楊斌 張言 程冠之 陳民文 李國(guó)棟 于本田

（1.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100844；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；4.中交二公局鐵路工程有限公司，西安 710065；5.雄安高速鐵路有限公司，雄安 071800）

京雄城際鐵路于2018 年2 月正式開(kāi)工建設(shè)，線(xiàn)路北起北京西站，經(jīng)廣安門(mén)、李營(yíng)、大興區(qū)、大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)，河北省固安縣、霸州市，終至雄安新區(qū)，全長(zhǎng)106 km。京雄城際鐵路是支撐國(guó)家戰(zhàn)略的重要干線(xiàn)，對(duì)完善京津冀區(qū)域高速鐵路網(wǎng)，便利沿線(xiàn)群眾出行，提高雄安新區(qū)對(duì)全國(guó)的輻射能力具有重要意義。京雄城際鐵路地處華北平原北緣，歷史平均降水量507 mm，蒸發(fā)量1 788.4 mm，春季干燥，且常見(jiàn)大風(fēng)天氣，對(duì)混凝土尤其是現(xiàn)澆混凝土早期的養(yǎng)護(hù)方式要求嚴(yán)格。合理的養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土中水泥水化程度、強(qiáng)度、耐久性有著重要影響，是保證混凝土不產(chǎn)生收縮開(kāi)裂，確?；炷临|(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1-3］。

混凝土橋墩多為豎立、高大、不定型尺寸結(jié)構(gòu)，一般采用現(xiàn)澆施工，采用何種養(yǎng)護(hù)方式能夠降低其在溫度應(yīng)力和干燥收縮耦合作用下的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，一直是混凝土界研究的熱點(diǎn)［4-8］。目前現(xiàn)澆混凝土養(yǎng)護(hù)方式主要有兩大類(lèi)：一是防止混凝土水分向外散失，如噴灑養(yǎng)護(hù)劑或包裹塑料薄膜；二是由外部補(bǔ)充水分，如包裹土工布灑水［9-11］。但實(shí)際橋墩養(yǎng)護(hù)過(guò)程中涂刷養(yǎng)護(hù)劑有可能會(huì)存在漏刷，包裹塑料薄膜在風(fēng)大地區(qū)易撕毀、吹開(kāi)導(dǎo)致保濕功能不足，包裹土工布灑水難以確定灑水頻次和水量。為保證京雄城際鐵路橋墩混凝土強(qiáng)度和耐久性，本文在試驗(yàn)室模擬了相對(duì)濕度30%的干燥環(huán)境，進(jìn)行了不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)同一種混凝土養(yǎng)護(hù)效果的試驗(yàn)研究，并采用化學(xué)結(jié)合水法分析了不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土中水泥的水化程度，得到了養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土的強(qiáng)度、耐久性和水泥水化進(jìn)程的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為京雄城際鐵路混凝土橋墩的養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 混凝土原材料與配合比

水泥采用甘肅祁連山水泥集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其主要性能見(jiàn)表1；粉煤灰采用白銀聚合建材有限公司生產(chǎn)的F 類(lèi)Ⅱ級(jí)粉煤灰，45 m 方孔篩篩余率為28.3%，需水量比為95%，燒失量為5.65%；?；郀t礦渣采用蘭州宏盛建材有限公司生產(chǎn)的S95礦渣粉，比表面積為425 m2/kg，流動(dòng)度比為98%，28 d活性指數(shù)為97%；細(xì)骨料采用蘭州永登水洗河沙，細(xì)度模數(shù)為2.8，符合2區(qū)級(jí)配；粗骨料采用甘肅永靖5～31.5 mm 連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石；減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA-I聚羧酸高性能減水劑，減水率為28%；引氣劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的GYQ-Ⅲ引氣劑，含氣量為4.3%，減水率為8%?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35，配合比見(jiàn)表2。

表1 水泥物理力學(xué)性能

表2 混凝土試驗(yàn)配合比 kg·m-3

1.2 養(yǎng)護(hù)用材料

試驗(yàn)用土工布為市售無(wú)膜土工布，質(zhì)量吸水率為353%；養(yǎng)護(hù)劑為市售養(yǎng)護(hù)劑；養(yǎng)護(hù)膜采用中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研發(fā)的節(jié)水保濕新型養(yǎng)護(hù)膜，該養(yǎng)護(hù)膜由高強(qiáng)度高韌性薄膜、儲(chǔ)釋水材料和親水性微孔無(wú)紡布3 部分組成，如圖1 所示。其中儲(chǔ)釋水材料吸水量不小于0.5 kg/m2，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下內(nèi)部濕度保持率不小于95%［12-13］。

圖1 節(jié)水保濕新型養(yǎng)護(hù)膜

1.3 養(yǎng)護(hù)方式與制度

按表2配合比配制成型4組尺寸100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體試件，每組3 塊，共計(jì)12 塊。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)帶模養(yǎng)護(hù)24 h 拆模后，除對(duì)照組置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)外，其余試件分別涂刷養(yǎng)護(hù)劑、包裹土工布、包裹養(yǎng)護(hù)膜后置于溫度20 ℃，相對(duì)濕度30%的環(huán)境模擬箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。為模擬橋墩實(shí)際狀態(tài)，所有試件均采用豎立狀態(tài)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并在試件外側(cè)標(biāo)注方向，如圖2所示。

圖2 混凝土棱柱體試件養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)膜在包裹前采用噴壺在親水性微孔無(wú)紡布側(cè)灑水，直至儲(chǔ)釋水材料吸水飽和。養(yǎng)護(hù)期間對(duì)土工布進(jìn)行灑水，灑水頻次為1 次/d，從試件頂部開(kāi)始灑水，直至土工布完全濕透。涂刷養(yǎng)護(hù)劑和包裹養(yǎng)護(hù)膜的試件養(yǎng)護(hù)期間不再進(jìn)行其他處理。同時(shí)，制作直徑100 mm、高 50 mm 的圓柱體試件 4 組，每組 3 塊，養(yǎng)護(hù)方式和養(yǎng)護(hù)制度同棱柱體試件。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 混凝土強(qiáng)度測(cè)試

將在不同養(yǎng)護(hù)方式下養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土棱柱體試件由上到下切割成4 塊尺寸100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件并進(jìn)行編號(hào)。試件表面自然風(fēng)干后，按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試。

1.4.2 混凝土抗氯離子滲透性能測(cè)試

按GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，取不同養(yǎng)護(hù)方式下養(yǎng)護(hù)28 d 的混凝土圓柱體試件進(jìn)行電通量測(cè)試，以評(píng)價(jià)不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土的抗氯離子滲透性能。

1.4.3 水化程度測(cè)試

取不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土碎屑，用無(wú)水乙醇浸泡24 h終止水泥水化，在坩堝內(nèi)研磨成粉，過(guò)75 μm的方孔篩，將粒徑小于75 μm 的顆粒裝入密封袋備用。試驗(yàn)時(shí)稱(chēng)取樣品3 g，首先在105 ℃的烘箱中烘干至恒重，除去自由水及無(wú)水乙醇，試樣冷卻后稱(chēng)取1.5 g，在1 050 ℃的高溫爐內(nèi)灼燒至恒重，在干燥皿中冷卻后稱(chēng)取質(zhì)量，灼燒前后的質(zhì)量差即為化學(xué)結(jié)合水含量，用以評(píng)價(jià)混凝土在不同養(yǎng)護(hù)方式下的水化程度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖3?？梢钥闯觯孩僭跍囟?0 ℃，相對(duì)濕度30%的干燥環(huán)境中，養(yǎng)護(hù)劑、土工布、養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土。當(dāng)環(huán)境濕度較低時(shí)，混凝土內(nèi)部的水會(huì)向外部遷移，在混凝土內(nèi)部形成連通孔，且表面失水產(chǎn)生干燥收縮，甚至開(kāi)裂，因此養(yǎng)護(hù)過(guò)程中保證混凝土周?chē)h(huán)境濕度至關(guān)重要。②4 種養(yǎng)護(hù)方式中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土試件強(qiáng)度最高；養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)的混凝土試件強(qiáng)度總體最低，未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度35 MPa 的要求；土工布養(yǎng)護(hù)的混凝土試件的部分位置強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)的混凝土試件強(qiáng)度接近標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。原因可能是采用養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)時(shí)存在涂刷不到位情況，使混凝土內(nèi)部水分在未涂刷到位的局部向外散失，從而影響了混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)。在干燥環(huán)境中養(yǎng)護(hù)膜對(duì)所包裹的混凝土水分補(bǔ)給要強(qiáng)于土工布，主要原因是養(yǎng)護(hù)膜外側(cè)的高強(qiáng)度高韌性薄膜是不透水材料，儲(chǔ)釋水材料所蓄水分只能通過(guò)微孔無(wú)紡布向混凝土一側(cè)定向遷移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土外表面水分的補(bǔ)給。而土工布養(yǎng)護(hù)由于土工布外側(cè)不存在阻水薄膜，因此其內(nèi)部所蓄水分會(huì)雙向遷移，在干燥環(huán)境中向空氣中散失速度較快，而每天1 次的灑水頻次在相對(duì)濕度30%的環(huán)境中明顯不足。若采用帶薄膜土工布又會(huì)影響后期養(yǎng)護(hù)時(shí)灑水作業(yè)。③土工布養(yǎng)護(hù)的混凝土試件上下部強(qiáng)度存在明顯差別，出現(xiàn)上部強(qiáng)度偏低、下部強(qiáng)度偏高的現(xiàn)象，而養(yǎng)護(hù)劑和養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)的混凝土試件上下部強(qiáng)度較一致。主要是土工布所蓄水分由于重力作用會(huì)向下流淌，使試件上部濕度較小、下部濕度較大。實(shí)際工程中橋墩尺寸遠(yuǎn)比試件尺寸大，這種現(xiàn)象將表現(xiàn)得更加明顯。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土抗壓強(qiáng)度

不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度見(jiàn)圖4。對(duì)比圖3 和圖4 可知，不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)的規(guī)律與抗壓強(qiáng)度基本一致。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

2.2 抗氯離子滲透性

一般認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生耐久性破壞主要是腐蝕性介質(zhì)滲入到混凝土內(nèi)部，與其中易受腐蝕物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)所致。電通量法是評(píng)價(jià)混凝土抗氯離子滲透性能的試驗(yàn)方法，電通量越小說(shuō)明混凝土的耐久性越好。

不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土電通量見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯?種養(yǎng)護(hù)方式下28 d齡期混凝土試件6 h電通量由大到小排序?yàn)轲B(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)、土工布養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。說(shuō)明在溫度20 ℃、相對(duì)濕度30%干燥環(huán)境中，采用養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)混凝土試件的抗氯離子滲透性最好。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)膜內(nèi)的水分使混凝土表面濕度較大，混凝土內(nèi)部水分不會(huì)向外散失，連通孔隙相對(duì)較少。TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，對(duì)于設(shè)計(jì)使用年限100 年的混凝土結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度為C30～C45 時(shí)56 d 電通量應(yīng)小于1 200 C。在干燥環(huán)境中養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)的混凝土試件28 d 電通量小于1 200 C，滿(mǎn)足規(guī)范要求，而養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)和土工布養(yǎng)護(hù)的混凝土電通量不滿(mǎn)足要求。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土電通量

2.3 化學(xué)結(jié)合水

水泥石中的水可分為化學(xué)結(jié)合水和非化學(xué)結(jié)合水兩大類(lèi)?；瘜W(xué)結(jié)合水以O(shè)H-或中性水分子形式存在，通過(guò)化學(xué)鍵或氫鍵與其他元素連接。水泥石中的化學(xué)結(jié)合水隨水化物增多而增多［14-15］，因此可通過(guò)高溫煅燒測(cè)試混凝土中化學(xué)結(jié)合水含量，判定混凝土中水泥水化程度，從而評(píng)價(jià)不同養(yǎng)護(hù)方式的養(yǎng)護(hù)效果。因標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)和養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)試件上下部強(qiáng)度沒(méi)有明顯差別，故對(duì)該3 種養(yǎng)護(hù)方式的混凝土試件僅隨機(jī)取一個(gè)部位進(jìn)行化學(xué)結(jié)合水試驗(yàn)，而土工布養(yǎng)護(hù)的試件上下部分別取樣進(jìn)行試驗(yàn)。

不同養(yǎng)護(hù)方式下28 d 齡期混凝土中化學(xué)結(jié)合水含量見(jiàn)表3。可以看出：①以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土試件中水泥水化程度為100%，其他養(yǎng)護(hù)方式養(yǎng)護(hù)的混凝土試件均未達(dá)到100%，說(shuō)明在干燥環(huán)境中混凝土若得不到足夠的水分補(bǔ)給，其水化程度將不充分，且存在明顯滯后現(xiàn)象。②土工布養(yǎng)護(hù)試件上下部水泥水化程度差別明顯，試件最上部水泥水化程度僅是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件水泥水化程度的66.27%，而試件最下部水泥水化程度達(dá)到了91.72%，這也是導(dǎo)致最終強(qiáng)度明顯不同的原因。

表3 不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土中化學(xué)結(jié)合水含量

3 實(shí)際應(yīng)用效果

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，在干燥環(huán)境中養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)效果最好。為驗(yàn)證養(yǎng)護(hù)膜在實(shí)際工程中的養(yǎng)護(hù)效果，在京雄城際鐵路六標(biāo)段對(duì)實(shí)體橋墩進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，見(jiàn)圖6。在養(yǎng)護(hù)膜內(nèi)側(cè)，橋墩混凝土表面布置無(wú)線(xiàn)濕度傳感器，測(cè)試橋墩混凝土表面相對(duì)濕度，見(jiàn)圖7。并在橋墩同一高度處養(yǎng)護(hù)膜外側(cè)布置另外一個(gè)無(wú)線(xiàn)濕度傳感器，用以測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度。養(yǎng)護(hù)28 d齡期內(nèi)混凝土橋墩表面相對(duì)濕度和環(huán)境相對(duì)濕度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8?？梢钥闯?，即使外界環(huán)境相對(duì)濕度變化較大，甚至出現(xiàn)相對(duì)濕度小于20%的極端干燥天氣，養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)的橋墩混凝土表面相對(duì)濕度基本保持在90%以上，一直在飽和濕度范圍內(nèi)，僅發(fā)生微小變化，說(shuō)明養(yǎng)護(hù)膜的保濕效果良好，不會(huì)隨著齡期的增長(zhǎng)出現(xiàn)水分散失、相對(duì)濕度下降的問(wèn)題。

圖6 養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)的橋墩

圖7 無(wú)線(xiàn)濕度傳感器

圖8 養(yǎng)護(hù)期間濕度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論與建議

1）干燥環(huán)境中由于養(yǎng)護(hù)膜內(nèi)部?jī)?chǔ)釋水材料的水分單向遷移，保證了混凝土表面相對(duì)濕度，使混凝土中水泥水化相對(duì)充分，因此其養(yǎng)護(hù)效果優(yōu)于養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)和土工布養(yǎng)護(hù)。

2）對(duì)豎立、高大、不定型尺寸的橋墩包裹土工布灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)，要注意由于水的自重作用橋墩混凝土上下部相對(duì)濕度存在差異，最終導(dǎo)致上下部性能差別明顯。

3）養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)易于操作；采用養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)時(shí)必須保證不漏刷；土工布養(yǎng)護(hù)必須保證灑水的頻次和水量，后期養(yǎng)護(hù)工作量較大。