养护下水化产物密集填充到孔结构、微裂纹和界面过渡区中，使得水泥石微观结构更为致密，微米级的孔洞数量少，抑制了微裂纹的发展.

图11 同条件养护和压力养护试件的断面微观形貌Fig.11 Section microstructures of specimens under the same curing condition and pressure curing condition

2.2.3 钢管-核心混凝土的协同增强机理

压力养护在增强核心混凝土自身密实度的同时，势必会对外围约束的钢管产生影响.以试件S2A10 为例，研究了压力养护时钢管的环向应变变化情况，结果见图12.由图12 可见：混凝土拌和物将压力传导至约束钢管上，导致钢管各部位均产生环向膨胀，其中试验段钢管上部1-1 处和中部2-2 处的环向应变较为接近，且均略大于底部3-3 处，这是压力在混凝土内部传导衰减，且钢板封底的约束作用所导致的；在压力保持阶段，环向应变值随着时间的延长而缓慢减小，表明混凝土拌和物内颗粒持续挤压重组，体积逐渐收缩，加之混凝土水化硬化过程中的温度收缩和自收缩，导致约束钢管的环向应变有所减小.钢管恢复原状的趋势会对核心混凝土产生“环箍”作用，从而给核心混凝土提供向内的预压应力.

图12 压力养护时钢管的环向应变Fig.12 Circumferential strain of steel pipe during pressure curing

对于振捣成型试件，由于核心混凝土硬化时的自然收缩，使其与钢管产生“剥离”趋势；在受压时钢管变形会进一步增加两者的“剥离”趋势，其核心混凝土总体处于单向受压状态［13-15］.图13 显示了CFST 试件的初始应力状态.由图13 可见，CFST 试件在轴向压缩时，外围约束钢管在轴向和环向上均处于拉伸应力的状态，具有收缩压实核心混凝土的趋势，因此在受压初期需先克服钢管内的轴向拉应力；核心混凝土在受压初期即处于三向受压的应力状态，混凝土横向变形须先克服外围约束钢管的预加环向压应力，加之核心混凝土自身密实度和强度的提升，钢管和核心混凝土产生协同互补、共同受力的效果，使得试件整体承载力显著提高.

图13 CFST 试件的初始应力状态Fig.13 Initial stress state of CFST specimen

3 结论

（1）在混凝土凝结硬化阶段采用压力养护，可以改善混凝土自身的微观结构和力学性能.压力养护后水化产物结晶良好、形貌多样化，能够充分填充孔隙和界面过渡区；混凝土断面处的宏观孔隙率由4.70%降至0.35%.

（2）过高的养护压力和初凝后的持续加压，对继续提高核心混凝土强度的效果有限.当养护压力由16 MPa 增 加 到 36 MPa 时，C70SF 钢筋纤维混凝土芯样强度仅提高1.9 MPa；当压力养护持续时间由4 h 增加到 24 h 时，C70 混凝土芯样强度仅提高3.5 MPa.

（3）压力传导至外围钢管上，使钢管发生环向拉伸变形.随着压力养护结束和核心混凝土的自身收缩，钢管收缩趋势给核心混凝土施加环向预压应力，同时由于混凝土自身强度的提高，使得钢管混凝土试件的极限承载力提高20%以上，压力养护对试件的破坏特征无显著影响.