蒸汽养护对混凝土力学性能和耐久性的影响

时间：2024-09-30

刘书程

（1. 中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉 430040；2. 中交二航武汉港湾新材料有限公司，湖北武汉 430040）

0 前言

蒸汽养护混凝土通常以蒸汽的热湿作用来促进强度发展，主要用于生产预制混凝土构件。自二十世纪 50年代以来，我国大力发展装配式结构，蒸养预制混凝土构件得到了较快发展，到 80 年代中期达到鼎盛[1]。蒸养混凝土已成为 21 世纪混凝土技术的主要发展方向之一，由于蒸养可提高混凝土早期强度、加快模具周转速率、提高生产效率，已成为混凝土预制构件常用的生产工艺。采用该方法制备的高强混凝土已在各类工程，特别是大型重点基础设施的混凝土结构中得到越来越广泛的应用[2]。但是蒸汽养护在提高混凝土早期硬化速率的同时，也会对混凝土耐久性，特别是抗渗透性能产生一定的负面影响[3]。

混凝土耐久性，是指其抵抗环境介质的作用，并长期保持良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全和正常使用的能力[4]。混凝土是近现代使用最广泛的建筑材料。长期以来，人们一直以为混凝土是一种非常耐久的材料，从而忽视了它的耐久性问题[5]。然而，近四五十年来，混凝土结构物因材料耐久性不足而过早劣化的事例在国内外屡见不鲜，各国为此付出了惨重代价。混凝土结构耐久性问题的日益突出，引起了世界各国学术机构、学者和工程技术人员对加强钢筋混凝土结构耐久性研究的重视[6]。

在新疆这种盐碱富集区的基础设施建设中，由于混凝土在浇筑成型后直接与地下水或土中的盐碱溶液接触，混凝土比较容易受盐碱溶液的侵蚀。盐碱溶液中同时存在氯离子和硫酸盐，氯离子能够扩散到混凝土内部，引起钢筋锈蚀，从而降低结构的承载力，硫酸盐可导致混凝土膨胀开裂，导致结构破坏而缩短混凝土的使用寿命[7]。新疆依若高速某标段地处阿尔金山，平均海拔 3000m，十月底平均气温降至 5℃ 以下，冬季时间长、气温低，而该标段箱梁设计总数一千多片，为了加快工期，冬季施工采取蒸汽养护来提高效率。该地区地质条件恶劣、冬季气温低，对混凝土耐久性要求高。本文以新疆依若高速为依托，以 C50 箱梁混凝土为例，研究蒸汽养护对混凝土强度和耐久性的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥采用若羌天山 P·O42.5 水泥；粉煤灰采用巴州泛宇 F 类Ⅱ级粉煤灰。

粗集料采用若羌石厂所产碎石两种单粒径级配搭配，粒径范围分别为 4.75～9.5mm、9.5～19.0mm 以4:6 的比例掺配，表观密度 2730kg/m3，满足连续级配，碎石针片状含量为 10.1%，含泥量为 1.9%。

细集料选用天然砂，细度模数为 3.0，属于Ⅱ区中砂，含泥量 2.7%，表观密度 2620kg/m3。

1.2 试验配合比及养护方式

试验用混凝土为现场使用的混凝土，由搅拌站生产，所有混凝土拌合物从同一盘混凝土中取样，并在试验室成型。试验所用配合比如表 1，并在混凝土配合比中单掺 15% 粉煤灰取代水泥，研究其对强度、耐久性的影响。试样制备完成后分别采取两种养护方式：

表1 耐久性能试验配合比 kg/m3

（1）标准养护：试件成型后，移至试验室养护，静置 1 天后拆模放入温度为 (20±2)℃、相对湿度为95% 以上的标准养护室中养护，养护 28d 后取出试件，放在自然条件下。

（2）蒸汽养护：试件成型后将其放入梁厂箱梁下方，随箱梁一同进行蒸汽养护，养护温度为 65℃ 左右，蒸养时间为 5h，蒸汽养护结束后便拆模，然后在室温下自然冷却，之后移至环境下与产品一同进行自然养护。

每一项试验分为两组配合比、两种养护方式，共四组，记为 A-1、A-2 和 B-1、B-2，A-1 为纯水泥混凝土经标准养护的试件；A-2 为纯水泥混凝土经蒸汽养护的试件；B-1 为掺粉煤灰混凝土经标准养护的试件；B-2为掺粉煤灰混凝土经蒸汽养护的试件。

1.3 试验方法

耐久性试验包括抗冻试验、抗氯离子渗透试验、碳化试验和抗硫酸盐侵蚀试验，试验方法依据 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的相关规定进行。

2 结果与讨论

2.1 长龄期强度

试件分别养护到至 1d、7d、28d、56d、90d 和180d 龄期，测试各龄期的抗压强度。试验抗压强度值见表 2，强度随龄期变化见图 1。

表2 混凝土抗压强度 MPa

图1 混凝土抗压强度

经过蒸汽养护的混凝土早期抗压强度要高于标准养护的，但是后期强度（28d、56d、90d、180d）要低于标准养护；同时可以看出掺粉煤灰混凝土早期抗压强度明显低于纯水泥混凝土的，但是后期强度增长较快，掺粉煤灰混凝土经标准养护后抗压强度在 180d 时达到最大，均高于其他组，而标准养护的纯水泥混凝土 90d 抗压强度在各组中最高，之后抗压强度增长变缓；在蒸汽养护条件下，掺粉煤灰混凝土 180d 的强度要高于纯水泥混凝土的，表明在原配合比中掺入粉煤灰能提高蒸养混凝土的后期强度。

2.2 抗氯离子渗透性

本文采用快速氯离子扩散系数法（Rapid Chloride Permeability Test，简称 RCM）测定氯离子在混凝土中非稳态迁移的迁移系数来评价混凝土的抗氯离子渗透性能。制作试件使用Φ100mm×100mm 试模。试件的养护龄期为 28d 和 56d。

各试验混凝土不同龄期的氯离子扩散系数 DRCM结果如表 3 所示。

表3 不同龄期混凝土氯离子扩散系数 ×10-12m2/s

图 2 显示了不同养护制度下不同胶凝材料混凝土的抗氯离子渗透性能的试验结果，分析结果可以看出：混凝土氯离子扩散系数随着养护龄期的延长而减小，而且，蒸汽养护下的混凝土氯离子扩散系数的衰减要更加明显；与标准养护相比，蒸汽养护条件下纯水泥混凝土和掺粉煤灰混凝土的氯离子扩散系数均要更高，无论是 28d 还是 56d 的氯离子扩散系数，表明蒸养混凝土抗氯离子渗透性能较差；同样的养护条件下，呈现出掺粉煤灰混凝土的氯离子扩散系数要低于纯水泥混凝土的现象，表明在混凝土中掺入粉煤灰取代水泥能明显地提高箱梁混凝土的抗氯离子渗透性能。

图2 氯离子扩散系数 DRCM

2.3 抗冻融循环

抗冻融循环试验本文采用快冻法。试块尺寸为100mm×100mm×400mm 的棱柱体试块，试件养护24d 后放入 (20±2)℃ 水中浸泡，浸泡 4d 后取出，用湿布擦干试件表面水分，然后测量试件的初始质量和横向基频。然后将试件放在混凝土快速冻融试验机中进行冻融试验，每隔 25 次测量一下试件的质量和横向基频，直至达到规定的冻融循环次数，或试件的相对动弹性模量下降到 60%，或者试件的质量损失率达到 5%。

相对动弹性模量试验结果见表 4 和图 3。

表4 相对动弹性模量 %

图3 相对动弹性模量

图3 显示了养护制度对不同胶凝材料混凝土的抗冻性能影响的试验结果，分析结果可以看出：随着冻融循环试验的进行，各组的相对动弹性模量都在降低，蒸汽养护的下降幅度高于标准养护；可以看出蒸汽养护对混凝土的抗冻性能有较为明显的影响，蒸汽养护的纯水泥混凝土在冻融循环 125 次时，相对动弹性模量便低于60%，结构遭到破坏，而标准养护的混凝土在冻融循环150 次后，还未被破坏，与蒸汽养护的混凝土试件对比来看，标准养护的混凝土抗冻融性能更加优异；同时还可以看出，不论是蒸汽养护还是标准养护，加入粉煤灰之后，都能提高混凝土的抗冻性能。

2.4 抗碳化

混凝土的碳化试验采用棱柱体试件，试件尺寸为100mm×100mm×400mm。试件养护到 26d 时取出，在 60℃ 下烘干 48h，然后再进行碳化试验。试件在碳化到 3d、7d、14d 和 28d 时，取出试件，在压力试验机上劈裂，测定碳化深度。

试件不同龄期混凝土的碳化深度如表 5，碳化深度与时间关系曲线如图 4。

表5 混凝土不同龄期的碳化深度 mm

由图 4 可知，各组试件的碳化深度均较小，碳化28d 时的碳化深度很小，最大也只有 2.11mm；前期 A-1的碳化深度最小，其次依次为 B-1、A-2、B-2，碳化到28d 时，掺粉煤灰混凝土在蒸汽养护条件下的碳化深度最大，但在标准养护条件下碳化深度最小，随着碳化龄期的延长，碳化深度越来越大，可以很明显地看出标准养护试件的碳化深度要小于蒸汽养护试件的碳化深度；蒸汽养护方式下，掺粉煤灰混凝土的碳化深度要高于纯水泥混凝土的碳化深度，而标准养护条件下，对比纯水泥混凝土，掺粉煤灰混凝土的碳化深度呈现早期较大而后期较小的规律。

图4 混凝土碳化深度