汪冬冬，田偉麗，王成啟

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

我國高強混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)，廣泛采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式。高速鐵路的箱梁、預(yù)制軌道板、地鐵混凝土管片、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁等均采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。實踐證明，蒸氣養(yǎng)護(hù)可以促進(jìn)混凝土早期強度的增長，縮短混凝土脫模時間，加快模具的周轉(zhuǎn)，縮短生產(chǎn)周期，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

但目前國內(nèi)外許多研究[1-5]發(fā)現(xiàn)蒸汽養(yǎng)護(hù)在提高混凝土早期硬化速度的前提下，對混凝土產(chǎn)生一定負(fù)面影響。在較高溫度下養(yǎng)護(hù)硅酸鹽水泥混凝土，會降低其對氯離子滲透的抵抗力，采用礦渣、硅灰等礦物摻合料可在一定程度上改善蒸養(yǎng)對混凝土的不利影響。美國上世紀(jì)60年代建造的舊金山海灣San Mateo-Hayward大橋采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的浪濺區(qū)預(yù)制橫梁，1980年不得不進(jìn)行耗資巨大的修補。Mehta等人[6]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)部分梁腐蝕嚴(yán)重，自然養(yǎng)護(hù)的梁未出現(xiàn)腐蝕。已有研究普遍認(rèn)為：蒸汽養(yǎng)護(hù)加速水泥水化，促進(jìn)強度發(fā)展的同時引起“腫脹”作用。升溫或降溫階段表里之間產(chǎn)生溫度梯度和氣壓差，并促成水、氣體的轉(zhuǎn)移，造成定向通路，形成連通孔隙，進(jìn)而對混凝土的抗氯離子滲透性能產(chǎn)生不利影響。

本研究內(nèi)容為不同養(yǎng)護(hù)方式及摻礦粉對混凝土的力學(xué)性能、抗氯離子滲透性能和抗凍性能影響的試驗研究。

1 原材料及試驗特性

水泥為海螺牌PⅡ52.5水泥；礦渣為S95級粒化高爐礦渣粉，比表面積為400m2/kg；減水劑為上海三瑞聚羧酸高效減水劑；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.70，級配區(qū)間Ⅱ區(qū)的河砂，表觀密度2.61 g/cm3；粗骨料為粒徑5～25mm連續(xù)級配碎石，表觀密度2.71 g/cm3；水為自來水。

2 試驗方案與方法

采用摻礦粉和不摻礦粉兩種C80混凝土配合比（表1）進(jìn)行對比試驗，并分別采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)兩種不同養(yǎng)護(hù)方式：1）標(biāo)養(yǎng)：混凝土成型后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，待齡期達(dá)到28 d后測試。2）蒸養(yǎng)：靜停2 h、升溫3 h、恒溫（70℃）7 h、降溫2 h。蒸養(yǎng)后混凝土移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，待齡期達(dá)到28 d后測試。分別對混凝土的力學(xué)性能和耐久性能指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)測試?；炷亮W(xué)性能試驗參照J(rèn)TJ 270-98《水運工程混凝土試驗規(guī)程》；抗氯離子滲透試驗采用ASTM C1202《混凝土抗氯離子滲透試驗標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》、《混凝土氯離子擴散系數(shù)快速測定方法》（RCM法）和NTBUILD 443《北歐氯離子滲透試驗標(biāo)準(zhǔn)》?；炷量箖鲈囼瀰⒄誈BJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》快凍法。

表1 混凝土配合比 kg·m-3

3 試驗結(jié)果與分析

由表2試驗結(jié)果看出，蒸養(yǎng)對提高混凝土早期強度有利，蒸汽養(yǎng)護(hù)使混凝土在較短的時間內(nèi)強度迅速提高，但28 d齡期抗壓強度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強度。軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度均表現(xiàn)出相似規(guī)律。由此可見，蒸汽養(yǎng)護(hù)可以促進(jìn)混凝土早期強度提高，但對最終強度可能有負(fù)面影響。

表2 標(biāo)養(yǎng)混凝土與蒸養(yǎng)混凝土力學(xué)性能指標(biāo)對比

根據(jù)表3及圖1～圖4，兩種不同養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的耐久性能指標(biāo)對比情況，蒸汽養(yǎng)護(hù)對混凝土的耐久性產(chǎn)生不利影響。經(jīng)過蒸汽養(yǎng)護(hù)后，混凝土的電通量、擴散系數(shù)增大，抗凍等級降低，其中擴散系數(shù)和抗凍性指標(biāo)受到影響較為明顯，尤其是抗凍。蒸養(yǎng)條件下和標(biāo)養(yǎng)條件下同種混凝土抗凍差別明顯，蒸養(yǎng)后的混凝土抗凍性明顯下降。

采用ASTM C1202快速氯離子滲透試驗結(jié)果見表3及圖1，采用RCM法和NTBUILD 443兩種試驗方法測試的混凝土氯離子擴散系數(shù)結(jié)果見表3及圖2?？梢娊?jīng)過蒸養(yǎng)后的混凝土電通量和氯離子擴散系數(shù)增大，并且氯離子擴散系數(shù)受到的影響更為顯著。摻加礦粉后混凝土的電通量和擴散系數(shù)降低，可在一定程度上彌補蒸養(yǎng)對混凝土抗氯離子滲透性的不利影響。

表3 標(biāo)養(yǎng)混凝土與蒸養(yǎng)混凝土耐久性能指標(biāo)對比

圖1 ASTM C1202混凝土電通量試驗結(jié)果

圖2 混凝土氯離子擴散系數(shù)

采用NTBUILD 443高濃度鹽水自然浸泡試驗的氯離子濃度—深度曲線見圖3。根據(jù)圖3，摻礦粉混凝土（KB、KZ）氯離子濃度隨深度衰減較快，由此可見礦粉對提高混凝土抗氯離子滲透性有利；對于同一配方混凝土，蒸養(yǎng)混凝土氯離子濃度隨深度衰減較慢，由此可見蒸養(yǎng)對混凝土的抗氯離子滲透性不利。

圖3 NT BUILD 443法氯離子濃度曲線

采用GBJ82-85快凍法進(jìn)行的抗凍試驗結(jié)果見表3及圖4。根據(jù)圖4相對動彈性模量的試驗曲線可見，不摻礦粉的蒸養(yǎng)混凝土JZ抗凍性極差，僅經(jīng)過100次凍融循環(huán)，混凝土的相對動彈性模量已經(jīng)迅速衰減到60%，而在自然養(yǎng)護(hù)條件下的同種混凝土JB歷經(jīng)300次凍融循環(huán)，相對動彈性模量幾乎無衰減，直到500次凍融循環(huán)后相對動彈性模量才衰減到60%。對于摻25%礦粉的標(biāo)養(yǎng)混凝土KB，歷經(jīng)1 000次凍融循環(huán)后混凝土的相對動彈性模量仍在90%以上，抗凍性極高，而摻25%礦粉的蒸養(yǎng)混凝土KZ的相對動彈性模量也是在500次凍融循環(huán)后才開始衰減。

圖4 快凍法相對動彈性模量試驗結(jié)果

4 蒸養(yǎng)混凝土微觀分析

為了進(jìn)一步分析蒸養(yǎng)對耐久性指標(biāo)影響較大的原因，分別對抗凍試驗前后的混凝土進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）分析，研究硬化水泥石的微觀晶體結(jié)構(gòu)，并對比分析礦粉對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響。

4.1 蒸養(yǎng)混凝土硬化水泥石微觀結(jié)構(gòu)

圖5、圖6是摻25%礦粉與不摻礦粉的蒸養(yǎng)混凝土放大500倍的SEM照片，可以看出摻25%礦粉的混凝土硬化水泥漿體的相對密實，漿體比較均勻并缺陷較少；而不摻礦粉的混凝土硬化水泥漿體局部存在不夠密實和相對疏松的區(qū)域。圖7、圖8分別是摻25%礦粉與不摻礦粉混凝土放大15 000倍的SEM照片，可見摻25%礦粉的硬化漿體中的水化產(chǎn)物分布均勻且礦物搭接緊密、缺陷較少，不摻礦粉的漿體結(jié)構(gòu)相對疏松，局部可見氫氧化鈣晶體，并且在氫氧化鈣晶體的周圍礦物間的孔隙相對較大。根據(jù)上述分析說明礦粉對混凝土硬化水泥漿體的改善作用明顯，礦粉充分發(fā)揮“微集料密實填充”效應(yīng)和“火山灰活性效應(yīng)”，水化產(chǎn)物填充在氫氧化鈣的周圍使硬化漿體的密實程度提高。

圖5 凍融試驗前混凝土KZ（500倍）

圖6 凍融試驗前混凝土JZ（500倍）

圖7 凍融試驗前混凝土KZ（15 000倍）

圖8 凍融試驗前混凝土JZ（15 000倍）

4.2 凍融循環(huán)后混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

圖9是摻25%礦粉混凝土經(jīng)300次凍融循環(huán)后放大200倍的SEM照片，可見硬化漿體并未出現(xiàn)破壞，骨料和漿體之間的黏結(jié)仍然完好。此時的混凝土的宏觀狀態(tài)是外觀完好，相對動彈性模量幾乎無衰減。圖10是不摻礦粉混凝土150～200次凍融循環(huán)后放大500倍的SEM照片，可見硬化水泥漿體已經(jīng)很疏松，并且漿體中存在局部可見的微細(xì)裂縫。與此狀態(tài)對應(yīng)的混凝土宏觀狀態(tài)是混凝土表面出現(xiàn)漿體剝落的顯現(xiàn)，相對動彈性模量已經(jīng)衰減至60%以下。

圖9 KZ經(jīng)300次凍融循環(huán)后（200倍）

圖10 JZ經(jīng)150～200次凍融循環(huán)后（500倍）

圖11、圖12分別是上述兩種混凝土（KZ、JZ）兩種狀態(tài)下放大15 000倍的SEM照片。這兩張照片的差別更為明顯，摻礦粉的KZ圖11與圖7對比，硬化漿體變化不大，凍融300循環(huán)后漿體仍很密實；而從不摻礦粉混凝土JZ歷經(jīng)150～200次凍融循環(huán)后硬化漿體在被放大15 000倍的SEM照片可見，硬化漿體已經(jīng)被破壞得很嚴(yán)重，漿體結(jié)構(gòu)相當(dāng)疏松，殘留的氫氧化鈣晶體明顯可見。

圖11 KZ經(jīng)300次凍融循環(huán)后（15 000倍）

圖12 JZ經(jīng)150～200次凍融循環(huán)后（15 000倍）

5 小結(jié)

根據(jù)上述分析，得出以下主要結(jié)論：

1）蒸養(yǎng)對混凝土耐久性不利，降低混凝土的抗氯離子滲透性和抗凍性，尤其是對抗凍性不利影響更為明顯。

2）混凝土中摻入礦粉可改善硬化水泥石微觀結(jié)構(gòu)，緩解蒸養(yǎng)對混凝土的不利影響。

3）對有耐久性要求的工程，蒸汽養(yǎng)護(hù)需要慎重采用，建議對蒸養(yǎng)混凝土的耐久性指標(biāo)嚴(yán)格控制，并適當(dāng)采用礦物摻合料同時應(yīng)注意優(yōu)化蒸養(yǎng)工藝參數(shù)改善漿體結(jié)構(gòu)，弱化蒸養(yǎng)對耐久性的不利影響。

[1] 劉偉，賀志敏，謝均友，等.蒸養(yǎng)混凝土抗氯離子滲透性能研究[J].混凝土，2005，188（6）：56-60.

[2] 劉寶舉，謝均友.蒸養(yǎng)超細(xì)粉煤灰混凝土的強度與耐久性[J].建筑材料學(xué)報，2003，6（2）：123-128.

[3] Detwiler Rachel J，Kjellsen Knut O，Gjorv Odde.Resistance to Chloride Intrusion of Concrete Cured at Different Temperatures[J].ACI Materials Journal，1991，88（1）：19-24.

[4] Detwiler Rachel J.Use of Supplementary Cementing Materials to Increase the Resistance to Chloride Ion Penetration of Concretes Cured at Elevated Temperatures[J].ACI Materials Journal，1994，91（1）：63-66.

[5] Campbell Glen M，Detwiler Rachel J.Development of Mix Designs for Strength and Durability of Steam-cured Concrete[J].Concrete International，1993，15（7）：37-39.

[6] Mehta P K，Gerwick B C Jr.Cracking-corrosion Interaction in Concrete Exposed to Marine Environment[J].Cement and Concrete Research，1981，88（1）：101-112.